Večosni nadzor motorja
Tradicionalno industrijske aplikacije za nadzor motorja uporabljajo mikrokontrolerje ali DSP-je za izvajanje kompleksnih algoritmov, potrebnih za nadzor motorja. V večini tradicionalnih industrijskih pogonov se FPGA-ji uporabljajo z mikrokontrolerji ali DSP-ji za pridobivanje podatkov in hitro ukrepanje. . Poleg pridobivanja podatkov, generiranja PWM in logike zaščite, FPGA tradicionalno niso igrali pomembno vlogo pri izvajanju algoritmov za nadzor motorja.
Metoda izvajanja algoritma za krmiljenje motorja z uporabo mikrokrmilnika ali DSP se ne more enostavno razširiti na več motorjev, ki delujejo pri neodvisnih hitrostih (večosni nadzor motorja). Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA je mogoče integrirati in integrirati z večosnim motorjem s pomočjo ene naprave. nadzor
Nadzor lahko razdelimo na dva dela. En del se uporablja za izvajanje algoritmov za poljsko usmerjen nadzor (FOC), nadzor hitrosti, nadzor toka, ocenjevanje hitrosti, ocenjevanje položaja in generiranje PWM; drugi del vključuje profile hitrosti, značilnosti obremenitve, nadzor procesa in zaščito (napake in alarmi). Izvajanje algoritma FOC je časovno kritično in ga je treba izvesti pri zelo visoki stopnji vzorčenja (v območju mikrosekund), zlasti pri motorjih z visokim številom vrtljajev z nizko induktivnostjo statorja. To naredi bolj ugodno za implementacijo FOC algoritmov v FPGA. Nadzor procesa, profili hitrosti in druge zaščite ne zahtevajo hitrih posodobitev, zato jih je mogoče izvajati z nižjimi stopnjami vzorčenja (v milisekundnem območju) in jih lahko programirate v vgrajenem podsistemu Cortex-M3.
V pogonu je pomembna vloga tranzistorskega preklopnega obdobja. Če je čas izvedbe zanke FOC veliko krajši od preklopnega obdobja, se lahko strojni modul ponovno uporabi za izračun napetosti drugega motorja. To pomeni, da lahko naprava doseže višjo učinkovitost za enake stroške.
(1) IP modul za krmiljenje motorja. Na sliki 3 je prikazan kontrolni algoritem, usmerjen na poljubno polje, ki je razložen v tem razdelku in je zagotovljen kot jedro IP.
● PI krmilnik. Proporcionalni integralni krmilnik (PI) je povratni mehanizem za nadzor parametrov sistema. Ima dva nastavljiva parametra dobitka - proporcionalne in integrirane konstante dobitka - ki nadzorujejo dinamični odziv krmilnika. Sorazmerna komponenta krmilnika PI je produkt proporcionalne konstantne stopnje in vhodne napake, integralna komponenta pa je produkt kumulativne napake in konstanta integralnega dobička. Ti dve komponenti sta dodani skupaj. Integracijska faza krmilnika PI lahko povzroči nestabilnost v sistemu, ker se vrednosti podatkov nenadzorovano povečujejo. To nenadzorovano povečanje podatkov imenujemo integralna nasičenost, vse izvedbe PI krmilnika pa vključujejo protizmrznjen mehanizem, ki zagotavlja, da je izhod krmilnika omejen. IP-modul Microsemijevega PI-krmilnika uporablja algoritem držanja-nasičenja za preprečevanje tresenja. Ta modul ponuja dodatne funkcije za nastavitev začetne izhodne vrednosti.
• Field Oriented Control (FOC). FOC je algoritem, ki zagotavlja optimalni tok motorju z neodvisnim določanjem in krmiljenjem sestavnih delov momenta in magnetizacije. V trajnem magnetnem sinhronem motorju (PMSM) je bil rotor magnetiziran. Zato se tok, ki se prenaša na motor, uporablja samo za navor. FOC je računsko intenziven algoritem, vendar je referenčna zasnova Microsemijevega krmilnega sistema izdelana za optimalno uporabo virov naprave. Algoritem FOC vključuje Clarke, Park, inverzni Clarke in inverzno transformacijo parka.
● Ocena kota. En vnos v FOC je kot rotorja. Natančno določitev kota rotorja je bistvenega pomena za zagotovitev nizke porabe energije. Dodajanje fizičnih senzorjev, ki določajo položaj in hitrost, povečujejo sistemske stroške in zanesljivost. Senzorični algoritmi pomagajo odpraviti senzorje, vendar povečajo računsko zahtevnost. Microsemi ponuja IP-moduli z dvema kotoma izračunavanja za kontrolni sistem brez senzorja, ki temelji na opazovalcu Luenberger, drugi pa temelji na direktnih povratnih EMF izračunih. Podjetje ponuja tudi ločeno referenčno zasnovo, ki temelji na Hall senzorjih in dajalnikih.
● PLL. PLL se uporablja za sinhronizacijo signalov in je uporaben v številnih aplikacijah, kot so ocena kota pretvornika in sinhronizacija omrežja.
● omejevalnik hitrosti. Modul omejevalnika hitrosti lahko izvaja nemotene spremembe sistemskih spremenljivk ali vhodov. Na primer v sistemu za krmiljenje motorja, če se hitrost motorja nenadoma spremeni, lahko sistem postane nestabilen. Da bi se izognili takšnim situacijam, se modul omejevalnika hitrosti uporabi za prehod od začetne hitrosti do želene hitrosti. Modul omejevalnika hitrosti je mogoče konfigurirati za nadzor hitrosti sprememb.
● Prostorska vektorska modulacija. Prostorski vektorski modulacijski modul izboljša uporabo DC bus in odpravlja kratke impulze s tranzistorskih stikal. Ker je čas vklop / izklop tranzistorja daljši od trajanja impulza, lahko kratki impulzi povzročijo nepravilno preklopno vedenje.
● Trifazna generacija PWM. Na koncu vseh izračunov je na voljo trifazna napetost motorja. Te napetosti se uporabljajo za generiranje preklopnih signalov tranzistorjev v pretvorniku. Modul PWM generira preklopne signale za šest (trije visoko-stranski in trije nizko-strani) tranzistorje z naprednimi funkcijami, kot so mrtvi čas in vstavljanje zakasnitve. Programirana funkcija vstavljanja mrtvih časov pomaga pri preprečevanju katastrofalnih kratkih stikov na zatičih pretvornika. Programirana funkcija vstavljanja zakasnitve omogoča, da se ADC meritve sinhronizirajo z generiranjem signalov PWM. Modul lahko nastavite tako, da deluje s pretvornikom, ki je sestavljen samo iz N-MOSFET ali pretvornika, ki vsebuje obe N-MOSFET in P-MOSFET.
(2) Odpravite model FPGA v SoC. Na splošno je odpravljanje napak na mikrokrmilniku relativno preprostejše od razhroščevanja na FPGA. V sistemu SoCs lahko izkoristite visoko zmogljivost FPGA-jev, hkrati pa ohranjate prednosti hitrejšega odpravljanja napak v mikrokontrolerjih. Podsistem mikrokrmilnika in arhitektura FPGA v programu Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA lahko komunicirajo med seboj preko enote AMBAAPB ali AXI. To omogoča, da se testni podatki vnesejo v tkanino FPGA ali razširijo podatke iz tkanine FPGA, da bi lahko pomagali vizualizirati notranje podatke za čas izvajanja in za pravočasno odpravljanje napak. Kodo strojne programske opreme se lahko zažene v enem koraku, v kodi pa se lahko nastavijo mejne vrednosti za analizo podatkov registra FPGA.
Večsodna rešitev za nadzor motorja, ki temelji na SmartFusion2 SoCFPGA, je povezana z gostiteljskim računalnikom prek USB-ja in komunicira z grafičnim uporabniškim vmesnikom (GUI) za zagon / zaustavitev motorja, nastavljanje vrednosti hitrosti motorja in drugih sistemskih parametrov ter sestavljanje do štirih sistemske spremenljivke, kot so hitrost motorja, tok motorja in kot rotorja (slika 4).
(3) ekosistem. Microsemi ponuja bogat nabor knjižnic IP, vključno z več kontrolnimi funkcijami motorja, o katerih smo že govorili. Te module lahko enostavno prilagodite in jih lahko prenesete v naprave Microsemi. Te module lahko grafično konfigurirate in povežete z orodjem SmartDesign programske opreme LiberoSoC. S temi bloki IP lahko oblikovalci znatno zmanjšajo čas, potreben za izvajanje algoritmov za nadzor motorja v FPGA.
Ti IP moduli so bili preizkušeni na motorjih, ki delujejo s frekvenco preklopa do 30.000 r / min in 200 kHz.
Protokol industrijske komunikacije
Trend v industrijskih omrežjih je nadomestiti komunikacijo od točke do točke z uporabo hitrejših omrežnih komunikacij. Doseganje takšnih hitrih komunikacij zahteva podporo za večjo pasovno širino, kar ni enostavno za mikrokontrolerje ali DSP-je, ki hkrati obdelujejo algoritme za nadzor motorja. V večini primerov se za komunikacijo z vsakim krmilnikom motorja uporablja dodaten mikrokrmilnik ali FPGA. Običajno uporabljani protokoli Ethernet so standardi PROFINET, EtherNet / IP in EtherCAT, ki se še vedno razvijajo. Drugi protokoli vključujejo CAN in Modbus. Prednost uporabe SoC v tem primeru je podpora več industrijskih ethernetskih standardov protokola na eni platformi FPGA.
Odvisno od ciljev končnega sistema se lahko stroški sistema optimirajo s ponovnim uporabo IP-ja in protokolov (za komunikacijo) ali z natančno razmejitvijo funkcionalnosti v strojni opremi (FPGA) in programsko opremo (podsistem ARMCortex-M3).
Microsemi's SmartFusion2 FPGA imajo vgrajene module CAN, visoke hitrosti USB in Gigabit Ethernet kot del podsistema mikrokrmilnika. Visokohitrostni modul SERDES se uporablja za izvajanje protokolov, ki vključujejo prenos serijskih podatkov.
varnost
Naprava SmartFusion2 SoCFPGA ima več funkcij za zaščito oblik in podatkov. Varnostne funkcije oblikovanja, kot so protidampinška zaščita in funkcije za šifriranje DPA, lahko pomagajo varovati intelektualno lastnino strank. Naprave SoCFPGA vključujejo tudi funkcije za varnost podatkov, kot so strojni pospeševalniki ECC, storitve AES-128/256 in SHA-256. Za varnost podatkov se lahko uporabijo komponente za zaščito programske opreme EnforcITIPSuite in CodeSEAL. EnforcITIP vključuje prilagodljivo jedro (kot netlist), ki učinkovito premakne varnostno plast na strojno opremo. CodeSEAL vnaša protiukrepe v strojno programsko opremo, se lahko uporablja samostojno ali se uporablja kot izboljšava za EnforcIT.
Prožnost izvedbenih protokolov omogoča oblikovalcem, da uporabljajo več plasti varnosti za preverjanje pristnosti informacij, ki vstopajo iz centralnega nadzornega krmilnika.
zanesljivost
Rast varnostnih standardov na več trgih povzroča povpraševanje po visoki zanesljivosti. SmartFusion2 je zasnovan tako, da ustreza potrebam visoke razpoložljivosti, kritičnih varnostnih in kritičnih sistemov. V nadaljevanju so navedene nekatere funkcije zanesljivosti, ki jih ponuja SmartFusion2 SoCFPGA.
(1) Enkratni dogodek vznemirjen (SEU) imunski ničelni FIT stopnja konfiguracija. Visoka zanesljivost delovanja zahteva SEU imunsko ničelno FIT stopnjo FPGA konfiguracijo, arhitektura SmartFusion2 ima imuniteto od alfa ali nevtronskega sevanja, ker uporablja flash pomnilnik za konfiguracijo tranzistorjev, ki se uporabljajo v usmerjevalnih matrikah in logičnih blokih. FPGA, ki temeljijo na SRAM-ju, imajo lahko FIT (časovno neuspeh) stopnjo na morju od 1 k do 4 k, kar je veliko večje na 5 000 metrov nadmorske višine. Visoka zanesljivost aplikacij lahko sprejme stopnje FIT pod 20, zaradi česar je SmartFusion 2 idealen za te aplikacije.
(2) zaščita EDAC. Naprave SmartFusion2 imajo krmilnik za zaznavanje in odpravljanje napak (EDAC), ki preprečuje napake pri prevračanju z enim dogodkom v pomnilniku podsistema mikrokrmilnika (MSS).
(3) Ni zunanje naprave za konfiguracijo. V kompleksnih sistemih z velikim številom FPGA-jev, uporaba zunanjih konfiguriranih naprav zmanjšuje zanesljivost. Pri vklopu FPGA potrebujejo čas za konfiguriranje, kar uvaja kompleksnost načrtovanja v aplikacijah, ki uporabljajo več naprav FPGA. SmartFusion2 SoC FPGA vključuje konfiguracijski pomnilnik v notranjosti naprave, ki omogoča dodatno vklop, ko se naprava napaja.
(4) Naprave za vojaške naprave razreda temperature. Naprava SmartFusion2 SoCFPGA je v celoti preskušena za vojaške temperaturne razmere. Vojaške naprave imajo logične enote z 10k in 150kami z varnostnimi funkcijami in funkcijami za zaščito podatkov, ki omogočajo dostop do kriptografskih pospeševalcev.
da povzamem
Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA uporablja več zelo optimiziranih blokov IP za nadzor motorja in dokazane referenčne modele, ki zagotavljajo več funkcij, ki zmanjšujejo TCO industrijskih modelov. Stranke, ki se preselijo iz mikrokrmilnika, bodo lahko znova uporabile nekatere stare kode, oblikovalci FPGA pa bodo lahko izkoristili tkanino FPGA in podsistem ARMCortex-M3, da bi ustvarili učinkovito arhitekturo, ki omogoča, da nadzorni modul in komunikacijski modul hkrati prebiva v eni napravi. Prisotnost podsistema ARM Cortex-M3 omogoča fleksibilno oblikovanje in inteligentno razdelitev, hkrati pa optimizira zmogljivost in stroške. Podsistem mikrokrmilnikov tudi vbrizga in beleži podatke med izvajanjem, da bi pospešil debug FPGA zasnove. Platforma SmartFusion2 ponuja tudi široko paleto možnosti za izvajanje industrijskih komunikacijskih protokolov. Zagotavlja tudi več varnostnih funkcij za načrtovanje in varnost podatkov, kot tudi funkcije, ki izpolnjujejo visoke zahteve glede zanesljivosti. Družino naprav SmartFusion2 podpira močna podpora ekosistemov, ki strankam pomaga razviti industrijske rešitve z minimalnim TCO.
