Como construir melhores sistemas automotivos e de mobilidade elétrica usando controladores de sinais digitais

Tanto os sistemas automotivos convencionais quanto os sistemas de mobilidade elétrica dependem da operação eficaz de uma miríade de dispositivos eletrônicos para características de conveniência, bem como das capacidades de segurança funcional de missão crítica. Embora apresentem uma grande diversidade de requisitos, estas diferentes aplicações requerem fundamentalmente a capacidade de operar em condições extremas, ao mesmo tempo em que oferecem uma resposta confiável, de alto desempenho e em tempo real.

Como resultado, os desenvolvedores enfrentam uma necessidade crescente de uma plataforma consistente, poderosa, bem suportada e escalável, capaz de ajudar a simplificar o projeto e desenvolvimento de uma gama crescente de casos de uso automotivo e mobilidade elétrica.

Este artigo discute uma família de controladores de sinais digitais (DSCs) da Microchip Technology que podem atender a estes requisitos e descreve o uso destes DSCs em projetos de referência para capacidades essenciais em sistemas automotivos e de mobilidade elétrica.

Diversos desafios de projeto requerem soluções flexíveis

Seja para projetos em veículos convencionais ou elétricos, os desenvolvedores precisam abordar uma lista crescente de aplicações que incluem subsistemas de conversão de energia, carregamento sem fio em veículos, sistemas digitais de iluminação e sistemas de controle de motores que vão desde aplicações relativamente simples de motores de passo a complexos sistemas de frenagem regenerativa em veículos elétricos (EVs) e veículos híbridos elétricos (HEVs). Junto com os requisitos de missão crítica para segurança funcional, pegada e lista de materiais (BOM) para projetos que continuam a crescer em importância à medida que os fabricantes de veículos trabalham para responder à demanda dos consumidores e à pressão competitiva para maior segurança, conveniência, funcionalidade e desempenho.

Ao responder a estas exigências, a indústria já se voltou fortemente para soluções digitais em quase todos os subsistemas de veículos. Subsistemas em todos os veículos de passageiros convencionais já contam com microcontroladores (MCUs) executando quatro vezes mais código de software do que as aeronaves comerciais^[1].

Com a evolução da demanda e a pressão competitiva, entretanto, as soluções anteriores de microcontroladores podem ficar aquém das exigências que os projetistas automotivos enfrentam atualmente. A necessidade de diferentes trilhas de alimentação em subsistemas mais eletrônicos e a funcionalidade de conversão de alta tensão CC/CC associada, particularmente em EVs, requer capacidades de controle digital mais sofisticadas. Outras aplicações como carregamento sem fio de dispositivos móveis nos veículos, introduzem uma série de requisitos de projeto inteiramente novos para transmissores de energia sem fio com múltiplas bobinas compatíveis com os receptores de energia padrão da indústria que estão sendo incorporados em mais dispositivos de consumo. Os projetos de iluminação de veículos precisam abordar características técnicas como regulagem, temperatura, envelhecimento de componentes e outras para fornecer faróis mais brilhantes, cores agradáveis e efeitos de atenuação em painéis de instrumentos. Finalmente, os motores de precisão controlados digitalmente são onipresentes mesmo em veículos convencionais e, naturalmente, fornecem a base funcional para a mobilidade elétrica.

A família DSC dsPIC33 da Microchip Technology foi projetada especificamente para atender a essas diversas exigências, utilizando membros da família com capacidades funcionais especializadas. O mais novo membro desta família, o dsPIC33C, amplia o desempenho e as capacidades disponíveis nos DSCs dsPIC33E e dsPIC33F para desenvolvedores que visam aplicações mais sofisticadas.

Baseados em um núcleo de processador de sinal digital (DSP), estes DSCs combinam a simplicidade de um MCU com o desempenho de um DSP para atender às exigências em evolução de alto desempenho, baixa latência, capacidade em tempo real, mantendo ao mesmo tempo o mínimo de pegada e BOM. Utilizando o amplo ecossistema de placas de desenvolvimento do dsPIC33 da Microchip, projetos de referência e ferramentas de desenvolvimento de software, os desenvolvedores podem recorrer a diferentes membros da família dsPIC33 para dimensionar seus projetos a fim de fornecer a gama de aplicações no coração dos sistemas automotivos e de mobilidade elétrica.

Uma base de hardware mais eficaz para projetos automotivos e de mobilidade elétrica

A família dsPIC33C da Microchip foi projetada especificamente para reduzir a latência e a velocidade de execução das malhas de controle digital de alta velocidade que são baseadas em software, subjacentes a muitos subsistemas automotivos. Para oferecer esta capacidade, estes dispositivos integram um motor DSP, registradores de alta velocidade e periféricos firmemente acoplados, incluindo múltiplos conversores analógico-digitais (ADCs), conversores digital-analógicos (DACs), comparadores analógicos e amplificadores operacionais.

Características como a multiplicação-acumulação (MAC) de ciclo único 16 x 16 do motor DSP com acumulador de 40 bits, loop de sobrecarga zero e deslocamento de barril garantem a execução de malhas de controle digital de alta velocidade. Capacidades periféricas como moduladores de largura de pulso (PWM) com resolução de 150 picosegundo (ps), temporizadores de captura/comparação/PWM (CCP), gerador de disparo periférico e célula lógica configurável pelo usuário permitem a operação independente das interfaces da malha de controle de precisão.

A extensa funcionalidade em chip desses dispositivos em invólucros de até 5 x 5 milímetros (mm) ajuda os desenvolvedores a alcançar o mínimo de pegada e BOM para atender às exigências de dispositivos menores em sistemas automotivos elegantes. Simplificando ainda mais os projetos automotivos, estes dispositivos suportam múltiplas interfaces de comunicação incluindo Controller Area Network (CAN), Local Interconnect Network (LIN) e Digital Multiplex (DMX) usado em sistemas automotivos avançados. Além disso, estes dispositivos vêm em diferentes tamanhos de memória em configurações de núcleo simples e duplo, fornecendo o tipo de solução escalável necessária para aplicações automotivas avançadas e de mobilidade elétrica.

Destinadas a ambientes automotivos severos, estas peças têm qualificação AEC-Q100 grau 0 e são capazes de atender às rigorosas exigências da operação sob o capô com suporte a uma faixa de temperatura estendida de -40 °C a +150 °C. Mais importante para projetos automotivos de missão crítica, os membros selecionados da família dsPIC33 são de segurança funcional prontos para facilitar o cumprimento das especificações de segurança, incluindo ISO 26262 (AFSIL A ou ASIL B), IEC 61508 (SIL 2) e IEC 60730 (Classe B). Estes membros da família dsPIC33 integram recursos especializados em hardware de segurança, incluindo um temporizador de homem-morto, temporizador watchdog, monitoramento de clock à prova de falhas, memória de acesso aleatório (RAM), autoteste integrado (BIST) e código de correção de erros.

Para o desenvolvimento de software, os compiladores C MPLAB XC da Microchip são certificados pela TÜV SUD para segurança funcional, e estão disponíveis bibliotecas para diagnóstico de software em alguns casos. Além disso, o Microchip fornece relatórios associados de modos de falhas, efeitos e análise diagnóstica (FMEDA) e manuais de segurança necessários como parte do processo de certificação de segurança.

As características de segurança do hardware e as capacidades de desenvolvimento necessárias para a certificação de segurança funcional são apenas parte de um rico ecossistema de desenvolvimento que suporta o projeto baseado no dsPIC33 tanto para automóveis convencionais quanto para veículos elétricos. Com base em seu Ambiente de Desenvolvimento Integrado (IDE) MPLAB X, a Microchip oferece um amplo conjunto de ferramentas de projeto especializadas e bibliotecas para diferentes áreas de aplicação, conforme observado abaixo.

Para ajudar a acelerar ainda mais o desenvolvimento com sua família dsPIC33, a Microchip oferece um rico ecossistema de placas de desenvolvimento dsPIC33, bem como recursos de projeto para download, incluindo livros brancos, notas de aplicação e projetos de referência. Entre esses recursos, vários projetos de referência dsPIC33C abordam várias áreas importantes de aplicação automotiva e mobilidade elétrica, que inclui carregamento sem fio, iluminação digital, conversão de energia e controle de motores. Além de demonstrar o uso de um DSC dsPIC33C em cada área, estes projetos de referência e software associado também podem servir como ponto de partida para a implementação de projetos personalizados.

Implementando malhas de controle digital de precisão para conversão de energia

As malhas de controle estão no coração de muitas aplicações automotivas e de mobilidade elétrica, e um de seus usos mais críticos nestas aplicações atende à necessidade fundamental de conversão de energia. A conversão eficiente de CC para CC continua sendo importante nos sistemas automotivos convencionais e é essencial em veículos elétricos e híbridos elétricos de alta tensão. Nesses sistemas, as tensões das baterias de 200-800 volts precisam ser reduzidas com segurança e eficiência para os níveis de 12 ou 48 volts necessários para a iluminação externa e interna, e motores de potência para limpadores de pára-brisa, vidros elétricos, ventoinhas e bombas.

Em um projeto de referência de um conversor ressonante LLC (três elementos reativos: dois indutivos e um capacitivo) de 200 watts (W) CC/CC^[2], um único dispositivo dsPIC33 permite uma solução digital compacta para conversão de energia em modo chaveado, usando um de seus PWMs integrados para acionar MOSFETS de meia ponte na malha de controle (Figura 1).

Figura 1: O projeto de referência do conversor ressonante LLC CC/CC da Microchip Technology depende de um único DSC dsPIC33 para gerenciar digitalmente a malha de controle no coração de um projeto de conversão de energia. (Fonte da imagem: Microchip Technology)

Na Figura 2, o transformador ressonante isola o lado primário de alta tensão (linhas pretas) da alimentação secundária de 12 volts (linhas azuis) para os acionadores MOSFET (D) e a alimentação de 3 volts para o DSC dsPIC33 e outros componentes analógicos (A).

Figura 2: Com seus periféricos especializados, os DSCs dsPIC33 ajudam a simplificar os projetos e reduzir a quantidade de peças, aqui usando seus PWMs integrados e funções periféricas para controlar MOSFETS (D) externos e outros componentes analógicos (A). (Fonte da imagem: Microchip Technology)

Neste projeto, o dsPIC33 usa um conceito básico de software orientado a interrupções para gerenciar a malha de controle digital. Aqui, uma interrupção do ADC é usada para adquirir a tensão de saída usada no controlador proporcional-integral-derivativo (PID) do software. Outra interrupção do ADC suporta a detecção de temperatura, enquanto os comparadores analógicos do dsPIC33 suportam a detecção de eventos de sobrecorrente e sobretensão. De fato, a execução do processo de controle PID e as tarefas associadas ao gerenciamento da malha de controle deixam bastante margem de manobra de processamento para tarefas de manutenção e monitoramento, incluindo monitoramento de temperatura, monitoramento de falhas e comunicações, tudo dentro de uma seqüência de processamento de firmware simples (Figura 3).

Figura 3: O motor DSP de alto desempenho dos DSCs dsPIC33 e os periféricos firmemente acoplados permitem aos desenvolvedores implementar facilmente malhas complexas de controle digital com código mais simples. (Fonte da imagem: Microchip Technology)

Para desenvolvedores que procuram construir soluções digitais em energia mais especializadas, o Digital Power Design Suite da Microchip suporta projetos desde a concepção até a geração de firmware para um DSC dsPIC de destino. Com base nas capacidades do hardware DSC dsPIC, os desenvolvedores usam a Ferramenta de Projeto do Compensador Digital (DCDT) do pacote para analisar malhas de controle, e o Configurador de Código MPLAB (MCC) para gerar código que usa funções otimizadas de código de montagem nas Bibliotecas do Compensador da Microchip (Figura 4).

Figura 4: Os desenvolvedores podem aproveitar a abrangente cadeia de ferramentas da Microchip para acelerar o desenvolvimento de malhas de controle otimizadas baseadas em software no coração dos subsistemas de energia digital. (Fonte da imagem: Microchip Technology)

Seja para construir dispositivos baseados em padrões como transmissores de energia sem fio ou implementar dispositivos personalizados mais complexos, os projetistas de aplicações de malha de controle automotivo e mobilidade elétrica precisam implementar soluções compactas que possam suportar funcionalidades adicionais além das capacidades básicas, como o monitoramento de falhas. Outro projeto de referência ilustra o uso de um DSC dsPIC33CK de núcleo único para fornecer um rico conjunto de características em outra aplicação importante de conversão de energia controlada digitalmente – transmissão de energia sem fio.

Implementando transmissores de energia sem fio compatíveis com Qi

Amplamente adotado pelos fabricantes de smartphones e outros dispositivos móveis, o padrão Qi do Wireless Power Consortium (WPC) para transferência de energia sem fio de 5 a 15 watts permite que os consumidores carreguem seus dispositivos com capacidade Qi, simplesmente colocando-os em qualquer superfície com um transmissor sem fio compatível embutido. Embutidos em superfícies internas dos automóveis ou produtos de carregamento de terceiros, os transmissores de energia sem fio Qi fornecem um método conveniente para carregar smartphones que elimina a confusão e a distração potencial das conexões de energia com fio. O projeto de referência Qi de 15 watts de potência sem fio da Microchip Technology^[3] ilustra o uso de um dsPIC33 para simplificar a implementação deste tipo de subsistema (Figura 5).

Figura 5: Os periféricos integrados do dsPIC33 podem operar independentemente para acelerar as tarefas principais de controle, deixando uma margem de processamento para a execução de outras tarefas como interfaces de usuário, comunicações e segurança em aplicações mais complexas como transmissores de energia sem fio. (Fonte da imagem: Microchip Technology)

Baseado em um DSC de núcleo único dsPIC33CK256MP506 da Microchip Technology, o projeto de referência utiliza as capacidades integradas do DSC para implementar uma malha de controle digital. Embora este projeto seja baseado em uma topologia de ponte completa e não na meia ponte usada no conversor ressonante mencionado acima, os vários PWMs do dispositivo satisfazem facilmente este requisito adicional.

Os transmissores de energia sem fio normalmente fornecem várias bobinas de radiofrequência (RF) para transmitir energia, e neste projeto, o inversor de ponte é conectado através de um multiplexador (MUX) a uma das três bobinas. Como o inversor de ponte completa e o front-end de condicionamento de tensão, este projeto aproveita plenamente os periféricos integrados do dsPIC33 para gerenciar a comutação MUX da bobina.

Além de controlar os acionadores de porta MIC4605 e MP14700 da Microchip, os periféricos dsPIC33:

• Controlam os diodos emissores de luz (LEDs) do indicador de energia através de um expansor de E/S MCP23008 da Microchip
• Fornecem conectividade USB através de um dispositivo de ponte USB MCP2221A da Microchip
• Dão suporte ao armazenamento seguro compatível com WPC através de um dispositivo de autenticação ATECC608 que a Microchip fornece como uma Autoridade de Certificação (CA) do fabricante licenciado da WPC
• Fornecem conectividade CAN, com segurança funcional ISO 2622, pronta para uso através de um dispositivo CAN ATA6563 da Microchip com taxa flexível de dados (FD)

Além disso, o projeto de referência utiliza o conversor buck MCP16331 da Microchip e o regulador linear MCP1755 para dar suporte a energia da bateria auxiliar.

Usando esta BOM relativamente pequena, o projeto de referência fornece uma solução Qi pronta que tem todas as características principais de um sistema de energia sem fio, incluindo alta eficiência, área de carga expandida, distância Z útil (distância entre transmissor e receptor), detecção de objetos estranhos e suporte para várias implementações de carga rápida que são usadas nos principais smartphones. Ao construir este projeto baseado em software, os desenvolvedores podem adicionar facilmente recursos como protocolos de comunicação proprietários entre transmissor e receptor, além de opções de conectividade sem fio como Bluetooth, entre outras.

Implementando soluções compactas de iluminação digital

A funcionalidade integrada dos dispositivos dsPIC33 é particularmente importante em aplicações automotivas e de mobilidade elétrica, que requerem a adição de algumas características sofisticadas sem perturbar as linhas do veículo. A disponibilidade de LEDs de alta intensidade permitiu que os fabricantes de veículos trouxessem uma maior sensação de design para os faróis externos e a iluminação interna.

Os desenvolvedores desses subsistemas de iluminação, no entanto, devem tipicamente espremer mais funcionalidade em invólucros menores, ao mesmo tempo em que suportam padrões industriais como o DMX, que fornece um protocolo de comunicação comum para o controle de cadeias de dispositivos de iluminação. Como o projeto do transmissor de energia sem fio mencionado acima, um projeto para uma solução compacta de iluminação digital^[4] tira vantagem dos periféricos integrados do dsPIC33 (Figura 6).

Figura 6: Os DSCs dsPIC33 da Microchip Technology permitem que os desenvolvedores forneçam projetos complexos com a mínima pegada e BOM necessárias para incorporar a funcionalidade de forma discreta nos veículos. (Fonte da imagem: Microchip Technology)

Como em outras aplicações de energia digital, este projeto de iluminação digital aproveita os PWMs integrados, comparadores analógicos e outros periféricos do dsPIC33 para fornecer uma solução de iluminação digital completa e compacta. Como nas aplicações de projeto mencionadas acima, esta solução de iluminação digital depende do poder de processamento do DSC dsPIC33 e da capacidade de seus periféricos operarem independentemente para monitorar e controlar o conjunto necessário de dispositivos externos, incluindo dispositivos de energia, transceptores, LEDs e muito mais. Outros exemplos de projetos da Microchip demonstram a capacidade de processamento de alto desempenho dos DSCs dsPIC33 no manuseio de algoritmos mais complexos de controle digital e sistemas avançados de controle de motores.

Implementando sistemas avançados de controle de motores com um único DSC dsPIC33

O desempenho dos DSCs dsPIC33 permite que os desenvolvedores usem um único DSC para lidar com a execução da malha de controle digital central, bem como com várias funções auxiliares. De fato, um projeto de motor duplo da Microchip^[5] demonstra a implementação de controle sem sensores, orientado a campo (FOC) de um par de motores síncronos de ímãs permanentes (PMSMs) usando apenas um DSC dsPIC33CK de núcleo único. O segredo para este projeto está nos sinais PWM de deslocamento de fase para os inversores para cada canal de controle do motor, controle do motor 1 (MC1) e controle do motor 2 (MC2) (Figura 7).

Figura 7: Devido a seu processamento de alto desempenho e periféricos integrados, um DSC dsPIC33CK de núcleo único pode suportar projetos de controle com dois motores. (Fonte da imagem: Microchip Technology)

Nesta abordagem, os PWMs do dsPIC33CK são configurados para gerar as formas de onda necessárias para cada canal de controle do motor e disparar ADCs separados no momento certo. Quando cada ADC conclui a conversão, ele emite uma interrupção que faz com que o dsPIC333CK execute o algoritmo FOC para aquele conjunto de leituras.

Um único DSC dsPI33CK também pode lidar com aplicações mais robustas de controle de motores. Em um projeto de referência para uma scooter elétrica de alto desempenho (E-scooter), um dsPIC33CK controla os vários FETs e acionadores de porta MIC4104 da Microchip para um inversor de três fases que aciona um motor CC sem escovas (BLDC) (Figura 8).

Figura 8: Usando um dsPIC33CK de núcleo único, os desenvolvedores podem implementar um subsistema robusto de controle de motor para e-scooter com apenas alguns componentes adicionais. (Fonte da imagem: Microchip Technology)

O projeto de referência da e-scooter^[6] suporta tanto o modo sem sensor quanto o modo de operação do sensor, pois tem a capacidade de monitorar a força contraeletromotriz (BEMF) do motor BLDC, bem como a saída do sensor de efeito Hall. Usando uma fonte de tensão de entrada de 18 a 24 volts, o projeto atinge uma potência máxima de saída de 350 watts.

Em uma extensão adicional deste projeto^[7], a Microchip demonstra a adição de frenagem regenerativa usada em EVs e HEVs para recuperar energia à medida que o motor gera BEMF em níveis de tensão superiores à alimentação da bateria do veículo. Aqui, o projeto aumentado usa um pino adicional do dsPIC33CK para monitorar o sinal que vem do freio. Quando a frenagem é detectada, o dsPIC33CK primeiro desliga as portas do lado de alta do inversor para reforçar a energia elétrica recuperada a um nível superior à tensão CC do barramento, e depois desliga as portas do lado de baixa para permitir que a corrente flua de volta para a fonte.

Os desenvolvedores poderiam dimensionar este projeto para dar suporte de maior funcionalidade, ao substituir o dsPIC33CK de núcleo único por um DSC dsPIC33CH de núcleo duplo. Em tal projeto, um núcleo poderia gerenciar o controle do motor BLDC e a funcionalidade de frenagem regenerativa com mudanças mínimas de código, enquanto o outro poderia executar capacidades adicionais de segurança ou aplicações de alto nível. Usando o dsPIC33CH de núcleo duplo, as equipes de desenvolvimento do controle de motor e de desenvolvimento de aplicações poderiam trabalhar separadamente, e integrar perfeitamente seu controle para execução no DSC.

Para projetos de controle de motores personalizados, o pacote de desenvolvimento motorBench fornece um conjunto de ferramentas de interface gráfica do usuário (GUI) que ajuda os desenvolvedores a medir com mais precisão os parâmetros críticos do motor, ajustar as malhas de controle e gerar o código-fonte no Motor Control Application Framework (MCAF) da Microchip e a Biblioteca de Controle de Motores.

Conclusão

Usando os DSCs dsPIC33 da Microchip Technology, os desenvolvedores precisam de relativamente poucos componentes adicionais para implementar uma ampla gama de projetos de energia digital para aplicações automotivas convencionais e de mobilidade elétrica. Apoiados por um rico conjunto de ferramentas de software e projetos de referência, os DSCs dsPIC33 de um e dois núcleos proporcionam uma plataforma escalável para o rápido desenvolvimento de soluções otimizadas para conversão de energia, carregamento sem fio, iluminação e controle de motores, entre outros.

Referências:

1. Dr. H. Proff et al, 2020. O software está transformando o mundo automotivo. 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. Controle de motor duplo com o livro branco do 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