Cómo construir mejores sistemas de automoción y movilidad eléctrica con controladores de señales digitales

Tanto los sistemas convencionales de automoción como los de movilidad eléctrica dependen del funcionamiento eficaz de una miríada de dispositivos electrónicos para las funciones de confort y de seguridad funcional de misión crítica. Aunque presentan una gran diversidad de requisitos, estas diferentes aplicaciones requieren fundamentalmente la capacidad de funcionar en condiciones extremas y ofrecer una respuesta fiable, de alto rendimiento y en tiempo real.

Como resultado, los desarrolladores se enfrentan a una necesidad creciente de una plataforma consistente, potente, bien soportada y escalable, capaz de ayudar a simplificar el diseño y el desarrollo de una gama cada vez más amplia de casos de uso de la automoción y la movilidad eléctrica.

Este artículo analiza una familia de controladores de señales digitales (DSC) de Microchip Technology que puede cumplir estos requisitos y describe el uso de estos DSC en los diseños de referencia para las capacidades esenciales en los sistemas de automoción y movilidad eléctrica.

Los diversos retos de diseño requieren soluciones flexibles

Tanto en el diseño de vehículos convencionales como en el de vehículos eléctricos, los desarrolladores tienen que abordar una lista cada vez mayor de aplicaciones, entre las que se incluyen los subsistemas de conversión de energía, la carga inalámbrica en el vehículo, los sistemas de iluminación digital y los sistemas de control de motores, que van desde aplicaciones relativamente sencillas de motores paso a paso hasta complejos sistemas de frenado regenerativo en vehículos eléctricos (EV) y vehículos eléctricos híbridos (HEV). Además de los requisitos de seguridad funcional, la huella de diseño y los requisitos de la lista de materiales (BOM) siguen aumentando en importancia a medida que los fabricantes de vehículos trabajan para responder a la demanda de los consumidores y a la presión de la competencia por una mayor seguridad, comodidad, funcionalidad y rendimiento.

Para responder a estos requisitos, la industria ya ha dado un giro brusco hacia las soluciones digitales en casi todos los subsistemas del vehículo. Los subsistemas de los vehículos de pasajeros convencionales ya dependen de microcontroladores (MCU) que ejecutan cuatro veces más código de software que los aviones comerciales^[1].

Sin embargo, con la evolución de la demanda y la presión de la competencia, las soluciones de microcontroladores anteriores pueden quedarse cortas a la hora de cumplir con la serie de requisitos a los que se enfrentan ahora los diseñadores de automóviles. La necesidad de disponer de diferentes raíles de alimentación en más subsistemas electrónicos y la funcionalidad de conversión CC/CC de alto voltaje asociada, sobre todo en los vehículos eléctricos, requiere capacidades de control digital más sofisticadas. Otras aplicaciones, como la carga inalámbrica de dispositivos móviles en los vehículos, introducen una serie de requisitos de diseño totalmente nuevos para los transmisores de energía inalámbricos de varias bobinas, compatibles con los receptores de energía estándar de la industria que se están incorporando a más dispositivos de consumo. El diseño de la iluminación de los vehículos debe tener en cuenta características técnicas como la atenuación, la temperatura y el envejecimiento de los componentes, entre otras, para ofrecer faros más brillantes, colores agradables y efectos de atenuación en los salpicaderos. Por último, los motores de precisión controlados digitalmente son omnipresentes incluso en los vehículos convencionales y, por supuesto, proporcionan la base funcional de la movilidad eléctrica.

La familia de DSC dsPIC33 de Microchip Technology está diseñada específicamente para responder a estos diversos requisitos utilizando miembros de la familia con capacidades funcionales especializadas. El miembro más reciente de esta familia, el dsPIC33C, amplía el rendimiento y las capacidades disponibles en los DSC dsPIC33E y dsPIC33F para los desarrolladores que se dirigen a aplicaciones más sofisticadas.

Basados en un núcleo de procesador de señal digital (DSP), estos DSC combinan la simplicidad de una MCU con el rendimiento de un DSP para satisfacer los requisitos cambiantes de alto rendimiento, baja latencia y capacidad de tiempo real, manteniendo un espacio y una lista de materiales mínimos. Gracias al amplio ecosistema de placas de desarrollo, diseños de referencia y herramientas de desarrollo de software dsPIC33 de Microchip, los desarrolladores pueden recurrir a diferentes miembros de la familia dsPIC33 para ampliar sus diseños y ofrecer la amplitud de aplicaciones que constituyen el núcleo de los sistemas de automoción y movilidad eléctrica.

Una base de hardware más eficaz para los diseños de automoción y e-movilidad

La familia dsPIC33C de Microchip está diseñada específicamente para reducir la latencia y acelerar la ejecución de los bucles de control digital basados en software de alta velocidad que subyacen en muchos subsistemas de automoción. Para ofrecer esta capacidad, estos dispositivos integran un motor DSP, registros de alta velocidad y periféricos estrechamente acoplados que incluyen múltiples convertidores analógico-digitales (ADC), convertidores digital-analógicos (DAC), comparadores analógicos y amplificadores operacionales.

Características como el motor DSP de ciclo único 16 x 16 de multiplicación-acumulación (MAC) con acumulador de 40 bits, el bucle sin sobrecarga y el cambio de barril garantizan la ejecución de alta velocidad de los bucles de control digital. Las capacidades periféricas, como los moduladores de anchura de pulso (PWM) con una resolución de 150 picosegundos (ps), los temporizadores de captura/comparación/PWM (CCP), el generador de disparo periférico y la célula lógica configurable por el usuario, permiten el funcionamiento independiente de las interfaces de los bucles de control de precisión.

La amplia funcionalidad en chip de estos dispositivos en encapsulados de tan solo 5 x 5 milímetros (mm) ayuda a los desarrolladores a conseguir la huella y la lista de materiales mínimas para cumplir los requisitos de los dispositivos más pequeños en los sistemas de automoción más elegantes. Para simplificar aún más los diseños de automóviles, estos dispositivos son compatibles con múltiples interfaces de comunicación, como la red de área de controladores (CAN), la red de interconexión local (LIN) y el multiplexado digital (DMX) utilizados en los sistemas avanzados de automóviles. Además, estos dispositivos vienen en diferentes tamaños de memoria en configuraciones de uno o dos núcleos, lo que proporciona el tipo de solución escalable necesaria para las aplicaciones avanzadas de automoción y movilidad eléctrica.

Destinadas a entornos de automoción difíciles, estas piezas tienen la calificación AEC-Q100 Grado 0 y son capaces de cumplir los exigentes requisitos de funcionamiento bajo el capó con soporte en un rango de temperatura ampliado de -40 °C a +150 °C. Lo más importante para los diseños de automoción de misión crítica es que algunos miembros de la familia dsPIC33 están preparados para la seguridad funcional, lo que facilita el cumplimiento de las especificaciones de seguridad, como la ISO 26262 (ASIL A o ASIL B), la IEC 61508 (SIL 2) y la IEC 60730 (Clase B). Estos miembros de la familia dsPIC33 integran características de hardware de seguridad especializadas que incluyen un temporizador de hombre muerto, un temporizador de vigilancia, un control de reloj a prueba de fallos, una memoria de acceso aleatorio (RAM), una prueba automática incorporada (BIST) y un código de corrección de errores.

Para el desarrollo de software, los compiladores MPLAB XC C de Microchip cuentan con la certificación TÜV SUD de seguridad funcional, y en algunos casos se dispone de bibliotecas de software de diagnóstico. Además, Microchip proporciona los informes de Análisis de Diagnóstico, Efectos y Fallos (FMEDA) asociados y los manuales de seguridad necesarios como parte del proceso de certificación de seguridad.

Las características de seguridad del hardware y las capacidades de desarrollo necesarias para la certificación de la seguridad funcional son solo parte de un rico ecosistema de desarrollo que apoya el diseño basado en dsPIC33 tanto para los automóviles convencionales como para los vehículos eléctricos. Basándose en su entorno de desarrollo integrado (IDE) MPLAB X, Microchip ofrece un amplio conjunto de herramientas de diseño especializadas y bibliotecas para diferentes áreas de aplicación, como se indica a continuación.

Para ayudar a acelerar el desarrollo con su familia dsPIC33, Microchip ofrece un rico ecosistema de placas de desarrollo dsPIC33, así como recursos de diseño descargables, incluyendo libros blancos, notas de aplicación y diseños de referencia. Entre estos recursos, varios diseños de referencia del dsPIC33C abordan varias áreas de aplicación clave para la automoción y la movilidad eléctrica, como la carga inalámbrica, la iluminación digital, la conversión de energía y el control de motores. Además de demostrar el uso de un DSC dsPIC33C en cada área, estos diseños de referencia y el software asociado también pueden servir como punto de partida para la implementación de diseños personalizados.

Implementación de bucles de control digital de precisión para la conversión de energía

Los lazos de control se encuentran en el corazón de muchas aplicaciones de automoción y movilidad eléctrica, y uno de sus usos más críticos en estas aplicaciones atiende a la necesidad fundamental de conversión de energía. La conversión eficiente de CC a CC sigue siendo importante en los sistemas de automoción convencionales y es esencial en los vehículos eléctricos e híbridos de alto voltaje. En estos sistemas, los voltajes de la batería de 200-800 voltios deben reducirse de forma segura y eficaz a los niveles de 12 o 48 voltios necesarios para hacer funcionar la iluminación exterior e interior y los motores de los limpiaparabrisas, las ventanas, los ventiladores y las bombas.

En un diseño de referencia de convertidor resonante LLC CC/CC (tres elementos reactivos: dos inductivos y uno capacitivo) de 200 vatios (W)^[2], un único dispositivo dsPIC33 permite una solución digital compacta para la conversión de potencia en modo conmutado, utilizando uno de sus PWM integrados para accionar MOSFET de medio puente en el lazo de control (Figura 1).

Figura 1: El diseño de referencia del convertidor resonante LLC CC/CC de Microchip Technology se basa en un único DSC dsPIC33 para gestionar digitalmente el bucle de control en el corazón de un diseño de conversión de potencia. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

En la Figura 2, el transformador resonante aísla la alta tensión del lado primario (líneas negras) de la alimentación secundaria de 12 voltios (líneas azules) para los controladores MOSFET (D) y la alimentación de 3 voltios para el DSC dsPIC33 y otros componentes analógicos (A).

Figura 2: Con sus periféricos especializados, los DSCs dsPIC33 ayudan a simplificar los diseños y a reducir el número de piezas, aquí utilizando sus PWMs integrados y sus funciones periféricas para controlar los MOSFETS externos (D) y otros componentes analógicos (A). (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

En este diseño, el dsPIC33 utiliza un diseño de software básico basado en interrupciones para gestionar el bucle de control digital. Aquí se utiliza una interrupción ADC para adquirir la tensión de salida utilizada en el controlador proporcional-integral-derivativo (PID) del software. Otra interrupción del ADC soporta la detección de temperatura, mientras que los comparadores analógicos del dsPIC33 soportan la detección de eventos de sobrecorriente y sobretensión. De hecho, la ejecución del proceso de control PID y de las tareas de gestión del bucle de control asociadas deja mucho margen de procesamiento para las tareas de mantenimiento y supervisión, como la supervisión de la temperatura, la supervisión de fallos y las comunicaciones, todo ello dentro de una secuencia de procesamiento de firmware sencilla (Figura 3).

Figura 3: El motor DSP de alto rendimiento del dsPIC33 y los periféricos estrechamente acoplados permiten a los desarrolladores implementar fácilmente complejos bucles de control digital con un código más sencillo. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Para los desarrolladores que deseen crear soluciones de energía digital más especializadas, el paquete de diseño de energía digital de Microchip admite diseños desde la concepción hasta la generación de firmware para un DSC dsPIC de destino. Basándose en las capacidades del hardware DSC dsPIC, los desarrolladores utilizan la herramienta de diseño de compensadores digitales (DCDT) de la suite para analizar los bucles de control, y el configurador de código MPLAB (MCC) para generar código que utiliza funciones optimizadas en código ensamblador en las bibliotecas de compensadores de Microchip (Figura 4).

Figura 4: Los desarrolladores pueden recurrir a la completa cadena de herramientas de Microchip para acelerar el desarrollo de bucles de control optimizados basados en software en el centro de los subsistemas digitales de potencia. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Tanto si construyen dispositivos basados en estándares, como transmisores de energía inalámbricos, como si implementan dispositivos personalizados más complejos, los diseñadores de aplicaciones de bucle de control de automoción y movilidad eléctrica necesitan implementar soluciones compactas que puedan soportar funcionalidades adicionales más allá de las capacidades básicas, como la monitorización de fallos. Otro diseño de referencia ilustra el uso de un DSC dsPIC33CK de un solo núcleo para ofrecer un rico conjunto de funciones en otra importante aplicación de conversión de energía controlada digitalmente: la transmisión de energía inalámbrica.

Implementación de transmisores de energía inalámbricos compatibles con Qi

Ampliamente adoptado por los fabricantes de teléfonos inteligentes y otros dispositivos móviles, el estándar Qi del Wireless Power Consortium (WPC) para la transferencia de energía inalámbrica de 5 a 15 vatios permite a los consumidores cargar sus dispositivos con capacidad Qi simplemente colocándolos en cualquier superficie con un transmisor inalámbrico compatible incorporado. Los transmisores inalámbricos de energía Qi, integrados en las superficies interiores de los automóviles o en productos de carga de terceros, ofrecen un método cómodo para la carga de smartphones que elimina la confusión y la posible distracción de las conexiones de energía por cable. El diseño de referencia de energía inalámbrica Qi de 15 vatios de Microchip Technology^[3] ilustra el uso de un dsPIC33 para simplificar la implementación de este tipo de subsistema (Figura 5).

Figura 5: Los periféricos integrados del dsPIC33 pueden funcionar de forma independiente para acelerar las tareas de control clave, dejando un margen de procesamiento para ejecutar otras tareas como las interfaces de usuario, las comunicaciones y la seguridad en aplicaciones más complejas, como los transmisores de energía inalámbricos. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Basado en un DSC dsPIC33CK256MP506 de Microchip Technology, el diseño de referencia utiliza las capacidades integradas del DSC para implementar un bucle de control digital. Aunque este diseño se basa en una topología de puente completo en lugar del medio puente utilizado en el convertidor resonante mencionado anteriormente, los múltiples PWM del dispositivo cumplen fácilmente este requisito adicional.

Los transmisores de energía inalámbricos suelen proporcionar múltiples bobinas de radiofrecuencia (RF) para transmitir la energía, y en este diseño, el puente inversor está conectado a través de un multiplexor (MUX) a una de las tres bobinas. Al igual que el inversor de puente completo y el front-end de acondicionamiento de tensión, este diseño aprovecha al máximo los periféricos integrados del dsPIC33 para gestionar la conmutación MUX de la bobina.

Además de controlar los controladores de puerta MIC4605 y MP14700 de Microchip, los periféricos del dsPIC33:

• Control de los diodos luminosos indicadores de potencia (LED) a través de un expansor de E/S MCP23008 de Microchip
• Proporcionar conectividad USB a través de un dispositivo puente USB MCP2221A de Microchip
• Admite el almacenamiento seguro compatible con WPC a través de un dispositivo de autenticación ATECC608 que Microchip suministra como autoridad de certificación (CA) con licencia del fabricante de WPC
• Proporcionar conectividad CAN preparada para la seguridad funcional ISO 2622 a través de un dispositivo CAN de velocidad de datos flexible (FD) de ATA6563 de Microchip

Además, el diseño de referencia utiliza el convertidor buck MCP16331 de Microchip y el regulador lineal MCP1755 para soportar la alimentación de la batería auxiliar.

Utilizando esta lista de materiales relativamente pequeña, el diseño de referencia ofrece una solución preparada para Qi que tiene todas las características clave de un sistema de alimentación inalámbrica, como alta eficiencia, área de carga ampliada, distancia Z útil (distancia entre el transmisor y el receptor), detección de objetos extraños y compatibilidad con múltiples implementaciones de carga rápida utilizadas en los principales smartphones. Partiendo de este diseño basado en software, los desarrolladores pueden añadir fácilmente capacidades como protocolos de comunicación propios entre el transmisor y el receptor, y opciones de conectividad inalámbrica como Bluetooth, entre otras.

Implantación de soluciones compactas de iluminación digital

La funcionalidad integrada de los dispositivos dsPIC33 es especialmente importante en las aplicaciones de automoción y movilidad electrónica que requieren la adición de alguna función sofisticada sin alterar las líneas del vehículo. La disponibilidad de los LED de alta intensidad ha permitido a los fabricantes de vehículos aportar un mayor sentido del diseño a los faros exteriores y a la iluminación interior.

Sin embargo, los desarrolladores de estos subsistemas de iluminación suelen tener que exprimir más funcionalidades en paquetes más pequeños a la vez que son compatibles con los estándares de la industria, como DMX, que proporciona un protocolo de comunicaciones común para controlar cadenas de dispositivos de iluminación. Al igual que el diseño del transmisor de energía inalámbrico mencionado anteriormente, un diseño para una solución de iluminación digital compacta^[4] aprovecha los periféricos integrados del dsPIC33 (Figura 6).

Figura 6: Los DSC dsPIC33 de Microchip Technology permiten a los desarrolladores realizar diseños complejos con el mínimo espacio y lista de materiales necesarios para integrar la funcionalidad de forma discreta en los vehículos. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Al igual que con otras aplicaciones de energía digital, este diseño de iluminación digital aprovecha los PWM integrados del dsPIC33, los comparadores analógicos y otros periféricos para proporcionar una solución de iluminación digital completa y compacta. Al igual que en las aplicaciones de diseño mencionadas anteriormente, esta solución de iluminación digital se basa en la potencia de procesamiento del DSC dsPIC33 y en la capacidad de sus periféricos de funcionar de forma independiente para supervisar y controlar el conjunto necesario de dispositivos externos, incluidos los dispositivos de alimentación, los transceptores y los LED, entre otros. Otros ejemplos de diseño de Microchip demuestran la capacidad de procesamiento de alto rendimiento de los DSC dsPIC33 para manejar algoritmos de control digital más complejos y sistemas avanzados de control de motores.

Implementación de sistemas avanzados de control de motores con un solo DSC dsPIC33

El rendimiento de los DSC dsPIC33 permite a los desarrolladores utilizar un único DSC para gestionar la ejecución del bucle de control digital principal, así como varias funciones auxiliares. De hecho, un diseño de doble motor de Microchip^[5] demuestra la implementación de un control orientado al campo (FOC) sin sensores de un par de motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) utilizando sólo un DSC dsPIC33CK de un solo núcleo. La clave de este diseño reside en el desfase de las señales PWM a los convertidores para cada canal de control del motor, el control del motor 1 (MC1) y el control del motor 2 (MC2) (Figura 7).

Figura 7: Gracias a su procesamiento de alto rendimiento y a los periféricos integrados, un solo núcleo dsPIC33CK DSC puede soportar diseños de control de dos motores. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

En este enfoque, los PWM del dsPIC33CK están configurados para generar las formas de onda necesarias para cada canal de control del motor y disparar ADCs separados en el momento óptimo. Cuando cada ADC completa la conversión, emite una interrupción que hace que el dsPIC333CK ejecute el algoritmo FOC para ese conjunto de lecturas.

Un solo DSC dsPI33CK también puede manejar aplicaciones de control de motores más robustas. En un diseño de referencia para un scooter eléctrico de alto rendimiento (E-scooter), un dsPIC33CK controla los múltiples FET y los controladores de puerta Microchip MIC4104 para un inversor trifásico que acciona un motor de corriente continua sin escobillas (BLDC) (Figura 8).

Figura 8: Utilizando un dsPIC33CK de un solo núcleo, los desarrolladores pueden implementar un robusto subsistema de control de motor de e-scooter con sólo unos pocos componentes adicionales. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

El diseño de referencia del e-scooter^[6] admite tanto los modos de funcionamiento sin sensor como con sensor, ya que tiene la capacidad de monitorizar la fuerza electromotriz trasera (BEMF) del motor BLDC, así como la salida del sensor de efecto Hall. Utilizando una fuente de tensión de entrada de 18 a 24 voltios, el diseño alcanza una potencia máxima de salida de 350 vatios.

En una nueva ampliación de este diseño^[7], Microchip demuestra la adición del frenado regenerativo que se utiliza en los vehículos eléctricos y en los HEV para recuperar la energía, ya que el motor genera BEMF a niveles de tensión superiores a la alimentación de la batería del vehículo. Aquí, el diseño aumentado utiliza un pin adicional del dsPIC33CK para monitorizar la señal procedente del freno. Cuando se detecta el frenado, el dsPIC33CK apaga primero las puertas del lado alto del inversor para aumentar la energía eléctrica recuperada a un nivel superior a la tensión del bus de CC, y luego apaga las puertas del lado bajo para permitir que la corriente vuelva a fluir hacia la fuente.

Los desarrolladores podrían ampliar este diseño para soportar una mayor funcionalidad sustituyendo el dsPIC33CK de un solo núcleo por un dsPIC33CH DSC de doble núcleo. En un diseño de este tipo, un núcleo podría gestionar el control del motor BLDC y la funcionalidad de frenado regenerativo con cambios mínimos en el código, mientras que el otro podría ejecutar capacidades de seguridad adicionales o aplicaciones de alto nivel. Utilizando el dsPIC33CH de doble núcleo, los equipos de desarrollo de control de motores y los equipos de desarrollo de aplicaciones podrían trabajar por separado, e integrar sin problemas su control para ejecutarlo en el DSC.

Para los diseños de control de motores personalizados, el paquete de desarrollo motorBench de Microchip ofrece un conjunto de herramientas de interfaz gráfica de usuario (GUI) que ayuda a los desarrolladores a medir con mayor precisión los parámetros críticos del motor, a ajustar los bucles de control y a generar fuentes basadas en el marco de aplicación de control de motores (MCAF) y la biblioteca de control de motores de Microchip.

Conclusión:

Utilizando los DSC dsPIC33 de Microchip Technology, los desarrolladores necesitan relativamente pocos componentes adicionales para implementar una amplia gama de diseños de energía digital para aplicaciones convencionales de automoción y e-movilidad. Respaldados por un amplio conjunto de herramientas de software y diseños de referencia, los DSC dsPIC33 de uno y dos núcleos ofrecen una plataforma escalable para desarrollar rápidamente soluciones optimizadas para la conversión de energía, la carga inalámbrica, la iluminación y el control de motores, entre otros.

Referencias:

1. Dr. H. Proff y otros, 2020. El software está transformando el mundo del automóvil. 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. Control de doble motor con el dsPIC33CK Libro Blanco
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