วิธีสร้างระบบยานยนต์และ E-Mobility ที่ดีขึ้นโดยใช้ตัวควบคุมสัญญาณดิจิตอล
Contributed By DigiKey's North American Editors
2021-11-17
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)
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
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)
รูปที่ 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)
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)
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)
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)
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)
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:
- Dr. H. Proff et al, 2020. ซอฟต์แวร์กำลังเปลี่ยนแปลงโลกยานยนต์ Deloitte Insights
- https://www.microchip.com/en-us/development-tool/DC/DC-llc-resonant-converter
- https://www.microchip.com/en-us/solutions/power-management-and-conversion/intelligent-power/wireless-power/15w-multi-coil-wireless-power-transmitter
- https://www.microchip.com/en-us/solutions/power-management-and-conversion/intelligent-power/digital-lighting-control-and-drivers
- การควบคุมมอเตอร์คู่ด้วยเอกสารปกขาว dsPIC33CK
- http://aem-origin.microchip.com/en-us/solutions/motor-control-and-drive/applications-and-reference-designs/e-scooter-reference-design
- https://www.microchip.com/en-us/application-notes/an4064

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.