วิธีสร้างระบบยานยนต์และ E-Mobility ที่ดีขึ้นโดยใช้ตัวควบคุมสัญญาณดิจิตอล

By Stephen Evanczuk

Contributed By DigiKey's North American Editors

ระบบยานยนต์ทั่วไปและระบบ E-mobility อาศัยการทำงานอย่างมีประสิทธิภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากในระบบการอำนวยความสะดวกตลอดจนความสามารถด้านความปลอดภัยในการทำงานในภารกิจที่สำคัญ แม้ว่าจะมีความต้องการที่หลากหลาย แต่โดยพื้นฐานแล้วการใช้งานที่แตกต่างกันเหล่านี้ต้องอาศัยความสามารถในการทำงานในสภาพแวดล้อมที่สมบุกสมบัน ในขณะที่ให้การตอบสนองแบบเรียลไทม์ที่เชื่อถือได้ ประสิทธิภาพสูง

ด้วยเหตุนี้ นักพัฒนาจึงต้องเผชิญกับความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับแพลตฟอร์มเสมอต้นเสมอปลาย ทรงพลัง เป็นที่พอใจ และปรับขนาดได้ ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบและพัฒนาการใช้งานในยานยนต์และ E-mobility ที่หลากหลายขึ้น

บทความนี้กล่าวถึงตระกูลตัวควบคุมสัญญาณดิจิทัล (DSC) จาก Microchip Technology ที่สามารถตอบสนองความต้องการเหล่านี้ และจะอธิบายถึงการใช้งาน DSC เหล่านี้ในการออกแบบอ้างอิงในด้านความสามารถที่จำเป็นในระบบยานยนต์และ E-mobility

ความท้าทายในการออกแบบที่หลากหลายจำเป็นต้องมีโซลูชันที่ยืดหยุ่น

ไม่ว่าจะเป็นการออกแบบรถยนต์ทั่วไปหรือรถยนต์ไฟฟ้า นักพัฒนาจำเป็นต้องจัดการกับรายการของการใช้งานภายในรถยนต์ที่เพิ่มขึ้น รวมถึงระบบย่อยในการแปลงพลังงาน การชาร์จแบบไร้สายในรถยนต์ ระบบไฟส่องสว่างแบบดิจิตอล และระบบควบคุมมอเตอร์ตั้งแต่การใช้งานสเต็ปมอเตอร์ที่ค่อนข้างง่ายไปจนถึงระบบเบรกแบบจ่ายพลังงานคืน (Regenerative braking system) ที่ซับซ้อนในรถยนต์ไฟฟ้า (EV) และรถยนต์ไฟฟ้าไฮบริด (HEV) นอกเหนือจากข้อกำหนดที่มีความสำคัญต่อภารกิจด้านความปลอดภัยในการใช้งานแล้ว ข้อกำหนดด้านการออกแบบและรายการวัสดุ (BOM) ยังคงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ เนื่องจากผู้ผลิตรถยนต์ต้องตอบสนองความต้องการของผู้บริโภคและแรงกดดันด้านการแข่งขันเพื่อความปลอดภัย ความสะดวก การทำงาน และประสิทธิภาพที่มากขึ้น

เพื่อตอบสนองต่อข้อกำหนดเหล่านี้ อุตสาหกรรมยานยนต์จึงได้หันไปใช้โซลูชันดิจิทัลเพิ่มมากขึ้นแทบทุกระบบย่อยภายในรถยนต์ โดยที่ระบบย่อยในรถยนต์โดยสารทั่วไปนั้นใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ที่ใช้รหัสซอฟต์แวร์มากกว่าเครื่องบินพาณิชย์สี่เท่า[1]

ด้วยความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปและความกดดันทางการแข่งขัน โซลูชันไมโครคอนโทรลเลอร์รุ่นก่อน ๆ อาจไม่สามารถตอบสนองความต้องการมากมายที่นักออกแบบยานยนต์กำลังเผชิญอยู่ ความต้องการรางไฟฟ้าที่แตกต่างกันในระบบย่อยอิเล็กทรอนิกส์ที่มากขึ้นและฟังก์ชันการแปลง DC/DC แรงดันสูงที่เกี่ยวข้อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน EV ต้องใช้ความสามารถในการควบคุมแบบดิจิทัลที่ซับซ้อนกว่าเดิม การใช้งานอื่น ๆ เช่น การชาร์จอุปกรณ์พกพาแบบไร้สายในรถยนต์ทำให้มีข้อกำหนดด้านการออกแบบใหม่ทั้งหมดสำหรับเครื่องส่งสัญญาณพลังงานไร้สายแบบหลายคอยล์ที่เข้ากันได้กับเครื่องรับพลังงานมาตรฐานอุตสาหกรรมซึ่งติดตั้งไว้ในอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภคจำนวนมากยิ่งขึ้น การออกแบบไฟส่องสว่างของรถยนต์จำเป็นต้องมีลักษณะทางเทคนิค เช่น การหรี่แสง อุณหภูมิ อายุของส่วนประกอบ และอื่น ๆ เพื่อให้ไฟหน้าสว่างขึ้น สีสันที่ถูกใจ และเอฟเฟกต์การหรี่แสงในแผงหน้าปัด สุดท้ายมอเตอร์ที่ควบคุมด้วยระบบดิจิตอลที่มีความแม่นยำนั้นมีอยู่แพร่หลายแม้แต่ในรถยนต์ทั่วไป และแน่นอนว่าเป็นพื้นฐานการทำงานของ E-mobility

dsPIC33 ในตระกูล DSC ของ Microchip Technology ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อตอบสนองความต้องการที่หลากหลายเหล่านี้โดยใช้อุปกรณ์ในตระกูลที่มีความสามารถเฉพาะด้าน dsPIC33C อุปกรณ์ใหม่ล่าสุดในตระกูลนี้ได้เพิ่มประสิทธิภาพและความสามารถที่มีอยู่ใน dsPIC33E และ dsPIC33F ซึ่งเป็นอุปกรณ์ตระกูล DSC สำหรับนักพัฒนาที่กำหนดเป้าหมายการใช้งานที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น

จากแกนตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (DSP) DSC เหล่านี้จึงรวมความเรียบง่ายของ MCU เข้ากับประสิทธิภาพของ DSP เพื่อตอบสนองความต้องการที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาสำหรับประสิทธิภาพสูง เวลาแฝงต่ำ ความสามารถแบบเรียลไทม์ ในขณะที่ทำให้ฟุตปริ้นและ BOM ให้มีขนาดน้อยที่สุด การใช้ระบบนิเวศของ บอร์ดพัฒนา dsPIC33 ที่ครอบคลุมของ Microchip ที่เป็นการออกแบบอ้างอิงและเครื่องมือพัฒนาซอฟต์แวร์ นักพัฒนาสามารถใช้อุปกรณ์ที่แตกต่างกันในตระกูล dsPIC33 เพื่อปรับขนาดการออกแบบของพวกเขาและส่งมอบการใช้งานที่เป็นหัวใจสำคัญของยานยนต์และระบบ E-mobility

พื้นฐานฮาร์ดแวร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับการออกแบบยานยนต์และ E-mobility

ตระกูล dsPIC33C ของ Microchip ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อลดเวลาแฝงและการดำเนินการเกี่ยวกับความเร็วของลูปควบคุมดิจิทัลที่ใช้ซอฟต์แวร์ความเร็วสูงซึ่งอยู่ภายในระบบย่อยของยานยนต์จำนวนมาก เพื่อส่งมอบความสามารถนี้ อุปกรณ์เหล่านี้ได้รวมเอา DSP, รีจิสเตอร์ความเร็วสูง และอุปกรณ์ต่อพ่วงที่เชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนา ซึ่งรวมถึงตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) หลายตัว ตัวแปลงดิจิทัลเป็นแอนะล็อก (DAC) ตัวเปรียบเทียบแบบแอนะล็อก และออปแอมป์

คุณสมบัติเช่นเดียวกับ 16 x 16 multiply-accumulate (MAC) ของ DSP ที่มีตัวสะสม 40 บิต การวนลูปที่ไม่เกินความจำเป็น และการเปลี่ยนเกียร์แบบบาร์เรลช่วยให้มั่นใจถึงการใช้ลูปการควบคุมแบบดิจิทัลความเร็วสูง ความสามารถของอุปกรณ์ต่อพ่วง เช่น ตัวปรับความกว้างพัลส์ (PWM) ความละเอียด 150 พิโควินาที (ps), ตัวจับเวลาการจับภาพ/เปรียบเทียบ/PWM (CCP), วงจรจุดชนวนของอุปกรณ์ต่อพ่วง และเซลล์ลอจิกที่กำหนดค่าได้เองที่ผู้ใช้สามารถตั้งโปรแกรมได้ที่ช่วยให้อินเทอร์เฟซลูปควบคุมที่มีความแม่นยำทำงานได้อย่างอิสระ

ฟังก์ชันการทำงานมากมายบนชิปของอุปกรณ์เหล่านี้ในแพ็คเกจขนาดเล็กเพียง 5 x 5 มม. ช่วยให้นักพัฒนาใช้พื้นที่และ BOM น้อยที่สุดตรงตามข้อกำหนดสำหรับอุปกรณ์ขนาดเล็กในระบบยานยนต์ที่ทันสมัย อุปกรณ์เหล่านี้รองรับอินเทอร์เฟซการสื่อสารที่หลากหลาย รวมถึง Controller Area Network (CAN), Local Interconnect Network (LIN) และ Digital Multiplex (DMX) ที่ใช้ในระบบยานยนต์ขั้นสูง ซึ่งทำให้การออกแบบยานยนต์ง่ายขึ้น นอกจากนี้ อุปกรณ์เหล่านี้ยังมีขนาดหน่วยความจำที่แตกต่างกันในการกำหนดค่าทั้งแบบแกนเดียวและแกนคู่ ซึ่งเป็นโซลูชันที่ปรับขนาดได้และจำเป็นสำหรับการใช้งานในยานยนต์และ E-mobility ขั้นสูง

ชิ้นส่วนเหล่าออกแบบมาสำหรับสภาพแวดล้อมยานยนต์ที่สมบุกสมบัน โดยมีคุณสมบัติตรงตามมาตรฐาน AEC-Q100 เกรด 0 และสามารถตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของการทำงานใต้ท้องรถพร้อมการรองรับในช่วงอุณหภูมิที่เพิ่มมากขึ้นตั้งแต่ –40°C ถึง +150°C และสิ่งสำคัญที่สุดสำหรับการออกแบบยานยนต์ที่มีความสำคัญต่อภารกิจคือการเลือกสมาชิกในตระกูล dsPIC33 ที่มีความปลอดภัยในการใช้งานและพร้อมที่จะปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยได้ง่ายขึ้น รวมถึง ISO 26262 (ASIL A หรือ ASIL B), IEC 61508 (SIL 2) และ IEC 60730 (Class B) สมาชิกในตระกูล dsPIC33 เหล่านี้รวมเอาคุณสมบัติฮาร์ดแวร์ด้านความปลอดภัยเฉพาะทาง ซึ่งรวมถึงตัวจับเวลา Deadman, ตัวจับเวลา Watchdog, การตรวจสอบการทำงานของตัวจับเวลา, หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม (RAM), การทดสอบตัวเองในตัว (BIST) และรหัสแก้ไขข้อผิดพลาด

สำหรับการพัฒนาซอฟต์แวร์ คอมไพเลอร์ MPLAB XC C ของ Microchip ได้รับการรับรองจาก TÜV SUD เพื่อความปลอดภัยในการใช้งาน และในบางกรณีก็มีไลบรารีซอฟต์แวร์วินิจฉัย นอกจากนี้ Microchip ยังมีรายงานการวิเคราะห์สาเหตุและผลกระทบในการทำงานของระบบ (FMEDA) และคู่มือด้านความปลอดภัยที่จำเป็นซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการรับรองความปลอดภัย

คุณลักษณะด้านความปลอดภัยของฮาร์ดแวร์และความสามารถในการพัฒนาที่จำเป็นสำหรับการรับรองความปลอดภัยในการใช้งานเป็นเพียงส่วนหนึ่งของระบบนิเวศการพัฒนาที่สมบูรณ์ซึ่งสนับสนุนการออกแบบที่ใช้ dsPIC33 สำหรับรถยนต์ทั่วไปและรถยนต์ไฟฟ้า สร้างขึ้นบนสิ่งแวดล้อมสำหรับการพัฒนาแบบเบ็ดเสร็จ (IDE) MPLAB X ซึ่ง Microchip นำเสนอชุดเครื่องมือและไลบรารีสำหรับการออกแบบเฉพาะทางที่ครอบคลุมสำหรับการใช้งานต่าง ๆ ดังที่ระบุไว้ด้านล่าง

เพื่อช่วยเพิ่มความเร็วในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ตระกูล dsPIC33 ทาง Microchip จึงนำเสนอระบบนิเวศที่สมบูรณ์ของบอร์ดพัฒนา dsPIC33 รวมถึงทรัพยากรการออกแบบที่สามารถดาวน์โหลดได้ ซึ่งรวมถึงเอกสารปกขาว บันทึกการใช้งาน และการออกแบบอ้างอิง ในบรรดาแหล่งข้อมูลเหล่านี้ การออกแบบอ้างอิง dsPIC33C หลาย ๆ แบบจะจัดการกับส่วนการใช้งานในยานยนต์และ E-mobility ที่สำคัญหลายส่วน รวมถึงการชาร์จแบบไร้สาย ไฟส่องสว่างดิจิทัล การแปลงกำลัง และการควบคุมมอเตอร์ นอกจากการสาธิตการใช้ DSC รุ่น dsPIC33C ในแต่ละด้านแล้ว การออกแบบอ้างอิงและซอฟต์แวร์ที่เกี่ยวข้องเหล่านี้ยังสามารถทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการนำการออกแบบที่กำหนดเองไปใช้งาน

การใช้ลูปควบคุมดิจิตอลที่แม่นยำสำหรับการแปลงกำลัง

วงจรควบคุมเป็นหัวใจสำคัญของการใช้งานในยานยนต์และ E-mobility และหนึ่งในการใช้งานที่สำคัญที่สุดในการใช้งานเหล่านี้คือการตอบสนองความต้องการขั้นพื้นฐานสำหรับการแปลงกำลัง การแปลงกำลังไฟฟ้าจากกระแสตรงเป็นกระแสตรงอย่างมีประสิทธิภาพยังคงมีความสำคัญในระบบยานยนต์ทั่วไป และจำเป็นสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าแรงสูงและรถยนต์ไฮบริด ในระบบเหล่านี้ แรงดันแบตเตอรี่ 200-800 โวลต์จะต้องถูกแปลงลงอย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพไปที่ระดับ 12 โวลต์หรือ 48 โวลต์ที่จำเป็นต่อการทำงานของไฟภายนอกและภายใน และมอเตอร์ไฟฟ้าสำหรับที่ปัดน้ำฝน หน้าต่าง พัดลม และปั๊ม

ในการออกแบบอ้างอิงของตัวแปลงเรโซแนนซ์ DC/DC LLC ขนาด 200 วัตต์ (W) (องค์ประกอบแบบรีแอคทีฟสามตัว: อินดักทีฟสองตัวและคาปาซิทีฟหนึ่งตัว)[2] อุปกรณ์ dsPIC33 ตัวเดียวช่วยให้สามารถใช้โซลูชันดิจิทัลขนาดกะทัดรัดสำหรับการแปลงพลังงานสวิตช์โหมด โดยใช้ PWM ในตัวเพื่อขับเคลื่อนมอสเฟตแบบฮาฟบริดจ์ในลูปควบคุม (รูปที่ 1)

แผนภาพการออกแบบอ้างอิงตัวแปลงเรโซแนนซ์ DC/DC LLC ของ Microchip Technology รูปที่ 1: การออกแบบอ้างอิงตัวแปลงเรโซแนนซ์ DC/DC LLC ของ Microchip Technology ใช้ DSC รุ่น dsPIC33 ตัวเดียวเพื่อจัดการลูปควบคุมที่เป็นหัวใจสำคัญของการออกแบบการแปลงกำลังไฟฟ้า (แหล่งที่มารูปภาพ: Microchip Technology)

ในรูปที่ 2 หม้อแปลงเรโซแนนซ์จะแยกไฟฟ้าแรงสูงด้านปฐมภูมิ (เส้นสีดำ) ออกจากแหล่งจ่ายไฟทุติยภูมิ 12 โวลต์ (เส้นสีน้ำเงิน) สำหรับตัวขับมอสเฟต (D) และแหล่งจ่ายไฟ 3 โวลต์สำหรับ DSC รุ่น dsPIC33 และส่วนประกอบแอนะล็อก (A) อื่น ๆ

แผนภาพของ DSC รุ่น dsPIC33 ของ Microchip (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)รูปที่ 2: ด้วยอุปกรณ์ต่อพ่วงเฉพาะ DSC รุ่น dsPIC33 ช่วยให้การออกแบบง่ายขึ้นและลดจำนวนชิ้นส่วน โดยใช้ PWM ในตัวและฟังก์ชันอุปกรณ์ต่อพ่วงเพื่อควบคุมมอสเฟตภายนอก (D) และส่วนประกอบแอนะล็อก (A) อื่น ๆ (แหล่งที่มารูปภาพ: Microchip Technology)

ในการออกแบบนี้ dsPIC33 ใช้การออกแบบซอฟต์แวร์ที่ขับเคลื่อนด้วยการอินเตอร์รัปต์พื้นฐานเพื่อจัดการลูปควบคุมดิจิทัล ในที่นี้อินเทอร์รัปต์ของ ADC จะใช้เพื่อรับแรงดันเอาต์พุตที่ใช้ในตัวควบคุมแบบสัดส่วน–อินทิกรัล–อนุพันธ์ (PID) ของซอฟต์แวร์ อีกหนึ่งอินเตอร์รัปต์ของ ADC รองรับการตรวจจับอุณหภูมิ ในขณะที่เครื่องเปรียบเทียบอนาล็อกของ dsPIC33 รองรับการตรวจจับเหตุการณ์กระแสเกินและแรงดันไฟเกิน อันที่จริงการดำเนินการตามการควบคุมแบบ PID และงานการจัดการลูปควบคุมที่เกี่ยวข้องทำให้พื้นที่ว่างในการประมวลผลเหลือเฟือสำหรับงานดูแลและงานตรวจสอบ ซึ่งรวมถึงการตรวจสอบอุณหภูมิ การตรวจสอบข้อผิดพลาด และการสื่อสาร ทั้งหมดนี้อยู่ในขั้นตอนการประมวลผลเฟิร์มแวร์ที่ตรงไปตรงมา (ภาพที่ 3)

แผนภาพของ DSP ประสิทธิภาพสูงของ DSC รุ่น dsPIC33 ของ Microchipรูปที่ 3: ประสิทธิภาพสูงของ DSP ใน DSC รุ่น dsPIC33 และอุปกรณ์ต่อพ่วงที่เชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนาช่วยให้นักพัฒนาสามารถใช้ลูปควบคุมดิจิทัลที่ซับซ้อนได้อย่างง่ายดายด้วยโค้ดที่ง่ายกว่า (แหล่งที่มารูปภาพ: Microchip Technology)

สำหรับนักพัฒนาที่ต้องการสร้างโซลูชันพลังงานดิจิทัลที่เชี่ยวชาญมากขึ้น ชุดออกแบบพลังงานดิจิทัล (Digital Power Design Suite)ของ Microchip รองรับการออกแบบตั้งแต่แนวคิดจนถึงการสร้างเฟิร์มแวร์สำหรับเป้าหมาย DSC รุ่น dsPIC จากความสามารถของฮาร์ดแวร์ DSC รุ่น dsPIC นักพัฒนาจึงใช้เครื่องมือ Digital Compensator Design Tool (DCDT) ของชุดโปรแกรมเพื่อวิเคราะห์ลูปควบคุม และ MPLAB Code Configurator (MCC) เพื่อสร้างโค้ดที่ใช้ฟังก์ชันโค้ดแอสเซมบลีที่ปรับให้เหมาะสมใน Microchip Compensator Libraries (ภาพที่ 4)

แผนภาพของห่วงโซ่เครื่องมือที่ครอบคลุมของ Microchip ภาพที่ 4: นักพัฒนาสามารถใช้ห่วงโซ่เครื่องมือ (Tool chain) ที่ครอบคลุมของ Microchip เพื่อเร่งการพัฒนาลูปควบคุมบนซอฟต์แวร์ที่ปรับให้เหมาะสมซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของระบบย่อยพลังงานดิจิทัล (แหล่งที่มารูปภาพ: Microchip Technology)

ไม่ว่าพวกเขากำลังสร้างอุปกรณ์ที่ได้มาตรฐาน เช่น เครื่องส่งสัญญาณพลังงานแบบไร้สาย หรือใช้อุปกรณ์ที่กำหนดเองที่ซับซ้อนมากขึ้น ผู้ออกแบบการใช้งานลูปควบคุมยานยนต์และ E-mobility ก็ยังจำเป็นต้องใช้โซลูชันขนาดกะทัดรัดที่สามารถรองรับฟังก์ชันการทำงานเพิ่มเติมนอกเหนือจากความสามารถพื้นฐาน เช่น การตรวจสอบข้อผิดพลาด การออกแบบอ้างอิงอื่นแสดงให้เห็นถึงการใช้ DSC รุ่น dsPIC33CK แบบแกนเดียว ในการมอบคุณสมบัติที่หลากหลายในการใช้งานที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งของการแปลงพลังงานที่ควบคุมแบบดิจิทัล การส่งพลังงานแบบไร้สาย

การใช้เครื่องส่งกำลังไร้สายที่เป็นไปตามมาตรฐาน Qi

มาตรฐาน Qi ของสมาคมพลังงานไร้สาย (Wireless Power Consortium, WPC) สำหรับการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สาย 5 ถึง 15 วัตต์ใช้กันอย่างแพร่หลายโดยผู้ผลิตสมาร์ทโฟนและอุปกรณ์พกพาอื่น ๆ ช่วยให้ผู้บริโภคชาร์จอุปกรณ์ที่รองรับมาตรฐาน Qi ได้ โดยวางบนพื้นผิวใด ๆ เครื่องส่งสัญญาณไร้สาย เครื่องส่งสัญญาณพลังงานไร้สาย Qi ฝังอยู่ในพื้นผิวภายในรถยนต์หรือผลิตภัณฑ์ชาร์จของบริษัทอื่น เป็นวิธีที่สะดวกสำหรับการชาร์จสมาร์ทโฟนซึ่งขจัดความสับสนและเสียสมาธิที่อาจเกิดขึ้นจากการเชื่อมต่อสายไฟแบบมีสาย การออกแบบอ้างอิงพลังงานไร้สาย Qi 15 วัตต์ของ Microchip Technology[3] แสดงให้เห็นถึงการใช้ dsPIC33 ในการทำให้การใช้งานระบบย่อยประเภทนี้ง่ายขึ้น (ภาพที่ 5)

แผนภาพของอุปกรณ์ต่อพ่วงในตัวของ Microchip dsPIC33 (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)รูปที่ 5: อุปกรณ์ต่อพ่วงในตัวของ dsPIC33 สามารถทำงานได้อย่างอิสระเพื่อเพิ่มความเร็วให้กับงานควบคุมหลัก โดยเหลือพื้นที่การประมวลผลไว้สำหรับดำเนินการงานอื่น ๆ เช่น ส่วนต่อประสานผู้ใช้ การสื่อสาร และการรักษาความปลอดภัยในการใช้งานที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น เครื่องส่งสัญญาณพลังงานแบบไร้สาย (แหล่งที่มารูปภาพ: Microchip Technology)

จาก DSC รุ่น dsPIC33CK256MP506 แบบแกนเดียวของ Microchip Technology การออกแบบอ้างอิงใช้ความสามารถที่มีของ DSC สำหรับการนำลูปการควบคุมแบบดิจิทัลไปใช้ แม้ว่าการออกแบบนี้จะขึ้นอยู่กับโทโพโลยีแบบฟูลบริดจ์ แทนที่จะเป็นฮาล์ฟบริดจ์ที่ใช้ในตัวแปลงเรโซแนนซ์ที่กล่าวถึงข้างต้น แต่ PWM หลายตัวของอุปกรณ์ตอบสนองความต้องการเพิ่มเติมนี้ได้อย่างง่ายดาย

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องส่งกำลังไฟฟ้าแบบไร้สายจะมีคอยล์ความถี่วิทยุ (RF) หลายตัวสำหรับส่งกำลัง และในการออกแบบนี้ อินเวอร์เตอร์บริดจ์จะเชื่อมต่อผ่านมัลติเพล็กเซอร์ (MUX) กับหนึ่งในสามคอยส์ เช่นเดียวกับอินเวอร์เตอร์ฟูลบริดจ์และฟรอนต์เอนด์การปรับแรงดันไฟฟ้า การออกแบบนี้ใช้ประโยชน์จากอุปกรณ์ต่อพ่วงในตัวของ dsPIC33 อย่างเต็มที่เพื่อจัดการสวิตช์ MUX ของคอยล์

นอกจากการควบคุม MIC4605 และ MP14700 ไดรเวอร์เกทของ Microchip อุปกรณ์ต่อพ่วง dsPIC33 ยังสามารถ:

  • ควบคุมไฟแสดงสถานะไดโอดเปล่งแสง (LED) ผ่าน MicrochipMCP23008 ตัวขยายสัญญาณ I/O
  • ให้การเชื่อมต่อ USB ผ่าน Microchip MCP2221A อุปกรณ์บริดจ์ USB
  • รองรับการจัดเก็บข้อมูลที่ปลอดภัยตามมาตรฐาน WPC ผ่าน Microchip ATECC608 อุปกรณ์ตรวจสอบความถูกต้องที่ Microchip กำหนดให้เป็นผู้ออกใบรับรอง (CA) ผู้ผลิตที่ได้รับอนุญาตตามมาตรฐาน WPC
  • ให้การเชื่อมต่อ CAN ที่ใช้งานได้อย่างปลอดภัยตามมาตรฐาน ISO 2622 ผ่าน Microchip ATA6563 อุปกรณ์อัตราข้อมูล (FD) CAN ที่ยืดหยุ่น

นอกจากนี้ การออกแบบอ้างอิงยังใช้ MCP16331 ของ Microchip ตัวแปลงบั๊กและMCP1755 ตัวควบคุมเชิงเส้นเพื่อรองรับพลังงานแบตเตอรี่เสริม

การใช้ BOM ที่จำนวนไม่มากนี้ ทำให้การออกแบบอ้างอิงมีโซลูชัน Qi-ready ที่มีคุณสมบัติหลักทั้งหมดของระบบไฟฟ้าไร้สาย รวมถึงประสิทธิภาพสูง พื้นที่การชาร์จที่เพิ่มขึ้น ระยะ Z ที่มีประโยชน์ (ระยะห่างระหว่างตัวส่งและตัวรับ) การตรวจจับวัตถุแปลกปลอม และรองรับการใช้งานแบบชาร์จเร็วหลายแบบที่ใช้ในสมาร์ทโฟนชั้นนำ ด้วยการออกแบบโดยใช้ซอฟต์แวร์นี้ นักพัฒนาสามารถเพิ่มความสามารถได้อย่างง่ายดาย เช่น โปรโตคอลการสื่อสารที่เป็นกรรมสิทธิ์ระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ และตัวเลือกการเชื่อมต่อไร้สาย เช่น Bluetooth และอื่น ๆ

การนำโซลูชันระบบแสงสว่างดิจิทัลขนาดกะทัดรัดมาใช้

ฟังก์ชันการทำงานในตัวของอุปกรณ์ dsPIC33 มีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานในยานยนต์และ E-mobility ซึ่งต้องการเพิ่มคุณสมบัติที่ซับซ้อนบางอย่างโดยไม่รบกวนเส้นไฟในรถ การมีอยู่ของไฟ LED ความเข้มสูงทำให้ผู้ผลิตรถยนต์สามารถออกแบบไฟหน้าและไฟส่องสว่างภายในรถได้ดีขึ้น

อย่างไรก็ตาม ผู้พัฒนาระบบย่อยของไฟส่องสว่างเหล่านี้มักจะต้องบีบอัดฟังก์ชันการทำงานให้มากขึ้นในแพ็คเกจที่มีขนาดเล็กลง โดยที่ยังรองรับมาตรฐานอุตสาหกรรม เช่น DMX ซึ่งมีโปรโตคอลการสื่อสารทั่วไปสำหรับการควบคุมกลุ่มอุปกรณ์ให้แสงสว่าง เช่นเดียวกับการออกแบบเครื่องส่งกำลังไฟฟ้าแบบไร้สายที่กล่าวถึงข้างต้น การออกแบบสำหรับไฟดิจิตอลขนาดกะทัดรัด[4] โซลูชันใช้ประโยชน์จากอุปกรณ์ต่อพ่วงในตัวของ dsPIC33 (รูปที่ 6)

แผนภาพของ dsPIC33 DSCs ของ Microchip Technology (คลิกเพื่อดูภาพขยาย) รูปที่ 6: DSC รุ่น dsPIC33 ของ Microchip Technology ช่วยให้นักพัฒนาสามารถนำเสนอการออกแบบที่ซับซ้อนโดยใช้พื้นที่น้อยที่สุดและ BOM ที่จำเป็นต่อการฝังฟังก์ชันการทำงานลงในยานพาหนะแบบไม่โดดเด่น (แหล่งที่มารูปภาพ: Microchip Technology)

เช่นเดียวกับการใช้งานด้านพลังงานดิจิทัลอื่น ๆ การออกแบบการให้แสงสว่างแบบดิจิทัลนี้ใช้ประโยชน์จาก PWM ในตัว ตัวเปรียบเทียบแบบแอนะล็อก และอุปกรณ์ต่อพ่วงอื่น ๆ ของ dsPIC33 เพื่อมอบโซลูชันระบบการให้แสงสว่างดิจิทัลขนาดกะทัดรัดที่สมบูรณ์แบบ เช่นเดียวกับการใช้งานด้านการออกแบบที่กล่าวถึงข้างต้น โซลูชันระบบแสงสว่างดิจิทัลนี้อาศัยกำลังประมวลผลของ DSC รุ่น dsPIC33 และความสามารถของอุปกรณ์ต่อพ่วงในการทำงานอย่างอิสระเพื่อตรวจสอบและควบคุมชุดอุปกรณ์ภายนอกที่ต้องการ ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์จ่ายไฟ ตัวรับส่งสัญญาณ LED และอื่น ๆ ตัวอย่างการออกแบบอื่น ๆ ของ Microchip แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการประมวลผลที่มีประสิทธิภาพสูงของ DSC รุ่น dsPIC33 ในการจัดการอัลกอริธึมการควบคุมแบบดิจิทัลที่ซับซ้อนมากขึ้นและระบบควบคุมมอเตอร์ขั้นสูง

การใช้ระบบควบคุมมอเตอร์ขั้นสูงด้วย DSC รุ่น dsPIC33 เพียงตัวเดียว

ประสิทธิภาพของ DSC รุ่น dsPIC33 ช่วยให้นักพัฒนาใช้ DSC ตัวเดียวเพื่อจัดการการทำงานของลูปควบคุมดิจิทัลหลัก ตลอดจนฟังก์ชันเสริมต่าง ๆ แท้จริงแล้วการออกแบบมอเตอร์คู่ของ Microchip[5] สาธิตการใช้งานระบบควบคุมสนามแม่เหล็กแบบมีทิศทาง (FOC) แบบไร้เซนเซอร์ของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) คู่หนึ่งโดยใช้ DSC รุ่น dsPIC33CK แบบแกนเดียวเพียงตัวเดียว กุญแจสำคัญในการออกแบบนี้อยู่ที่การเปลี่ยนเฟสของสัญญาณ PWM ไปยังอินเวอร์เตอร์สำหรับช่องควบคุมมอเตอร์แต่ละช่อง การควบคุมมอเตอร์ 1 (MC1) และการควบคุมมอเตอร์ 2 (MC2) (รูปที่ 7)

แผนภาพของ DSC รุ่น dsPIC33CK แบบแกนเดียวของ Microchip หนึ่งตัวสามารถรองรับการออกแบบการควบคุมมอเตอร์คู่ (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)รูปที่ 7: เนื่องจากการประมวลผลประสิทธิภาพสูงและอุปกรณ์ต่อพ่วงใน DSC รุ่น dsPIC33CK แบบแกนเดียวหนึ่งตัวจึงสามารถรองรับการออกแบบการควบคุมมอเตอร์คู่ได้ (แหล่งที่มารูปภาพ: Microchip Technology)

ในแนวทางนี้ PWM ของ dsPIC33CK ได้รับการกำหนดค่าเพื่อสร้างรูปคลื่นที่สำคัญสำหรับแต่ละช่องสัญญาณควบคุมมอเตอร์และทริกเกอร์ ADC แยกกันในช่วงเวลาที่เหมาะสม เมื่อ ADC แต่ละตัวเสร็จสิ้นการแปลง จะเกิดการอินเตอร์รัปต์ที่ทำให้ dsPIC333CK ดำเนินการอัลกอริทึม FOC สำหรับชุดการอ่านนั้น

DSC รุ่น dsPI33CK ตัวเดียวยังสามารถจัดการการใช้งานการควบคุมมอเตอร์ที่ทนทานยิ่งขึ้นอีกด้วย ในการออกแบบอ้างอิงสำหรับสกู๊ตเตอร์ไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง (E-scooter) dsPIC33CK จะควบคุม FET และตัวขับเกท MIC4104 ของ Microchip สำหรับอินเวอร์เตอร์สามเฟสที่ขับเคลื่อนมอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงถ่าน (BLDC) (รูปที่ 8)

แผนภาพของระบบย่อยการควบคุมมอเตอร์ E-scooter ที่แข็งแกร่ง (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)รูปที่ 8: การใช้ dsPIC33CK แบบ single-core นักพัฒนาสามารถใช้ระบบย่อยการควบคุมมอเตอร์ E-scooter ที่มีประสิทธิภาพโดยมีส่วนประกอบเพิ่มเติมเพียงไม่กี่ชิ้น (แหล่งที่มารูปภาพ: Microchip Technology)

การออกแบบอ้างอิง E-scooter[6] รองรับโหมดการทำงานทั้งแบบไร้เซ็นเซอร์และมีเซ็นเซอร์ เนื่องจากมีความสามารถในการตรวจสอบแรงเคลื่อนไฟฟ้าด้านหลัง (BEMF) ของมอเตอร์ BLDC เช่นเดียวกับเอาต์พุตของเซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์ ด้วยการใช้แหล่งจ่ายแรงดันไฟขาเข้าตั้งแต่ 18 ถึง 24 โวลต์ การออกแบบให้กำลังขับสูงสุด 350 วัตต์

ในการขยายเพิ่มเติมของการออกแบบนี้[7] Microchip สาธิตการเพิ่มระบบเบรกแบบจ่ายพลังงานคืนที่ใช้ใน EV และ HEV เพื่อนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่ เนื่องจากมอเตอร์สร้าง BEMF ที่ระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าแหล่งจ่ายแบตเตอรี่ของรถยนต์ ในที่นี้การออกแบบที่เพิ่มขึ้นจะใช้พิน dsPIC33CK เพิ่มเติมเพื่อตรวจสอบสัญญาณที่มาจากเบรก เมื่อตรวจพบการเบรก dsPIC33CK จะปิดเกทด้านสูงของอินเวอร์เตอร์ก่อนเพื่อเพิ่มพลังงานไฟฟ้าที่คืนมาให้อยู่ในระดับที่สูงกว่าแรงดันไฟบัสกระแสตรง จากนั้นปิดเกทด้านต่ำเพื่อให้กระแสไฟไหลกลับไปยังแหล่งกำเนิด

นักพัฒนาสามารถปรับขนาดการออกแบบนี้เพื่อรองรับการทำงานที่มากขึ้นโดยแทนที่ dsPIC33CK แบบแกนเดียวด้วย DSC รุ่น dsPIC33CH แบบแกนคู่ ในการออกแบบดังกล่าว แกนหนึ่งสามารถจัดการการควบคุมมอเตอร์ BLDC และฟังก์ชันการเบรกแบบจ่ายพลังงานคืนได้โดยมีการเปลี่ยนแปลงโค้ดเพียงเล็กน้อย ในขณะที่อีกแกนหนึ่งสามารถดำเนินการด้านความปลอดภัยเพิ่มเติมหรือการใช้งานระดับสูง เมื่อใช้ dsPIC33CH แบบแกนคู่ ทีมพัฒนาการควบคุมมอเตอร์และทีมพัฒนาแอปพลิเคชันสามารถทำงานแยกจากกัน และผสานรวมการควบคุมเพื่อการดำเนินการบน DSC ได้อย่างราบรื่น

สำหรับการออกแบบการควบคุมมอเตอร์แบบกำหนดเอง motorBench Development Suite ของ Microchip จัดเตรียมชุดเครื่องมืออินเทอร์เฟซผู้ใช้แบบกราฟิก (GUI) ที่ช่วยให้นักพัฒนาสามารถวัดพารามิเตอร์มอเตอร์ที่สำคัญ ปรับแต่งลูปการควบคุม และสร้างซอร์สบิลด์บน Motor Control Application Framework (MCAF) และ Motor Control Library ของ Microchip

บทสรุป

การใช้ DSC รุ่น dsPIC33 ของ Microchip Technology นั้น ทำให้นักพัฒนาจำเป็นต้องมีส่วนประกอบเพิ่มเติมที่ไม่มากนักในใช้การออกแบบพลังงานดิจิทัลที่หลากหลายสำหรับการใช้งานในยานยนต์ทั่วไปและ E-mobility dsPIC33 แบบแกนเดียวและแกนคู่ได้รับการสนับสนุนจากชุดเครื่องมือซอฟต์แวร์และการออกแบบอ้างอิงจำนวนมาก จึงเป็นแพลตฟอร์มที่ปรับขนาดได้สำหรับการพัฒนาโซลูชันที่ปรับให้เหมาะสมอย่างรวดเร็วสำหรับการแปลงพลังงาน การชาร์จแบบไร้สาย การให้แสงสว่าง และการควบคุมมอเตอร์ และอื่น ๆ

ข้อมูลอ้างอิง:

  1. Dr. H. Proff et al, 2020. ซอฟต์แวร์กำลังเปลี่ยนแปลงโลกยานยนต์ Deloitte Insights
  2. https://www.microchip.com/en-us/development-tool/DC/DC-llc-resonant-converter
  3. https://www.microchip.com/en-us/solutions/power-management-and-conversion/intelligent-power/wireless-power/15w-multi-coil-wireless-power-transmitter
  4. https://www.microchip.com/en-us/solutions/power-management-and-conversion/intelligent-power/digital-lighting-control-and-drivers
  5. การควบคุมมอเตอร์คู่ด้วยเอกสารปกขาว dsPIC33CK
  6. http://aem-origin.microchip.com/en-us/solutions/motor-control-and-drive/applications-and-reference-designs/e-scooter-reference-design
  7. https://www.microchip.com/en-us/application-notes/an4064
DigiKey logo

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.

About this author

Image of Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk มีประสบการณ์มากกว่า 20 ปีในการเขียนรวมทั้งประสบการณ์เกี่ยวกับอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในด้านต่าง ๆ มากมายซึ่งรวมถึงฮาร์ดแวร์ซอฟต์แวร์ระบบและแอพพลิเคชั่นรวมถึง IoT เขาสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกทางด้านระบบประสาทเกี่ยวกับเครือข่ายเซลล์ประสาทและทำงานในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศเกี่ยวกับระบบความปลอดภัยแบบกระจายจำนวนมากและวิธีการเร่งอัลกอริทึม ปัจจุบัน หากว่าเขาไม่ยุ่งกับการเขียนบทความเกี่ยวกับเทคโนโลยีและวิศวกรรม ก็จะทำงานเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้การเรียนรู้เชิงลึกกับระบบการจดจำและการแนะนำ

About this publisher

DigiKey's North American Editors