Έλεγχος κινητήρα πολλών αξόνων
Παραδοσιακά, οι εφαρμογές βιομηχανικού ελέγχου μοτέρ χρησιμοποιούν μικροελεγκτές ή DSP για την εκτέλεση των σύνθετων αλγορίθμων που απαιτούνται για τον έλεγχο του κινητήρα. Στις περισσότερες παραδοσιακές βιομηχανικές μονάδες δίσκου, οι FPGAs χρησιμοποιούνται με μικροελεγκτές ή DSP για την απόκτηση δεδομένων και την γρήγορη προστασία. . Εκτός από την απόκτηση δεδομένων, την παραγωγή PWM και την λογική προστασίας, οι FPGA παραδοσιακά δεν παίζουν σημαντικό ρόλο στην εφαρμογή αλγορίθμων ελέγχου κινητήρα.
Η μέθοδος εφαρμογής ενός αλγορίθμου ελέγχου κινητήρα με τη χρήση μικροελεγκτή ή DSP δεν επεκτείνεται εύκολα σε πολλαπλούς κινητήρες που λειτουργούν σε ανεξάρτητες ταχύτητες (έλεγχος κινητήρα πολλών αξόνων). Το MicroSemblech SmartFusion2 SoCFPGA μπορεί να ενσωματωθεί και να ενσωματωθεί με έναν κινητήρα πολλαπλών αξόνων χρησιμοποιώντας μία μόνο συσκευή. έλεγχος
Ο έλεγχος μπορεί να χωριστεί σε δύο μέρη. Ένα μέρος χρησιμοποιείται για την εκτέλεση αλγορίθμων ελέγχου προσανατολισμού πεδίου (FOC), ελέγχου ταχύτητας, ελέγχου ρεύματος, εκτίμησης ταχύτητας, εκτίμησης θέσης και παραγωγής PWM. το άλλο μέρος περιλαμβάνει τα προφίλ ταχύτητας, τα χαρακτηριστικά φορτίου, τον έλεγχο της διαδικασίας και την προστασία (σφάλματα και συναγερμοί). Η εφαρμογή του αλγορίθμου FOC είναι κρίσιμη για το χρόνο και πρέπει να εκτελείται με πολύ υψηλούς ρυθμούς δειγματοληψίας (στην περιοχή των μικροδευτερολέπτων), ειδικά για κινητήρες υψηλής ταχύτητας με χαμηλή αυτεπαγωγή. Αυτό καθιστά πιο συμφέρουσα την εφαρμογή αλγορίθμων FOC σε FPGAs. Ο έλεγχος διεργασίας, τα προφίλ ταχύτητας και άλλες προστασίες δεν απαιτούν γρήγορες ενημερώσεις, ώστε να μπορούν να εκτελούνται με χαμηλότερους ρυθμούς δειγματοληψίας (σε χιλιοστά του δευτερολέπτου) και μπορούν να προγραμματιστούν στο ενσωματωμένο υποσύστημα Cortex-M3.
Η περίοδος μεταγωγής τρανζίστορ παίζει σημαντικό ρόλο στη μονάδα. Εάν ο χρόνος εκτέλεσης του βρόχου FOC είναι πολύ μικρότερος από την περίοδο εναλλαγής, η μονάδα υλικού μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της τάσης του δεύτερου κινητήρα. Αυτό σημαίνει ότι η συσκευή μπορεί να προσφέρει υψηλότερη απόδοση με το ίδιο κόστος.
(1) Μονάδα IP ελέγχου κινητήρα. Το σχήμα 3 δείχνει τον αλγόριθμο αλγόριθμου ελέγχου χωρίς αισθητήρα, ο οποίος συζητείται σε αυτό το τμήμα και παρέχεται ως πυρήνας ΙΡ.
● Ελεγκτής PI. Ένας ελεγκτής αναλογικής ολοκλήρωσης (PI) είναι ένας μηχανισμός ανάδρασης για τον έλεγχο των παραμέτρων του συστήματος. Έχει δύο ρυθμιζόμενες παραμέτρους κέρδους - αναλογικές και ολοκληρωμένες σταθερές κέρδους - που ελέγχουν τη δυναμική απόκριση του ελεγκτή. Η αναλογική συνιστώσα του ελεγκτή PI είναι το προϊόν της αναλογικής σταθεράς κέρδους και της εισόδου σφάλματος και το ολοκληρωμένο στοιχείο είναι το προϊόν του αθροιστικού σφάλματος και της σταθερής σταθεράς κέρδους. Αυτά τα δύο συστατικά προστίθενται μαζί. Η φάση ενσωμάτωσης του ελεγκτή PI μπορεί να προκαλέσει αστάθεια στο σύστημα επειδή οι τιμές των δεδομένων αυξάνονται ανεξέλεγκτα. Αυτή η ανεξέλεγκτη αύξηση των δεδομένων ονομάζεται ολοκληρωμένος κορεσμός και όλες οι εφαρμογές του ελεγκτή PI περιλαμβάνουν έναν αντιπαγωμένο μηχανισμό για να εξασφαλίσει ότι η έξοδος του ελεγκτή είναι περιορισμένη. Η μονάδα IP ελεγκτή PI του Microsemi χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο συγκράτησης για κορεσμό. Αυτή η ενότητα παρέχει επίσης πρόσθετες λειτουργίες για να ρυθμίσετε την αρχική τιμή εξόδου.
• Έλεγχος βάσει πεδίου (FOC). Ο FOC είναι ένας αλγόριθμος που παρέχει βέλτιστο ρεύμα στον κινητήρα με τον ανεξάρτητο προσδιορισμό και τον έλεγχο των εξαρτημάτων ρεύματος ροπής και μαγνητισμού. Σε έναν σύγχρονο κινητήρα μόνιμου μαγνήτη (PMSM), ο δρομέας έχει μαγνητιστεί. Συνεπώς, το ρεύμα που τροφοδοτείται στον κινητήρα χρησιμοποιείται μόνο για ροπή. Το FOC είναι ένας υπολογιστικός εντατικός αλγόριθμος, αλλά ο σχεδιασμός αναφοράς του ελέγχου κινητήρα της Microsemi έχει κατασκευαστεί για τη βέλτιστη χρήση των πόρων της συσκευής. Ο αλγόριθμος FOC περιλαμβάνει τους μετασχηματισμούς Clarke, Park, αντίστροφο Clarke και αντιστρόφως Park.
● Υπολογισμός γωνίας. Μία είσοδος στο FOC είναι η γωνία του ρότορα. Ο ακριβής προσδιορισμός της γωνίας του ρότορα είναι απαραίτητος για τη διασφάλιση της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Η προσθήκη φυσικών αισθητήρων που καθορίζουν τη θέση και την ταχύτητα αυξάνει το κόστος και την αξιοπιστία του συστήματος. Οι αλγόριθμοι χωρίς αισθητήρα βοηθούν στην εξάλειψη των αισθητήρων αλλά αυξάνουν την υπολογιστική πολυπλοκότητα. Η Microsemi προσφέρει δύο μονάδες IP αλγορίθμου υπολογισμού γωνίας για έλεγχο χωρίς αισθητήρα - ένα με βάση τον παρατηρητή Luenberger και το άλλο με βάση υπολογισμούς EMF με άμεση πλάτη. Η εταιρεία προσφέρει επίσης ξεχωριστή σχεδίαση αναφοράς με βάση αισθητήρες και κωδικοποιητές Hall.
● PLL. Το PLL χρησιμοποιείται για συγχρονισμό σημάτων και είναι χρήσιμο σε πολλές εφαρμογές, όπως η εκτίμηση γωνίας του μετατροπέα και ο συγχρονισμός του δικτύου.
● Περιοριστής ταχύτητας. Η μονάδα περιορισμού ρυθμού μπορεί να εφαρμόσει ομαλές αλλαγές στις μεταβλητές συστήματος ή τις εισόδους. Για παράδειγμα, σε ένα σύστημα ελέγχου κινητήρα, εάν η ταχύτητα που απαιτείται από τον κινητήρα αλλάζει ξαφνικά, το σύστημα μπορεί να γίνει ασταθές. Για να αποφευχθούν τέτοιες καταστάσεις, η μονάδα περιορισμού ταχύτητας χρησιμοποιείται για τη μετάβαση από την αρχική ταχύτητα στην επιθυμητή ταχύτητα. Η μονάδα περιορισμού ρυθμού μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να ελέγχει το ρυθμό αλλαγής.
● Διαμόρφωση διανυσματικού διαστήματος. Η ενότητα διαμόρφωσης διανυσματικού διαστήματος βελτιώνει τη χρήση διαύλου DC και εξαλείφει τους σύντομους παλμούς από τους διακόπτες των τρανζίστορ. Επειδή ο χρόνος ενεργοποίησης / απενεργοποίησης του τρανζίστορ είναι μεγαλύτερος από τη διάρκεια του παλμού, οι σύντομοι παλμοί ενδέχεται να προκαλέσουν λανθασμένη συμπεριφορά μεταγωγής.
● Τριφασική παραγωγή PWM. Στο τέλος όλων των υπολογισμών, είναι διαθέσιμη τριφασική τάση κινητήρα. Αυτές οι τάσεις χρησιμοποιούνται για την παραγωγή των σημάτων μεταγωγής των τρανζίστορ στον μετατροπέα. Η μονάδα PWM παράγει σήματα μεταγωγής για έξι (τρία τρανζίστορ υψηλής και τριών χαμηλής πλευράς) με προηγμένες λειτουργίες, όπως dead time και delay time insertion. Η προγραμματιζόμενη λειτουργία εισαγωγής νεκρού χρόνου βοηθά στην αποφυγή καταστροφικών βραχυκυκλωμάτων στις ακίδες του μετατροπέα. Η δυνατότητα προγραμματισμού καθυστέρησης καθυστέρησης επιτρέπει την συγχρονισμό των μετρήσεων ADC με την παραγωγή σήματος PWM. Η μονάδα μπορεί να διαμορφωθεί έτσι ώστε να λειτουργεί με ένα μετατροπέα που αποτελείται μόνο από N-MOSFET ή έναν μετατροπέα που περιλαμβάνει και τα Ν-MOSFET και τα P-MOSFET.
(2) Debug το σχέδιο FPGA στο SoC. Γενικά, ο εντοπισμός σφαλμάτων ενός σχεδίου σε έναν μικροελεγκτή είναι σχετικά απλούστερος από τον εντοπισμό σφαλμάτων σε ένα FPGA. Στα SoCs, μπορείτε να επωφεληθείτε από την υψηλή απόδοση των FPGA διατηρώντας παράλληλα τα πλεονεκτήματα της ταχύτερης αποσφαλμάτωσης σε μικροελεγκτές. Το υποσύστημα μικροελεγκτών και η αρχιτεκτονική FPGA στο MicroSiteFlash2 SoCFPGA μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω του διαύλου AMBAAPB ή AXI. Αυτό επιτρέπει την έγχυση δεδομένων δοκιμής στο ύφασμα FPGA ή την απόσπαση δεδομένων από το ύφασμα FPGA για την απεικόνιση των εσωτερικών δεδομένων για το χρόνο εκτέλεσης και για το σφάλμα σε πραγματικό χρόνο. Ο κώδικας του υλικολογισμικού μπορεί να εκτελεστεί σε ένα μόνο βήμα και μπορούν να οριστούν σημεία διακοπής στον κώδικα για την ανάλυση των δεδομένων μητρώου FPGA.
Η λύση ελέγχου κινητήρα πολλαπλών αξόνων που βασίζεται στο SmartFusion2 SoCFPGA είναι συνδεδεμένη με τον κεντρικό υπολογιστή μέσω USB και επικοινωνεί με το γραφικό περιβάλλον χρήστη (GUI) για να ξεκινήσει / σταματήσει ο κινητήρας, να ρυθμίσει τις τιμές της ταχύτητας του κινητήρα και άλλες παραμέτρους συστήματος και να συντάξει μέχρι τέσσερα μεταβλητές συστήματος, όπως η ταχύτητα του κινητήρα, το ρεύμα κινητήρα και η γωνία του ρότορα (Εικόνα 4).
(3) Οικοσύστημα. Η Microsemi προσφέρει ένα πλούσιο σύνολο βιβλιοθηκών IP, συμπεριλαμβανομένων πολλών λειτουργιών ελέγχου κινητήρα που συζητήθηκαν νωρίτερα. Αυτά τα στοιχεία μπορούν εύκολα να προσαρμοστούν και μπορούν να μεταφερθούν σε συσκευές Microsemi. Αυτές οι ενότητες μπορούν να διαμορφωθούν γραφικά και να συνδεθούν χρησιμοποιώντας το εργαλείο SmartDesign του λογισμικού LiberoSoC. Με αυτά τα μπλοκ IP, οι σχεδιαστές μπορούν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο που απαιτείται για την εφαρμογή αλγορίθμων ελέγχου μοτέρ σε ένα FPGA.
Αυτές οι μονάδες IP έχουν δοκιμαστεί σε κινητήρες που λειτουργούν με συχνότητα εναλλαγής μέχρι και 30.000 r / min και 200 kHz.
Πρωτόκολλο βιομηχανικής επικοινωνίας
Η τάση στα βιομηχανικά δίκτυα είναι να αντικατασταθούν επικοινωνίες από σημείο σε σημείο χρησιμοποιώντας ταχύτερες επικοινωνίες δικτύου. Η επίτευξη τέτοιων επικοινωνιών υψηλής ταχύτητας απαιτεί υποστήριξη για μεγαλύτερο εύρος ζώνης, κάτι που δεν είναι εύκολο για μικροελεγκτές ή DSP που ταυτόχρονα επεξεργάζονται αλγόριθμους ελέγχου κινητήρα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, ένας πρόσθετος μικροελεγκτής ή FPGA χρησιμοποιείται για τη διαχείριση της επικοινωνίας με κάθε ελεγκτή κινητήρα. Τα συνήθη πρωτόκολλα που βασίζονται σε Ethernet είναι τα πρότυπα PROFINET, EtherNet / IP και EtherCAT, τα οποία εξελίσσονται. Άλλα πρωτόκολλα περιλαμβάνουν CAN και Modbus. Το πλεονέκτημα της χρήσης SoC σε αυτή την περίπτωση είναι η υποστήριξη πολλαπλών προτύπων πρωτοκόλλου βιομηχανικού Ethernet σε μία πλατφόρμα FPGA.
Ανάλογα με τους στόχους του τελικού συστήματος, το κόστος του συστήματος μπορεί να βελτιστοποιηθεί επαναχρησιμοποιώντας στοίβες IP και πρωτοκόλλου (για επικοινωνία) ή με προσεκτική οριοθέτηση λειτουργικότητας στο υλικό (FPGA) και το λογισμικό (υποσύστημα ARMCortex-M3).
Τα FPGA SmartFusion2 της Microsemi διαθέτουν ενσωματωμένες μονάδες CAN, υψηλής ταχύτητας USB και Gigabit Ethernet ως μέρος του υποσυστήματος μικροελεγκτή. Η μονάδα SERDES υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιείται για την εφαρμογή πρωτοκόλλων που περιλαμβάνουν σειριακή μεταφορά δεδομένων.
ασφάλεια
Η συσκευή SmartFusion2 SoCFPGA διαθέτει πολλές λειτουργίες σχεδίασης και ασφάλειας δεδομένων. Τα χαρακτηριστικά ασφαλείας σχεδίασης, όπως η προστασία κατά της αλλοίωσης της πιστοποίησης DPA και τα χαρακτηριστικά κρυπτογράφησης, μπορούν να βοηθήσουν στην προστασία της πνευματικής ιδιοκτησίας των πελατών. Οι συσκευές SoCFPGA περιλαμβάνουν επίσης χαρακτηριστικά ασφάλειας δεδομένων όπως επιταχυντές υλικού ECC, υπηρεσίες AES-128/256 και SHA-256. Για την ασφάλεια των δεδομένων, μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα στοιχεία ασφάλειας του λογισμικού EnforcITIPSuite και CodeSEAL. Το EnforcITIP περιλαμβάνει έναν προσαρμόσιμο πυρήνα (ως netlist) που μετακινεί αποτελεσματικά το επίπεδο ασφαλείας στο υλικό. Το CodeSEAL εισάγει αντίμετρα στο υλικολογισμικό, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ανεξάρτητα ή να χρησιμοποιηθεί ως ενισχυτικό για το EnforcIT.
Η ευελιξία της εφαρμογής πρωτοκόλλων επιτρέπει στους σχεδιαστές να χρησιμοποιούν πολλαπλά επίπεδα ασφαλείας για να πιστοποιήσουν την είσοδο πληροφοριών από έναν κεντρικό ελεγκτή παρακολούθησης.
αξιοπιστία
Η αύξηση των προτύπων ασφαλείας σε πολλές αγορές οδηγεί στη ζήτηση για υψηλή αξιοπιστία. Το SmartFusion2 έχει σχεδιαστεί για να καλύπτει τις ανάγκες υψηλής ασφάλειας, κρίσιμης σημασίας ασφάλειας και κρίσιμων συστημάτων αποστολής. Τα παρακάτω είναι μερικά από τα χαρακτηριστικά αξιοπιστίας που προσφέρει το SmartFusion2 SoCFPGA.
(1) Ρυθμός ρυθμού FIT με ανοσολογική μηδενική αναστάτωση (SEU). Η λειτουργία υψηλής αξιοπιστίας απαιτεί ρύθμιση FPGA μηδενικού μηδενικού ρυθμού FIT, η αρχιτεκτονική SmartFusion2 έχει ανοσία από την ακτινοβολία άλφα ή νετρονίων, επειδή χρησιμοποιεί μνήμη flash για να ρυθμίσει τα τρανζίστορ που χρησιμοποιούνται στις μήτρες δρομολόγησης και τα λογικά μπλοκ. Τα FPGA με βάση SRAM μπορούν να έχουν ρυθμό FIT (χρονική αποτυχία) σε επίπεδο θάλασσας 1k έως 4k, το οποίο είναι πολύ υψηλότερο στα 5.000 πόδια πάνω από τη στάθμη της θάλασσας. Οι εφαρμογές υψηλής αξιοπιστίας μπορούν να δέχονται συντελεστές FIT κάτω από 20, καθιστώντας το SmartFusion 2 ιδανικό για αυτές τις εφαρμογές.
(2) Προστασία EDAC. Οι συσκευές SmartFusion2 διαθέτουν ελεγκτή ανίχνευσης και διόρθωσης σφαλμάτων (EDAC) που εμποδίζει σφάλματα ανατροπής ενός γεγονότος στη μνήμη υποσυστήματος μικροελεγκτή (MSS).
(3) Δεν υπάρχει εξωτερική συσκευή διαμόρφωσης. Σε πολύπλοκα συστήματα με μεγάλο αριθμό FPGA, η χρήση εξωτερικών συσκευών μειώνει την αξιοπιστία. Κατά την ενεργοποίηση, τα FPGA χρειάζονται χρόνο για να διαμορφώσουν, γεγονός που καθιστά πολύπλοκη την σχεδίαση σε εφαρμογές που χρησιμοποιούν πολλαπλές συσκευές FPGA. Το SmartFusion2 SoC FPGA περιλαμβάνει μνήμη διαμόρφωσης μέσα στη συσκευή, η οποία παρέχει το πρόσθετο πλεονέκτημα της ενεργοποίησής της όταν η συσκευή είναι ενεργοποιημένη.
(4) Στρατιωτικές συσκευές θερμοκρασίας. Η συσκευή SmartFusion2 SoCFPGA ελέγχεται πλήρως για στρατιωτικές συνθήκες θερμοκρασίας. Οι συσκευές στρατιωτικής ποιότητας έχουν λογικές μονάδες 10k και 150k με χαρακτηριστικά ασφαλείας και χαρακτηριστικά ασφαλείας δεδομένων που επιτρέπουν την πρόσβαση σε κρυπτογραφικούς επιταχυντές.
εν κατακλείδι
Το Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA χρησιμοποιεί αρκετά υψηλά βελτιστοποιημένα μπλοκ IP ελέγχου μοτέρ και αποδεδειγμένα σχέδια αναφοράς για να παρέχει διάφορα χαρακτηριστικά που μειώνουν το TCO των βιομηχανικών σχεδίων. Οι πελάτες που μεταναστεύουν από τον μικροελεγκτή θα μπορούν να επαναχρησιμοποιήσουν κάποιο παλιό κώδικα και οι σχεδιαστές FPGA θα μπορέσουν να χρησιμοποιήσουν το ύφασμα FPGA και το υποσύστημα ARMCortex-M3 για να δημιουργήσουν μια αποδοτική αρχιτεκτονική που επιτρέπει στην ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου και τη μονάδα επικοινωνίας να διαμένουν ταυτόχρονα σε μία μόνο συσκευή. Η παρουσία του υποσυστήματος μικροελεγκτών ARM Cortex-M3 επιτρέπει ευέλικτο σχεδιασμό και έξυπνο διαχωρισμό, ενώ βελτιστοποιεί την απόδοση και το κόστος. Το υποσύστημα μικροελεγκτών εισάγει και καταγράφει δεδομένα κατά το χρόνο εκτέλεσης για να επιταχύνει το σχεδιασμό FPGA. Η πλατφόρμα SmartFusion2 προσφέρει επίσης ένα ευρύ φάσμα επιλογών για την εφαρμογή πρωτοκόλλων βιομηχανικής επικοινωνίας. Παρέχει επίσης πολλαπλές δυνατότητες ασφαλείας για σχεδιασμό και ασφάλεια δεδομένων, καθώς και χαρακτηριστικά που ικανοποιούν υψηλές απαιτήσεις αξιοπιστίας. Η οικογένεια συσκευών SmartFusion2 υποστηρίζεται από ισχυρή υποστήριξη οικοσυστημάτων για να βοηθήσει τους πελάτες να αναπτύξουν βιομηχανικές λύσεις με ελάχιστο TCO.
