Víceosé řízení motoru
Tradičně aplikace průmyslového řízení motoru používají mikrokontroléry nebo DSP k provozování složitých algoritmů potřebných pro řízení motoru. Ve většině tradičních průmyslových jednotek jsou FPGA používány s mikrokontroléry nebo DSP pro sběr dat a rychlou ochranu. . Kromě získávání dat, generování PWM a logiky ochrany FPGA tradičně nehrají hlavní roli při implementaci algoritmů řízení motoru.
Způsob implementace algoritmu řízení motoru pomocí mikrokontroléru nebo DSP není snadno rozšířen na více motorů pracujících s nezávislými otáčkami (víceosé řízení motoru). Systém MicroShell SmartFusion2 SoCFPGA lze integrovat a integrovat s víceosovou motorovou jednotkou pomocí jediného zařízení. řízení
Řízení lze rozdělit na dvě části. Jedna část se používá k provozování algoritmů řízení orientovaných na pole (FOC), řízení rychlosti, regulace proudu, odhadu rychlosti, odhadu polohy a generování PWM; druhá část zahrnuje profily rychlosti, charakteristiky zatížení, řízení procesu a ochranu (závady a poplachy). Implementace algoritmu FOC je časově kritická a musí být prováděna při velmi vysokých vzorkovacích rychlostech (v mikrosekundovém rozsahu), zejména u vysokorychlostních motorů s nízkou indukčností statoru. Tím je výhodnější implementovat algoritmy FOC v FPGA. Řízení procesu, rychlostní profily a další ochrany nepotřebují rychlé aktualizace, proto je možné je provádět při nižších vzorkovacích rychlostech (v milisekundovém rozsahu) a lze je naprogramovat ve vestavěném subsystému Cortex-M3.
Perioda přepínání tranzistoru hraje v pohonu důležitou roli. Pokud je doba spuštění FOC cyklu mnohem kratší než doba spínání, může být hardwarový modul opět použit k výpočtu napětí druhého motoru. To znamená, že zařízení může poskytovat vyšší výkon za stejné náklady.
(1) IP modul motoru. Obrázek 3 znázorňuje bezsenzorový řídicí algoritmus orientovaný na pole, který je popsán v této části a je poskytován jako IP jádro.
● PI řadič. Regulátor proporcionálního integrálu (PI) je zpětnovazební mechanismus pro řízení parametrů systému. Má dva nastavitelné parametry zisku - proporcionální a integrální ziskové konstanty - které řídí dynamickou odezvu regulátoru. Proporcionální složka regulátoru PI je součinem poměrné konstanty zisku a chybového vstupu a integrální součást je součinem kumulativní chyby a integrální konstanty zisku. Tyto dva komponenty se přidávají dohromady. Integrační fáze regulátoru PI může způsobit nestabilitu systému, protože hodnoty dat se nekontrolovatelně zvyšují. Tento nekontrolovaný nárůst dat se nazývá integrální sytost a všechny implementace PI řadiče obsahují mechanismus proti zamrznutí, který zajišťuje, že výstup regulátoru je omezen. Modul IP PI řadiče společnosti Microsemi používá algoritmus udržování na saturaci pro ochranu před vibracím. Tento modul také poskytuje další funkce pro nastavení výchozí hodnoty výstupu.
• Ovládání orientované na místo (FOC). FOC je algoritmus, který poskytuje optimální proud motoru tím, že nezávisle určuje a řídí součásti točivého momentu a magnetizace. V synchronním motoru s permanentním magnetem (PMSM) byl rotor magnetizován. Proto je proud přiváděný do motoru používán pouze pro točivý moment. FOC je výpočetně náročný algoritmus, ale konstrukční návrh motoru společnosti Microsemi byl vytvořen pro optimální využití zdrojů zařízení. FOC algoritmus zahrnuje Clarke, Park, inverzní Clarke a inverzní transformaci parku.
● Odhad úhlu. Jedním z vstupů do FOC je úhel rotoru. Přesné stanovení úhlu rotoru je nezbytné pro zajištění nízké spotřeby energie. Přidání fyzických senzorů určujících polohu a rychlost zvyšuje náklady a spolehlivost systému. Bezsenzorové algoritmy pomáhají eliminovat senzory, ale zvyšují výpočetní složitost. Microsemi nabízí dva algoritmy pro výpočet úhlů IP pro bezsenzorové řízení - jeden založený na Luenbergerově pozorovateli a druhý založený na přímých zpětných výpočtech EMF. Společnost také nabízí samostatný referenční návrh založený na Hallových snímačích a snímačích.
● PLL. PLL se používá pro synchronizaci signálů a je užitečná v mnoha aplikacích, jako je odhad úhlu střídače a synchronizace sítě.
● Omezovač rychlosti. Modul omezovače rychlosti může provádět hladké změny systémových proměnných nebo vstupů. Například v řídicím systému motoru, když se rychlost motoru náhle změní, může být systém nestabilní. Aby se zabránilo takovým situacím, modul omezovače rychlosti se používá k přechodu od počáteční rychlosti k požadované rychlosti. Modul omezovače rychlosti lze konfigurovat tak, aby řídil rychlost změny.
● Modulace vesmírných vektorů. Modul modulace prostorových vektorů zlepšuje využití DC sběrnice a eliminuje krátké impulsy z tranzistorových spínačů. Protože doba zapnutí / vypnutí tranzistoru je delší než trvání impulsu, zkratové impulsy mohou způsobit nesprávné spínací chování.
● Třífázová generace PWM. Na konci všech výpočtů je k dispozici třífázové napětí motoru. Tato napětí se používají k generování spínacích signálů tranzistorů v střídači. Modul PWM generuje spínací signály pro šest (tři boční a tři nízkonapěťové) tranzistory s pokročilými funkcemi, jako je například mrtvá doba a doba zpoždění. Funkce programovatelného zablokování času pomáhá předcházet katastrofickým zkratům na čepu měniče. Funkce programovatelného časového zpoždění umožňuje synchronizaci měření ADC s generováním signálu PWM. Modul lze konfigurovat tak, aby pracoval s měničem sestávajícím pouze z N-MOSFET nebo střídače, který obsahuje jak N-MOSFET, tak P-MOSFET.
(2) Debug design FPGA v SoC. Obecně je ladění návrhu na mikrokontroléru relativně jednodušší než ladění na FPGA. V systémech SoC můžete využít vysoký výkon FPGA při zachování výhod rychlejšího ladění v mikrokontrolérech. Subsystém mikrokontroléru a architektura FPGA v systému MicroSeam SmartFusion2 SoCFPGA mohou vzájemně komunikovat prostřednictvím sběrnice AMBAAPB nebo AXI. To umožňuje, aby testovací data byla vložena do tkaniny FPGA nebo laděna data z tkaniny FPGA, která pomáhá vizualizovat interní data pro běh a ladění v reálném čase. Kód firmware může být spuštěn v jediném kroku a v kódu mohou být nastaveny body zlomu pro analýzu dat registru FPGA.
Víceosé řídící řešení motoru založené na technologii SmartFusion2 SoCFPGA je připojeno k hostitelskému počítači přes USB a komunikuje s grafickým uživatelským rozhraním (GUI) pro spuštění / vypnutí motoru, nastavení otáček motoru a dalších parametrů systému a vyhotovení až čtyř systémových proměnných, jako jsou otáčky motoru, proud motoru a úhel rotoru (obr. 4).
(3) Ekosystém. Microsemi nabízí bohatou sadu knihoven IP, včetně několika funkcí pro ovládání motoru, které byly popsány výše. Tyto moduly lze snadno přizpůsobit a lze je přenášet v zařízeních Microsemi. Tyto moduly lze graficky konfigurovat a připojit pomocí nástroje SmartDesign programu LiberoSoC. Díky těmto IP blokům mohou návrháři výrazně zkrátit dobu potřebnou pro implementaci algoritmů řízení motoru v FPGA.
Tyto IP moduly byly testovány na motorech s frekvencí spínání až 30 000 r / min a 200 kHz.
Průmyslová komunikační protokol
Trend v průmyslových sítích má nahradit komunikaci typu point-to-point pomocí rychlejší komunikace v síti. Dosažení takové vysokorychlostní komunikace vyžaduje podporu vyšší šířky pásma, což není snadné pro mikroprocesory nebo DSP, které současně zpracovávají algoritmy řízení motoru. Ve většině případů se k ovládání komunikace s každým regulátorem motoru používá další mikroprocesor nebo FPGA. Obvykle používané protokoly založené na protokolu Ethernet jsou standardy PROFINET, EtherNet / IP a EtherCAT, které se stále vyvíjejí. Mezi další protokoly patří CAN a Modbus. Výhodou použití SoC v tomto případě je podpora několika standardů protokolu Industrial Ethernet na jedné platformě FPGA.
V závislosti na cílech koncového systému mohou být náklady na systém optimalizovány opětovným používáním protokolů IP a protokolů (pro komunikaci) nebo pečlivým vymezením funkčnosti hardwaru (FPGA) a softwaru (subsystém ARMCortex-M3).
FPGA SmartFusion2 firmy Microsemi mají vestavěné CAN, vysokorychlostní moduly USB a Gigabit Ethernet jako součást subsystému mikrokontroléru. Vysokorychlostní modul SERDES se používá k implementaci protokolů zahrnujících sériový přenos dat.
bezpečnost
Zařízení SmartFusion2 SoCFPGA má několik funkcí návrhu a zabezpečení dat. Navrhování bezpečnostních prvků, jako je ochrana proti šifrování DPA a funkce šifrování, mohou pomoci chránit duševní vlastnictví zákazníků. Zařízení SoCFPGA také zahrnují funkce zabezpečení dat, jako jsou hardwarové akcelerátory ECC, služby AES-128/256 a SHA-256. Pro zabezpečení dat lze použít komponenty zabezpečení softwaru EnforcITIPSuite a CodeSEAL. EnforcITIP obsahuje přizpůsobitelné jádro (jako netlist), které efektivně přesune bezpečnostní vrstvu na hardware. CodeSEAL zavádí do firmwaru protiopatření, mohou být použity samostatně nebo mohou být použity jako doplněk k EnforcIT.
Flexibilita implementace protokolů umožňuje návrhářům používat vícenásobné vrstvy zabezpečení k ověřování informací zadaných z centrálního monitorovacího řadiče.
spolehlivost
Růst bezpečnostních standardů napříč různými trhy pohání poptávku po vysoké spolehlivosti. SmartFusion2 je navržen tak, aby splňoval požadavky na vysokou dostupnost, bezpečnostní kritické systémy a kritické systémy. Následují některé funkce spolehlivosti nabízené společností SmartFusion2 SoCFPGA.
(1) Konfigurace rychlosti FIT s jednou událostí (SEU). Vysoká spolehlivá operace vyžaduje konfiguraci FPGA s hodnotou FU, která je nulová v hodnotě FU, architektura SmartFusion2 má imunitu vůči alfa nebo neutronovému záření, protože používá paměť flash pro konfiguraci tranzistorů používaných v směrovacích matricích a logických blocích. FPGA založené na SRAM mohou mít hladinu FIT (časové selhání) na hladině moře od 1k do 4k, což je mnohem vyšší u nadmořské výšky 5 000 ft. Aplikace s vysokou spolehlivostí mohou přijímat sazby FIT pod 20, díky čemuž je SmartFusion 2 ideální pro tyto aplikace.
(2) ochrana EDAC. Zařízení SmartFusion2 jsou vybavena řadičem detekce a korekce chyb (EDAC), který zabraňuje chybám při překládání jednotlivých událostí v paměti subsystému mikrokontroléru (MSS).
(3) Žádné externí konfigurační zařízení. V složitých systémech s velkým počtem FPGA se pomocí externě nakonfigurovaných zařízení snižuje spolehlivost. Při zapnutí FPGA mají čas na konfiguraci, což zavádí složitost návrhu v aplikacích, které používají více zařízení FPGA. SmartFusion2 SoC FPGA obsahuje konfigurační paměť uvnitř zařízení, což přináší další výhodu při zapnutí zařízení po zapnutí zařízení.
(4) Zařízení vojenské teplotní třídy. Zařízení SmartFusion2 SoCFPGA je plně testováno na vojenské teplotní podmínky. Vojenské zařízení mají 10k a 150k logické jednotky s bezpečnostními prvky a funkcemi zabezpečení dat, které umožňují přístup ke kryptografickým urychlovačům.
abych to shrnul
Systém MicroSeam SmartFusion2 SoCFPGA využívá několik vysoce optimalizovaných IP bloků řízení motoru a osvědčených referenčních návrhů, které poskytují několik funkcí, které snižují celkové náklady na průmyslový design. Zákazníci, kteří migrují z mikrokontroléru, budou moci znovu použít některé ze starých kódů a návrháři FPGA budou moci využívat tkaninu FPGA a podsystém ARMCortex-M3, aby vytvořily efektivní architekturu, která umožní, aby modul řízení a komunikační modul byly umístěny současně v jednom zařízení. Přítomnost subsystému mikrokontroléru ARM Cortex-M3 umožňuje flexibilní design a inteligentní rozdělení, přičemž optimalizuje výkon a náklady. Subsystém mikroprocesoru také vstřikuje a zaznamenává data za běhu, aby zrychlila ladění návrhu FPGA. Platforma SmartFusion2 nabízí také širokou škálu možností pro implementaci protokolů průmyslové komunikace. Poskytuje také mnoho bezpečnostních prvků pro návrh a zabezpečení dat, stejně jako funkce, které splňují vysoké požadavky na spolehlivost. Rodina zařízení SmartFusion2 je podporována výkonnou ekosystémovou podporou, která pomáhá zákazníkům rozvíjet průmyslová řešení s minimálním TCO.
