Mitme teljega mootorite juhtimine
Traditsiooniliselt kasutavad tööstuslikud mootori juhtimisrakendused mootorikontrolli jaoks vajalike komplekssete algoritmide käitamiseks mikrokontrollerit või DSP-d. Enamikes traditsioonilistes tööstusringides kasutatakse FPGA-sid mikrokontrollerite või DSP-dega andmete kogumiseks ja kiireks kaitseks. . Lisaks andmekogumisele, PWM-i põlvkonnale ja kaitse logikale ei ole FPGA-sid traditsiooniliselt mänginud olulist rolli mootori juhtimisalgoritmide rakendamisel.
Mikrokontrolleri või DSP-d kasutades mootorijuhtimisalgoritmi rakendusmeetodit ei saa kergesti laiendada mitmele mootorile, mis töötavad sõltumatute kiiruste korral (mitmeteljelise mootori juhtimine). Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA saab integreerida ja integreerida mitmeteljelise mootorajamiga, kasutades ühte seadet. kontroll
Kontrolli saab jagada kahte ossa. Üks osa kasutatakse välgupõhise juhtimise (FOC) algoritmide, kiiruse juhtimise, praeguse juhtimise, kiiruse hindamise, asukoha määramise ja PWM põlvkonna käitamiseks; teine osa sisaldab kiiruseprofiile, koormuse omadusi, protsessi juhtimist ja kaitset (vead ja häired). FOC-algoritmi rakendamine on kriitiline ja seda tuleb teha väga kõrge proovivõtusagedusega (mikrosekundi vahemikus), eriti madala statorenergia induktiivsusega mootorite puhul. See muudab FOC algoritmide rakendamiseks FPGA-s veelgi soodsamaks. Protsessikontroll, kiirusprofiilid ja muud kaitsed ei vaja kiiret uuendamist, nii et neid saab teostada väiksemate valimisagedustega (millisekundilise vahemiku piires) ja neid saab programmeerida sisseehitatud Cortex-M3 allsüsteemi.
Transistori lülitusperiood mängib olulist rolli. Kui FOC silmuse täitmise aeg on palju pikem kui vahetamise periood, saab riistmoodulit teise mootori pinge arvutamiseks uuesti kasutada. See tähendab, et seade suudab pakkuda suuremat jõudlust samade kuludega.
(1) Mootori juhtimise IP-moodul. Joonisel 3 on kujutatud sensoritaarse välja orienteeritud juhtimisalgoritm, mida käsitletakse käesolevas jaotises ja mis on esitatud IP-põhis.
● PI kontroller. Proportsionaalne integreeritud (PI) kontroller on tagasiside mehhanism süsteemi parameetrite kontrollimiseks. Sellel on kaks reguleeritavat võimsuse parameetrit: proportsionaalne ja integreeritud kasuteguri konstant, mis reguleerivad kontrolleri dünaamilist vastust. PI regulaatori proportsionaalne komponent on proportsionaalse võimendusteguri ja veamäära summa ning integreeritud komponent on kumulatiivse vea ja integreeritud võimenduskonstant produkt. Need kaks komponenti on kokku liidetud. PI regulaatori integreerimisfaas võib süsteemis põhjustada ebastabiilsust, kuna andmete väärtused suurenevad kontrollimatult. Andmete kontrollimatu tõusu nimetatakse lahutamatuks küllastuseks ja kõik PI-kontrolleri rakendused hõlmavad külmutamata mehhanismi, mis tagab, et kontrolleri väljund on piiratud. Mikrosemi PI-kontroller IP-moodul kasutab raputusvastase hoidmise küllastus algoritmi. See moodul pakub ka esialgse väljundväärtuse määramiseks täiendavaid funktsioone.
• Field Oriented Control (FOC). FOC on algoritm, mis tagab mootorile optimaalse voolu, sõltumatult määrates ja juhtides pöördemomendi ja magnetiseerimise voolu komponente. Püsimassiga sünkroonmootoris (PMSM) on rootor magnetiseeritud. Seetõttu saab mootorile tarnitud voolu kasutada ainult momendil. FOC on arvutuslikult intensiivne algoritm, kuid Microsemi mootorikontrolli viidete disain on loodud seadme ressursside optimaalseks kasutamiseks. FOC algoritm sisaldab Clarke, Park, inverse Clarke ja pöördpargi muundamist.
● Nurga hinnang. FOC-i üks sisend on rootori nurk. Madala energiatarbimise tagamiseks on hädavajalik täpselt kindlaks määrata rootori nurk. Asendi ja kiiruse määramise füüsiliste andurite lisamine suurendab süsteemi kulusid ja usaldusväärsust. Sensorless algoritmid aitavad kõrvaldada andureid, kuid suurendavad arvutuslikku keerukust. Microsemi pakub kahe nurga arvutusalgoritmi IP-mooduleid sensorseelektrilise juhtimise jaoks, üks põhineb Luenbergi vaatlejal ja teine põhineb otsesel tagasi EMF-i arvutustel. Ettevõte pakub ka Halli anduritel ja kodeerijal põhinevat eraldi viiteplaani.
● PLL. PLL-i kasutatakse signaalide sünkroniseerimiseks ja see on kasulik paljude rakenduste jaoks, näiteks muunduri ja võrgu sünkroniseerimise nurga hindamine.
● Hindu piiraja. Kiiruse piiraja moodul võib rakendada süstemaatilisi muutusi süsteemi muutujates või sisendites. Näiteks mootori juhtimissüsteemis võib mootor äkki muutuda vajalikuks, kui kiirus muutub, võib süsteem muutuda ebastabiilseks. Selliste olukordade vältimiseks kasutatakse kiiruse piiraja moodulit algkiirusest soovitud kiirusele üleminekuks. Kiiruse piiraja moodulit saab konfigureerida muutuse kiiruse reguleerimiseks.
● ruumi vektori modulatsioon. Ruumivektori modulatsiooni moodul parandab DC-bussi kasutamist ja kõrvaldab transistori lülititel lühikesed impulsid. Kuna transistori sisselülitamise / väljalülitamise aeg on pikem kui impulsi kestus, võivad lühikesed impulsid põhjustada vale lülituskäitumise.
● Kolmefaasiline PWM põlvkond. Kõigi arvutuste lõppedes on saadaval kolmefaasiline mootori pinge. Neid pingeid kasutatakse muunduri transistoride lülitussignaalide genereerimiseks. PWM moodul genereerib kuue (kolme kõrgsurve ja kolme madala sidega) transistoride kommutatsioonisignaale koos täiustatud funktsioonidega, nagu surnud aeg ja viivitusaja sisestamine. Programmeeritav surnud aja sisestamise funktsioon aitab vältida katastroofilisi lühiseid muunduri pistikutes. Programmeeritav viivitusaja sisestamise funktsioon võimaldab ADC mõõtmist sünkroniseerida PWM signaali genereerimisega. Moodulit saab konfigureerida töötama ainult N-MOSFET-i või inverteriga, mis sisaldab nii N-MOSFETi kui ka P-MOSFET-i muundurit.
(2) Debug FPGA disain SoC. Üldiselt on mikrokontrolleri disaini silumine suhteliselt lihtsam kui FPGA silumine. SoC-s saate kasutada FPGA-de suuremat jõudlust, säilitades mikrokontrollerites kiirema silumiseerimise eelised. Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA mikrokontrolleri allsüsteem ja FPGA-arhitektuur saavad omavahel suhelda AMBAAPB või AXI-bussiga. See võimaldab katseandmeid sisestada FPGA-kangasse või silumise andmeid FPGA-kangast, et aidata visualiseerida sisemisi andmeid käitamise ajal ja reaalajas silumiseks. Püsivara koodi saab käivitada ühel etapil ja FPGA-registriandmete analüüsimiseks võib koodi määrata murdepunktid.
SmartFusion2 SoCFPGA-ga põhinev mitmeteljelise mootori juhtimislahendus on arvuti USB-ühenduse kaudu ühendatud ja suhtleb graafilise kasutajaliidesega (GUI) mootori käivitamiseks / seiskamiseks, mootori kiiruse väärtuste ja muude süsteemi parameetrite seadmiseks ning nelja süsteemi muutujad, nagu mootori kiirus, mootori vool ja rootori nurk (joonis 4).
(3) ökosüsteem. Microsemi pakub hulgaliselt IP-raamatukogusid, sealhulgas mitut mootorikontrollifunktsiooni, mida arutati varem. Neid mooduleid saab hõlpsalt kohandada ja neid saab Microsemi seadmetes portida. Neid mooduleid saab graafiliselt konfigureerida ja ühendada, kasutades LiberoSoC tarkvara SmartDesigni tööriista. Nende IP-blokeeringutega saavad disainerid märkimisväärselt vähendada mootori juhtimisalgoritmide rakendamiseks vajalikku aega FPGA-s.
Neid IP-mooduleid on testitud mootorite puhul, mille töötemperatuur on kuni 30 000 r / min ja 200 kHz lülitussagedus.
Tööstusliku side protokoll
Tööstusvõrkude suundumus on asendada sidepunktipunkt sidepidamise abil kiiremini võrgu side. Sellise kiire sideühenduse saavutamiseks on vaja suuremat ribalaiust, mis ei ole lihtne mikrokontrollerite või DSP-de jaoks, mis samaaegselt töötlevad mootori juhtimisalgoritme. Enamikul juhtudel kasutatakse iga mootorikontrolleriga sidemete haldamiseks täiendavat mikrokontrollerit või FPGA-d. Tavaliselt kasutatavad Ethernet-põhised protokollid on PROFINET, EtherNet / IP ja EtherCAT standardid, mis veel arenevad. Teised protokollid on CAN ja Modbus. Antud juhul on SoC-ide kasutamise eeliseks mitmete Industrial Ethernet-protokolli standardite toetamine ühes FPGA-platvormil.
Olenevalt lõpp-süsteemi eesmärkidest saab süsteemi maksumust optimeerida, kasutades IP-protokolle ja protokollipiire (kommunikatsiooniks) või riistvara (FPGA) ja tarkvara (ARMCortex-M3 allsüsteem) funktsioone hoolikalt piiritledes.
Microsemi SmartFusion2 FPGA-del on mikrokontrolleri allsüsteemi osana sisseehitatud CAN, kiire USB ja Gigabit Ethernet moodulid. Serdeseadmete kiirülesannete moodulit kasutatakse serial andmeedastuseks kasutatavate protokollide rakendamiseks.
ohutus
SmartFusion2 SoCFPGA-seadmel on mitmeid disaini- ja andmeturbefunktsioone. Disaini turvafunktsioonid, nagu DPA sertifitseerimine, võltsimisvastased kaitsed ja krüpteerimisfunktsioonid võivad aidata kaitsta klientide intellektuaalomandit. SoCFPGA seadmed sisaldavad ka andmeturbefunktsioone, nagu ECC riistvarakenaliteid, AES-128/256 ja SHA-256 teenuseid. Andmete turvalisuse jaoks saab kasutada rakendusi EnforcITIPSuite ja CodeSEAL tarkvara turvakomponente. EnforcITIP sisaldab kohandatavat kernelit (netlistina), mis tõhusalt liigitab turvakihi riistvara. CodeSEAL süstib vastumeetmeid püsivara, saab seda kasutada iseseisvalt või kasutada EnforcIT-i täiustamiseks.
Protokollide rakendamise paindlikkus võimaldab disaineritel kasutada mitut kaitsekihti, et autentida keskses seirekontrolleris sisestatud teavet.
usaldusväärsus
Julgestusstandardite kasv mitmel turul ajendab nõudlust kõrge usaldusväärsuse järele. SmartFusion2 on loodud vastama kõrge kättesaadavuse, kriitilise tähtsusega kriitiliste ja missioonikriitiliste süsteemide vajadustele. Järgmised on mõned SmartFusion2 SoCFPGA pakutavad usaldusväärsusfunktsioonid.
(1) Ühekordse sündmuse häiritud (SEU) immuunnit FIT määra konfiguratsioon. Suure töökindluse tagamiseks on vaja SEU-immuunset FIT-sagedusfunktsiooni FPGA-konfiguratsiooni, SmartFusion2-arhitektuuril on immuunsus alfa- või neutronkiirguse eest, kuna see kasutab mälumahtu, et konfigureerida maatriksite ja loogikaplokkide marsruutidel kasutatavaid transistore. SRAM-põhistes FPGA-des võib olla FIT-i (ajutine tõrge) määr mere tasemel 1k kuni 4k, mis on märksa kõrgem 5000 meetri kõrgusel merepinnast. Kõrge töökindluse rakendused võivad aktsepteerida FIT-väärtust alla 20, muutes SmartFusion 2 nende rakenduste jaoks ideaalseks.
(2) EDAC kaitse. SmartFusion2-seadmetes on viga tuvastamise ja korrigeerimise (EDAC) kontroller, mis takistab mikrokontrolleri allsüsteemi (MSS) mällu ühe sündmuse ülevõtuvigu.
(3) välist konfiguratsiooniseadet pole. Komplekssetes süsteemides, kus on suur arv FPGA-sid, vähendab töökindlus ka väliselt seadistatud seadmete kasutamisel. Põlemisprotsessi ajal vajavad FPGA-d aega seadistamiseks, mis tutvustab disaini keerukust rakendustes, mis kasutavad mitu FPGA-seadet. SmartFusion2 SoC FPGA sisaldab seadme konfiguratsioonimälu, mis annab lisavõimaluse selle sisse lülitamiseks, kui seade on sisse lülitatud.
(4) Sõjalise temperatuuri klassi seadmed. SmartFusion2 SoCFPGA-seade on täielikult testitud sõjalise temperatuuri tingimustes. Sõjalise taseme seadmetes on 10k ja 150k loogikaseadmeid, millel on turvaparameetrid ja turbefunktsioonid, mis võimaldavad juurdepääsu krüptograafilistele kiirendid.
Kokkuvõtteks
Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA kasutab mitu optimeeritud mootorikontrolli IP-blokeeringut ja tõestatud võrdluskujundust, et pakkuda mitmeid funktsioone, mis vähendavad tööstusdisainilahenduste TCO-d. Mikrokontrolleri kaudu rändavad kliendid saavad mõned vanad koodid uuesti kasutada ja FPGA-disainerid saavad FPGA-kangast ja ARMCortex-M3 alamsüsteemist võimendada efektiivset arhitektuuri, mis võimaldab mootori juhtimismoodulil ja side moodulil elada samaaegselt ühes seadmes. ARM Cortex-M3 mikrokontrolleri allsüsteemi olemasolu võimaldab paindlikku disaini ja intelligentset jaotust, optimeerides samas jõudlust ja kulusid. Mikrokontrolleri alamsüsteem süstib ja salvestab andmeid käitusaja jooksul, et kiirendada silumisfunktsionaalse FPGA disaini. SmartFusion2 platvorm pakub ka tööstuslike sideprotokollide rakendamiseks mitmeid võimalusi. Samuti pakub see disaini- ja andmeturbe jaoks mitut turvaelementi, samuti funktsioone, mis vastavad kõrgetele töökindluse nõuetele. Seadmete SmartFusion2-seeria toetab tõhusat ökosüsteemi tuge, et aidata klientidel töötada välja tööstuslikud lahendused minimaalse TCO-ga.
