Développer de meilleurs systèmes automobiles et d'électromobilité à l'aide de contrôleurs de signaux numériques

Les systèmes d'électromobilité et automobiles traditionnels dépendent du fonctionnement efficace d'une myriade de dispositifs électroniques pour les fonctions pratiques ainsi que pour les capacités de sécurité fonctionnelle essentielles. Bien qu'elles présentent une grande diversité d'exigences, ces différentes applications requièrent fondamentalement la capacité de fonctionner dans des conditions extrêmes tout en fournissant une réponse fiable, performante et en temps réel.

En conséquence, les développeurs font face au besoin croissant d'une plateforme cohérente, puissante, bien prise en charge et évolutive, capable de simplifier la conception et le développement d'un nombre croissant de cas d'utilisation dans les domaines automobiles et de l'électromobilité.

Cet article présente une gamme de contrôleurs de signaux numériques (DSC) de Microchip Technology capables de répondre à ces exigences, et décrit l'utilisation de ces DSC dans des conceptions de référence pour des capacités essentielles dans les systèmes automobiles et d'électromobilité.

Les défis de conception exigent des solutions flexibles

Qu'ils conçoivent des véhicules conventionnels ou électriques, les développeurs sont confrontés à une liste croissante d'applications, notamment les sous-systèmes de conversion de puissance, la charge sans fil embarquée, les systèmes d'éclairage numérique et les systèmes de commande moteur, s'étendant des applications de moteurs pas-à-pas relativement simples aux systèmes de freinage régénératif complexes dans les véhicules électriques (VE) et les véhicules électriques hybrides (VEH). Outre les exigences critiques en matière de sécurité fonctionnelle, les exigences en matière de nomenclature (BOM) et d'empreinte de conception continuent de gagner en importance, car les constructeurs automobiles s'efforcent de répondre à la demande des consommateurs et à la pression de la concurrence en matière de sécurité, de commodité, de fonctionnalités et de performances accrues.

Pour répondre à ces exigences, l'industrie s'est déjà résolument tournée vers les solutions numériques dans presque tous les sous-systèmes des véhicules. Les sous-systèmes des voitures particulières traditionnelles sont déjà équipés de microcontrôleurs (MCU) exécutant quatre fois plus de code logiciel que les avions commerciaux^[1].

Toutefois, compte tenu de l'évolution de la demande et de la pression concurrentielle, les solutions de microcontrôleurs antérieures peuvent s'avérer insuffisantes pour répondre à l'ensemble des exigences auxquelles sont confrontés les concepteurs automobiles. La nécessité de disposer de différents rails d'alimentation dans un plus grand nombre de sous-systèmes électroniques et de fonctionnalités de conversion CC/CC haute tension associées, notamment dans les véhicules électriques, exige des capacités de contrôle numérique plus sophistiquées. D'autres applications, telles que la charge sans fil d'appareils mobiles dans les véhicules, imposent des exigences de conception totalement nouvelles pour les émetteurs de puissance sans fil à bobines multiples compatibles avec les récepteurs de puissance standard de l'industrie intégrés dans un nombre croissant de dispositifs grand public. Les conceptions d'éclairage automobile doivent tenir compte de caractéristiques techniques telles que la gradation, la température, le vieillissement des composants et autres, afin d'offrir des phares plus lumineux, des couleurs agréables et des effets de gradation dans les tableaux de bord. Enfin, les moteurs à commande numérique de précision sont omniprésents, même dans les véhicules classiques, et constituent la base fonctionnelle de l'électromobilité.

La gamme de DSC dsPIC33 de Microchip Technology est conçue spécifiquement pour répondre à ces diverses exigences et présente des composants dotés de capacités fonctionnelles spécialisées. Le tout dernier membre de cette famille, le dsPIC33C, étend les performances et les capacités disponibles dans les DSC dsPIC33E et dsPIC33F pour les développeurs visant des applications plus sophistiquées.

Basés sur un cœur de processeur de signaux numériques (DSP), ces DSC combinent la simplicité d'un microcontrôleur avec les performances d'un DSP pour répondre aux exigences évolutives en matière de hautes performances, de faible latence et de capacité en temps réel, tout en maintenant une empreinte et une nomenclature minimales. Grâce à l'écosystème étendu de Microchip composé de cartes de développement dsPIC33, de conceptions de référence et d'outils de développement logiciel, les développeurs peuvent s'appuyer sur différents membres de la famille dsPIC33 pour faire évoluer leurs conceptions afin de fournir l'éventail d'applications au cœur des systèmes automobiles et d'électromobilité.

Une base matérielle plus efficace pour les conceptions automobiles et d'électromobilité

La gamme dsPIC33C de Microchip est spécifiquement conçue pour réduire la latence et accélérer l'exécution des boucles de commande numériques logicielles haute vitesse, à la base de nombreux sous-systèmes automobiles. Pour fournir cette capacité, ces dispositifs intègrent un moteur DSP, des registres haute vitesse et des périphériques étroitement couplés, y compris de multiples convertisseurs analogique-numérique (CAN), convertisseurs numérique-analogique (CNA), comparateurs analogiques et amplificateurs opérationnels.

Des fonctions telles que MAC (multiplication-accumulation) 16 x 16 à un cycle du moteur DSP avec accumulateur 40 bits, bouclage à surcharge nulle et « barrel shifting » garantissent une exécution rapide des boucles de commande numériques. Les capacités périphériques telles que les modulateurs de largeurs d'impulsion (PWM) à résolution de 150 picosecondes (ps), les temporisateurs CCP (capture/comparaison/PWM), le générateur de déclenchement périphérique et la cellule logique configurable programmable par l'utilisateur permettent un fonctionnement indépendant des interfaces de boucle de commande de précision.

Les fonctionnalités intégrées étendues de ces dispositifs dans des boîtiers de seulement 5 millimètres (mm) x 5 mm permettent aux développeurs d'obtenir une empreinte et une nomenclature minimales pour répondre aux exigences en matière de dispositifs plus compacts dans des systèmes automobiles esthétiques. Pour simplifier davantage les conceptions automobiles, ces dispositifs prennent en charge plusieurs interfaces de communications, notamment CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network) et DMX (Digital Multiplex), utilisées dans les systèmes automobiles avancés. De plus, ces dispositifs sont disponibles avec différentes tailles de mémoire dans des configurations à un ou deux cœurs, offrant ainsi le type de solution évolutive requise pour les applications automobiles et d'électromobilité avancées.

Destinés aux environnements automobiles difficiles, ces composants sont qualifiés AEC-Q100 Grade 0 et sont capables de répondre aux exigences rigoureuses de fonctionnement sous le capot, avec une plage de températures étendue prise en charge de -40°C à +150°C. Plus important encore pour les conceptions automobiles critiques, certains dispositifs de la gamme dsPIC33 intègrent la sécurité fonctionnelle afin de faciliter la conformité aux spécifications de sécurité, notamment ISO 26262 (ASIL A ou ASIL B), CEI 61508 (SIL 2) et CEI 60730 (Classe B). Ces dispositifs dsPIC33 intègrent des fonctions matérielles de sécurité spécialisées, y compris un module Deadman Timer, une horloge de surveillance, un contrôle d'horloge à sécurité intégrée, une mémoire vive (RAM), un autotest intégré (BIST) et un code de correction d'erreur.

Pour le développement logiciel, les compilateurs MPLAB XC C de Microchip sont certifiés TÜV SUD pour la sécurité fonctionnelle, et des bibliothèques de logiciels de diagnostic sont disponibles dans certains cas. En outre, Microchip fournit les rapports FMEDA (Failure Modes, Effects, and Diagnostic Analysis) et les manuels de sécurité nécessaires dans le cadre du processus de certification de sécurité.

Les fonctions de sécurité matérielle et les capacités de développement nécessaires à la certification de sécurité fonctionnelle ne sont qu'une partie d'un riche écosystème de développement prenant en charge la conception basée sur le dsPIC33 pour les automobiles classiques et les véhicules électriques. S'appuyant sur son environnement de développement intégré (IDE) MPLAB X, Microchip propose un ensemble complet de bibliothèques et d'outils de conception spécialisés pour différents domaines d'application, comme indiqué ci-dessous.

Pour accélérer le développement avec sa gamme dsPIC33, Microchip propose un riche écosystème de cartes de développement dsPIC33 ainsi que des ressources de conception téléchargeables, notamment des livres blancs, des notes d'application et des conceptions de référence. Parmi ces ressources, plusieurs conceptions de référence dsPIC33C abordent divers domaines d'application clés de l'automobile et de l'électromobilité, notamment la charge sans fil, l'éclairage numérique, la conversion de puissance et la commande moteur. Outre la démonstration de l'utilisation d'un DSC dsPIC33C dans chaque domaine, ces conceptions de référence et les logiciels associés peuvent également servir de point de départ à l'implémentation de conceptions personnalisées.

Implémentation de boucles de commande numériques de précision pour la conversion de puissance

Les boucles de commande sont au cœur de nombreuses applications automobiles et d'électromobilité, et l'une de leurs utilisations les plus critiques dans ces applications répond au besoin fondamental de conversion de puissance. Une conversion CC/CC efficace reste importante dans les systèmes automobiles classiques et est essentielle dans les véhicules électriques hybrides et électriques haute tension. Dans ces systèmes, la tension batterie de 200 volts (V) à 800 V doit être ramenée de manière sûre et efficace à un niveau de 12 V ou de 48 V requis pour faire fonctionner l'éclairage extérieur et intérieur, et alimenter les moteurs des essuie-glaces, des vitres, des ventilateurs et des pompes.

Dans une conception de référence de convertisseur auto-oscillant LLC (trois éléments réactifs : deux inductifs et un capacitif) CC/CC 200 watts (W)^[2], un seul dispositif dsPIC33 permet une solution numérique compacte pour la conversion d'alimentation à découpage, en utilisant l'un de ses PWM intégrés pour commander des MOSFET en demi-pont dans la boucle de commande (Figure 1).

Figure 1 : La conception de référence de convertisseur auto-oscillant LLC CC/CC de Microchip Technology s'appuie sur un seul DSC dsPIC33 pour gérer numériquement la boucle de commande au cœur d'une conception de conversion de puissance. (Source de l'image : Microchip Technology)

Dans la Figure 2, le transformateur résonant isole la haute tension côté primaire (lignes noires) de l'alimentation secondaire de 12 V (lignes bleues) pour les circuits d'attaque MOSFET (D) et l'alimentation de 3 V pour le DSC dsPIC33 et d'autres composants analogiques (A).

Figure 2 : Grâce à ses périphériques spécialisés, le DSC dsPIC33 permet de simplifier les conceptions et de réduire le nombre de pièces, ici en utilisant ses PWM intégrés et ses fonctions périphériques pour contrôler des MOSFET externes (D) et d'autres composants analogiques (A). (Source de l'image : Microchip Technology)

Dans cette conception, le dsPIC33 utilise une conception logicielle commandée par interruptions de base pour gérer la boucle de commande numérique. Ici, une interruption CAN est utilisée pour acquérir la tension de sortie utilisée dans le contrôleur PID (proportionnel-intégral-dérivé) logiciel. Une autre interruption CAN prend en charge la détection de la température, tandis que les comparateurs analogiques du dsPIC33 prennent en charge la détection des événements de surintensité et de surtension. En fait, l'exécution du processus de contrôle PID et des tâches de gestion de boucle de commande associées laisse une grande marge de traitement pour les tâches de gestion et de surveillance, notamment la surveillance de la température, la surveillance des défaillances et les communications, et ce dans le cadre d'une séquence de traitement micrologiciel simple (Figure 3).

Figure 3 : Le moteur DSP hautes performances du DSC dsPIC33 et les périphériques étroitement couplés permettent aux développeurs d'implémenter facilement des boucles de commande numériques complexes avec un code plus simple. (Source de l'image : Microchip Technology)

Pour les développeurs cherchant à créer des solutions d'alimentation numérique plus spécialisées, la suite Digital Power Design Suite de Microchip prend en charge le processus depuis la conception jusqu'à la génération du micrologiciel pour un DSC dsPIC cible. S'appuyant sur les capacités matérielles du DSC dsPIC, les développeurs utilisent l'outil Digital Compensator Design Tool (DCDT) de la suite pour analyser les boucles de commande, et le MPLAB Code Configurator (MCC) pour générer le code qui utilise les fonctions de code d'assemblage optimisées dans les bibliothèques Microchip Compensator Libraries (Figure 4).

Figure 4 : Les développeurs peuvent s'appuyer sur la chaîne d'outils complète de Microchip pour accélérer le développement de boucles de commande logicielles optimisées au cœur des sous-systèmes de puissance numériques. (Source de l'image : Microchip Technology)

Qu'ils construisent des dispositifs basés sur des normes, comme des émetteurs de puissance sans fil, ou qu'ils implémentent des dispositifs personnalisés plus complexes, les concepteurs d'applications de boucles de commande pour l'automobile et l'électromobilité doivent mettre en œuvre des solutions compactes capables de prendre en charge des fonctionnalités supplémentaires au-delà des capacités de base, comme la surveillance des défaillances. Une autre conception de référence illustre l'utilisation d'un DSC dsPIC33CK à un seul cœur pour offrir un riche ensemble de fonctionnalités dans une autre application importante de la conversion de puissance à commande numérique — la transmission de puissance sans fil.

Implémentation d'émetteurs de puissance sans fil conformes à la norme Qi

Largement adoptée par les fabricants de smartphones et d'autres appareils mobiles, la norme Qi du Wireless Power Consortium (WPC) pour le transfert de puissance sans fil de 5 W à 15 W permet aux consommateurs de charger leurs dispositifs compatibles Qi en les plaçant simplement sur une surface dotée d'un émetteur sans fil compatible intégré. Intégrés dans les surfaces intérieures des véhicules ou dans des produits de charge tiers, les émetteurs de puissance sans fil Qi offrent une méthode pratique pour charger les smartphones, en éliminant la confusion et la distraction potentielle des connexions câblées. La conception de référence de puissance sans fil Qi 15 W^[3] de Microchip Technology illustre l'utilisation d'un dsPIC33 pour simplifier la mise en œuvre de ce type de sous-système (Figure 5).

Figure 5 : Les périphériques intégrés du dsPIC33 peuvent fonctionner indépendamment pour accélérer les tâches de contrôle clés, laissant une marge de traitement pour l'exécution d'autres tâches comme les interfaces utilisateur, les communications et la sécurité dans des applications plus complexes comme les émetteurs de puissance sans fil. (Source de l'image : Microchip Technology)

Basée sur un DSC monocœur dsPIC33CK256MP506 de Microchip Technology, la conception de référence utilise les capacités intégrées du DSC pour implémenter une boucle de commande numérique. Bien que cette conception repose sur une topologie en pont complet plutôt que sur le demi-pont utilisé dans le convertisseur auto-oscillant mentionné ci-dessus, les multiples PWM du dispositif répondent facilement à cette exigence supplémentaire.

Les émetteurs de puissance sans fil fournissent généralement plusieurs bobines radiofréquences (RF) pour transmettre la puissance, et dans cette conception, le convertisseur en pont est connecté via un multiplexeur (MUX) à l'une des trois bobines. Comme l'onduleur en pont complet et le circuit d'entrée de conditionnement de tension, cette conception tire pleinement parti des périphériques intégrés du dsPIC33 pour gérer la commutation du multiplexeur de la bobine.

En plus de contrôler les circuits d'attaque de grille MIC4605 et MP14700 de Microchip, les périphériques dsPIC33 permettent les opérations suivantes :

• Contrôle des diodes électroluminescentes (LED) des voyants d'alimentation par le biais d'un expanseur E/S MCP23008 de Microchip
• Fourniture d'une connectivité USB via un dispositif de pont USB MCP2221A de Microchip
• Prise en charge du stockage sécurisé conforme WPC par le biais d'un dispositif d'authentification ATECC608 de Microchip, que Microchip fournit en tant qu'autorité de certification (CA) d'un fabricant WPC sous licence
• Fourniture d'une connectivité CAN avec sécurité fonctionnelle ISO 2622 via un dispositif CAN à débit de données flexible (FD) ATA6563 de Microchip

De plus, la conception de référence utilise le convertisseur abaisseur MCP16331 et le régulateur linéaire MCP1755 de Microchip pour prendre en charge l'alimentation batterie auxiliaire.

Avec cette nomenclature relativement réduite, la conception de référence fournit une solution compatible Qi dotée de toutes les caractéristiques clés d'un système de puissance sans fil, y compris un haut rendement, une surface de charge étendue, une distance Z utile (distance entre l'émetteur et le récepteur), la détection de corps étrangers et la prise en charge de plusieurs implémentations de charge rapide utilisées dans les principaux smartphones. En s'appuyant sur cette conception logicielle, les développeurs peuvent facilement ajouter des fonctionnalités telles que des protocoles de communications propriétaires entre l'émetteur et le récepteur, et des options de connectivité sans fil telles que Bluetooth, entre autres.

Implémentation de solutions d'éclairage numérique compactes

Les fonctionnalités intégrées des dispositifs dsPIC33 sont particulièrement importantes dans les applications automobiles et d'électromobilité qui nécessitent l'ajout de fonctionnalités sophistiquées sans perturber les lignes du véhicule. La disponibilité de LED haute intensité a permis aux constructeurs automobiles d'améliorer la conception des phares extérieurs et de l'éclairage intérieur.

Cependant, les développeurs de ces sous-systèmes d'éclairage doivent généralement intégrer davantage de fonctionnalités dans des boîtiers plus petits tout en prenant en charge les normes industrielles telles que DMX, qui fournit un protocole de communication commun pour le contrôle des chaînes de dispositifs d'éclairage. Comme la conception d'émetteur de puissance sans fil mentionnée ci-dessus, une conception pour une solution d'éclairage numérique compacte^[4] tire parti des périphériques intégrés du dsPIC33 (Figure 6).

Figure 6 : Les DSC dsPIC33 de Microchip Technology permettent aux développeurs de réaliser des conceptions complexes avec une empreinte et une nomenclature minimales pour embarquer des fonctionnalités discrètes dans les véhicules. (Source de l'image : Microchip Technology)

Comme pour d'autres applications de puissance numérique, cette conception d'éclairage numérique tire parti des PWM intégrés du dsPIC33, des comparateurs analogiques et d'autres périphériques pour fournir une solution d'éclairage numérique complète et compacte. Comme les applications de conception mentionnées ci-dessus, cette solution d'éclairage numérique s'appuie sur la puissance de traitement du DSC dsPIC33 et sur la capacité de ses périphériques à fonctionner indépendamment pour surveiller et contrôler l'ensemble requis de dispositifs externes, notamment les dispositifs d'alimentation, les émetteurs-récepteurs, les LED, etc. D'autres exemples de conception de Microchip démontrent la capacité de traitement hautes performances des DSC dsPIC33 dans la gestion d'algorithmes de commande numérique plus complexes et de systèmes de commande moteur avancés.

Implémentation de systèmes de commande moteur avancés avec un seul DSC dsPIC33

Les performances des DSC dsPIC33 permettent aux développeurs d'utiliser un seul DSC pour gérer l'exécution de la boucle de commande numérique principale ainsi que diverses fonctions auxiliaires. Une conception à deux moteurs^[5] de Microchip démontre l'implémentation du contrôle à champ orienté (FOC) sans capteur de deux moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM) en utilisant un seul DSC dsPIC33CK monocœur. La clé de cette conception réside dans le déphasage des signaux PWM vers les onduleurs pour chaque canal de commande moteur, la commande moteur 1 (MC1) et la commande moteur 2 (MC2) (Figure 7).

Figure 7 : Grâce à son traitement hautes performances et à ses périphériques intégrés, un seul DSC dsPIC33CK monocœur peut prendre en charge des conceptions de commande de deux moteurs. (Source de l'image : Microchip Technology)

Dans cette approche, les PWM du dsPIC33CK sont configurés pour générer les formes d'ondes requises pour chaque canal de commande moteur et déclencher des CAN séparés au moment optimal. Lorsque chaque CAN a terminé sa conversion, il émet une interruption qui amène le dsPIC33CK à exécuter l'algorithme FOC pour cet ensemble de mesures.

Un seul DSC dsPIC33CK peut également gérer des applications de commande moteur plus robustes. Dans une conception de référence pour un scooter électrique (e-scooter) hautes performances, un dsPIC33CK contrôle les multiples FET et les circuits d'attaque de grille MIC4104 de Microchip pour un onduleur triphasé qui commande un moteur CC sans balais (BLDC) (Figure 8).

Figure 8 : En utilisant un dsPIC33CK à un seul cœur, les développeurs peuvent mettre en œuvre un sous-système robuste de commande moteur pour un scooter électrique avec seulement quelques composants supplémentaires. (Source de l'image : Microchip Technology)

La conception de référence du scooter électrique^[6] prend en charge les modes de fonctionnement sans capteur et avec capteur, car elle est capable de surveiller la force contre-électromotrice (FCEM) du moteur BLDC ainsi que la sortie du capteur à effet Hall. En utilisant une source de tension d'entrée de 18 V à 24 V, la conception atteint une puissance de sortie maximum de 350 W.

Dans une extension de cette conception^[7], Microchip démontre l'ajout du freinage régénératif utilisé dans les véhicules électriques et les véhicules électriques hybrides pour récupérer l'énergie lorsque le moteur génère une force contre-électromotrice à des niveaux de tension supérieurs à l'alimentation batterie du véhicule. Ici, la conception améliorée utilise une broche dsPIC33CK supplémentaire pour surveiller le signal provenant du frein. Lorsque le freinage est détecté, le dsPIC33CK désactive d'abord les grilles haut potentiel de l'onduleur pour augmenter l'énergie électrique récupérée à un niveau supérieur à la tension de bus CC, puis désactive les grilles bas potentiel pour permettre au courant de circuler vers la source.

Les développeurs peuvent faire évoluer cette conception pour prendre en charge des fonctionnalités supérieures en remplaçant le dsPIC33CK à un seul cœur par un DSC dsPIC33CH à deux cœurs. Dans une telle conception, un cœur peut gérer la commande du moteur BLDC et la fonctionnalité de freinage régénératif avec des modifications minimales du code, et l'autre cœur peut exécuter des capacités de sécurité supplémentaires ou des applications de haut niveau. Grâce au dsPIC33CH à double cœur, les équipes de développement de commande moteur et les équipes de développement d'applications peuvent travailler séparément et intégrer de manière transparente leurs commandes pour les exécuter sur le DSC.

Pour les conceptions de commande moteur personnalisées, la suite de développement motorBench de Microchip fournit un ensemble d'outils avec interface utilisateur graphique (GUI) qui aide les développeurs à mesurer avec plus de précision les paramètres critiques du moteur, à régler les boucles de commande et à générer des sources basées sur Motor Control Application Framework (MCAF) et Motor Control Library de Microchip.

Conclusion

Avec les DSC dsPIC33 de Microchip Technology, les développeurs ont besoin de relativement peu de composants supplémentaires pour mettre en œuvre un large éventail de conceptions de puissance numérique pour les applications automobiles et d'électromobilité classiques. Soutenus par un riche ensemble d'outils logiciels et de conceptions de référence, les DSC dsPIC33 à un ou deux cœurs constituent une plateforme évolutive permettant le développement rapide de solutions optimisées pour la conversion de puissance, la charge sans fil, l'éclairage, la commande moteur, et plus.

Références :

1. Dr. H. Proff et al, 2020. Software is transforming the automotive world. 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. Dual Motor Control with the dsPIC33CK White Paper
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