Многоосно управление на двигателя
Традиционно приложенията за управление на индустриални мотори използват микроконтролери или DSP, за да изпълняват сложните алгоритми, необходими за управление на двигателя. В повечето традиционни индустриални устройства FPGAs се използват с микроконтролери или DSPs за събиране на данни и за бързодействие. , В допълнение към събирането на данни, генерирането на PWM и логиката на защитата, FPGA традиционно не играят важна роля при прилагането на алгоритми за управление на мотори.
Методът за въвеждане на алгоритъм за управление на двигателя с помощта на микроконтролер или DSP не се разпространява лесно към множество двигатели, работещи при независими скорости (многоосново управление на двигателя). Системата MicroSteam SmartFusion2 SoCFPGA може да бъде интегрирана и интегрирана с многоосно моторно задвижване, използвайки едно устройство. контрол
Контролът може да бъде разделен на две части. Една част се използва за управление на алгоритми за ориентирани към полеви контрол (FOC), контрол на скоростта, управление на тока, оценка на скоростта, оценка на позицията и генериране на PWM; другата част включва профили на скоростта, характеристиките на натоварването, контрола на процеса и защитата (аварии и аларми). Изпълнението на алгоритъма на FOC е от съществено значение за времето и трябва да се извърши при много високи скорости на вземане на проби (в диапазона на микро секунди), особено за високоскоростни двигатели с ниска статова индуктивност. Това прави по-изгодно да се прилагат FOC алгоритми в FPGAs. Процесът на управление, профилите на скоростта и други защити не изискват бързи актуализации, така че те могат да се изпълняват при по-ниски честоти на пробите (в милисекундите) и могат да бъдат програмирани в вградената подсистема Cortex-M3.
Периодът на превключване на транзистора играе важна роля в устройството. Ако времето за изпълнение на FOC цикъла е много по-кратко от периода на превключване, хардуерният модул може да бъде използван отново, за да се изчисли напрежението на втория мотор. Това означава, че устройството може да осигури по-висока производителност на същата цена.
(1) IP модул за управление на двигателя. Фигура 3 показва алгоритъм за управление без сензори, ориентиран към полето, който е разгледан в този раздел и е осигурен като IP сърцевина.
● PI контролер. Пропорционално-интегралният (PI) контролер е механизъм за обратна връзка за контролиране на системните параметри. Той има два регулируеми параметъра на усилване - пропорционални и интегрални константи на усилване - които контролират динамичния отговор на контролера. Пропорционалният компонент на PI контролера е продукт на пропорционалната константа на усилване и на входа за грешка, а интегралният компонент е продукт на кумулативната грешка и константата на интегралната печалба. Тези два компонента се събират заедно. Фазата на интегриране на PI контролера може да причини нестабилност в системата, тъй като стойностите на данните се увеличават неконтролируемо. Това неконтролирано покачване на данните се нарича интегрално насищане и всички внедрявания на PI контролера включват анти-замръзнал механизъм, който гарантира, че изходът на контролера е ограничен. IP модулът на PI контролера на Microsemi използва алгоритъм за задържане при насищане за анти-разклащане. Този модул също така осигурява допълнителни функции за задаване на първоначалната стойност на изхода.
• Ориентиран към полето контрол (FOC). FOC е алгоритъм, който осигурява оптимален ток на двигателя чрез независимо определяне и управление на компонентите на тока и магнетизацията. При синхронен двигател с постоянен магнит (PMSM), роторът е магнетизиран. Ето защо токът, който се подава към двигателя, се използва само за въртящ момент. FOC е изчислително интензивен алгоритъм, но дизайнът на Microsemi за управление на двигателя е създаден за оптимално използване на ресурсите на устройството. Алгоритъмът на FOC включва Clarke, Park, обратната Clarke и обратната трансформация на парка.
● Оценка на ъгъла. Един вход към FOC е ъгълът на ротора. Точното определяне на ъгъла на ротора е от съществено значение за осигуряване на ниска консумация на енергия. Добавянето на физически датчици, които определят позицията и скоростта, увеличава разходите и надеждността на системата. Алгоритмите без сензори помагат да се премахнат сензорите, но да се увеличи изчислителната сложност. Microsemi предлага два IP-модула за изчисляване на ъгъла за управление без датчици - едната базирана на наблюдателя на Luenberger, а другата - на базата на директни изчисления за EMF. Компанията също така предлага отделен референтен проект, базиран на сензори за Hall и енкодери.
● PLL. PLL се използва за синхронизиране на сигнали и е полезен в много приложения, като ъглова оценка на инвертора и синхронизация на мрежата.
● Ограничител на скоростта. Модулът за ограничаване на скоростта може да реализира плавни промени в системните променливи или входове. Например, при система за управление на двигателя, ако скоростта, изисквана от мотора, се промени изведнъж, системата може да стане нестабилна. За да се избегнат подобни ситуации, модулът за ограничаване на скоростта се използва за преминаване от началната скорост към желаната скорост. Модулът за ограничаване на скоростта може да бъде конфигуриран да контролира скоростта на промяна.
● Космическа векторна модулация. Модулационният модулатор на пространствения вектор подобрява използването на DC шината и елиминира къси импулси от транзисторните превключватели. Тъй като времето на включване / изключване на транзистора е по-дълго от продължителността на импулса, късите импулси могат да доведат до неправилно поведение при превключване.
● Трифазно генериране на PWM. В края на всички изчисления е налице трифазно напрежение на мотора. Тези напрежения се използват за генериране на комутационни сигнали на транзисторите в инвертора. Модулът PWM генерира превключващи сигнали за шест транзистора (три странични и три нискодоходни) с разширени функции като мъртво време и време за закъснение. Функцията за програмиране на мъртво време за вмъкване помага да се избегнат катастрофалните къси съединения на инверторните щифтове. Функцията за програмиране на включването във времето позволява измерването на ADC да бъде синхронизирано с генерирането на PWM сигнал. Модулът може да бъде конфигуриран да работи с инвертор, състоящ се само от N-MOSFET или инвертор, включващ както N-MOSFET, така и P-MOSFET.
(2) Debug на FPGA дизайн в SoC. Като цяло, отстраняването на грешки в дизайна на микроконтролера е относително по-проста от отстраняването на грешки в FPGA. В SoCs можете да се възползвате от високото представяне на FPGA, като същевременно поддържате предимствата на по-бързото отстраняване на грешки в микроконтролерите. Микроконтролерната подсистема и FPGA архитектурата в Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA могат да комуникират помежду си чрез шината AMBAAPB или AXI. Това позволява тестовите данни да бъдат инжектирани в тъканта на FPGA или да се отстраняват данни от тъканта на FPGA, за да се визуализират вътрешните данни за изпълнение и за отстраняване на грешки в реално време. Кодът на фърмуера може да се изпълнява в една стъпка, а в кода могат да се задават точки за прекъсване, за да се анализират данните от регистъра на FPGA.
Многоосното решение за управление на двигателя, базирано на SmartFusion2 SoCFPGA, е свързано към хост компютъра чрез USB и комуникира с графичния потребителски интерфейс (GUI) за стартиране / спиране на мотора, задаване на стойности на скоростта на двигателя и други системни параметри и изготвяне на четири системни променливи, като скорост на двигателя, ток на мотора и ъгъл на ротора (Фигура 4).
(3) Екосистема. Microsemi предлага богат набор от IP библиотеки, включващи няколко функции за управление на мотора, обсъдени по-рано. Тези модули могат лесно да бъдат персонализирани и могат да бъдат пренесени в устройства Microsemi. Тези модули могат да бъдат графично конфигурирани и свързани чрез инструмента SmartDesign на софтуера LiberoSoC. С тези IP блокове, дизайнерите могат значително да намалят времето, необходимо за въвеждане на алгоритми за управление на мотора в FPGA.
Тези IP модули са тествани на мотори с честота на превключване до 30000 r / min и 200 kHz.
Протокол за индустриална комуникация
Тенденцията в индустриалните мрежи е да се заменят комуникациите от точка до точка чрез по-бързи мрежови комуникации. Постигането на такива високоскоростни комуникации изисква поддръжка за по-висока честотна лента, което не е лесно за микроконтролери или DSP, които едновременно обработват алгоритми за управление на двигателя. В повечето случаи, допълнителен микроконтролер или FPGA се използва за обработка на комуникацията с всеки мотор-контролер. Обикновено използваните Ethernet-базирани протоколи са стандартите PROFINET, EtherNet / IP и EtherCAT, които все още се развиват. Други протоколи включват CAN и Modbus. Предимството на използването на SoCs в този случай е да се поддържат множество стандарти за индустриални Ethernet протоколи на една платформа FPGA.
В зависимост от целите на крайната система, разходите за системата могат да бъдат оптимизирани чрез повторно използване на IP и протоколни стекове (за комуникация) или чрез внимателно разграничаване на функционалността в хардуер (FPGA) и софтуер (ARMCortex-M3 подсистема).
SmartFusion2 на Microsemi FPGA имат вградени CAN, високоскоростни USB и Gigabit Ethernet модули като част от подсистемата на микроконтролера. Високоскоростният SERDES модул се използва за внедряване на протоколи, включващи сериен трансфер на данни.
безопасност
Устройството SmartFusion2 SoCFPGA има няколко функции за дизайна и сигурността на данните. Дизайнните функции за сигурност, като защитата срещу заобикаляне на DPA и функциите за шифроване, могат да помогнат за защитата на интелектуалната собственост на клиентите. Също така, устройствата SoCFPGA включват функции за сигурност на данни като ECC хардуерни ускорители, AES-128/256 и SHA-256 услуги. За сигурността на данните могат да се използват компоненти за защита на софтуер EnforcITIPSuite и CodeSEAL. EnforcITIP включва персонализирано ядро (като netlist), което ефективно премества слоя за сигурност към хардуера. CodeSEAL инжектира контрамерки във фърмуера, може да се използва самостоятелно или да се използва като подобрение на EnforcIT.
Гъвкавостта при внедряването на протоколи позволява на дизайнерите да използват множество слоеве за сигурност, за да удостоверяват влизането на информация от централен контролер.
надеждност
Нарастването на стандартите за сигурност на множество пазари води до търсене на висока надеждност. SmartFusion2 е разработен така, че да отговаря на нуждите на системи с висока надеждност, критични за сигурността и критични за мисията функции. По-долу са някои от функциите за надеждност, предлагани от SmartFusion2 SoCFPGA.
(1) Конфигурация на скоростта на имунната нулева FIT с единично събитие (SEU). Работата с висока надеждност изисква FPGA конфигурация на имунната нулева FIT процент, архитектурата на SmartFusion2 има имунитет от алфа или неутронно лъчение, защото използва флаш памет за конфигуриране на транзисторите, използвани в маршрутизиращите матрици и логическите блокове. SRAM-базираните FPGAs могат да имат FIT (време-провал) процент на морското равнище от 1k до 4k, което е много по-високи на 5000 фута над морското равнище. Приложенията с висока надеждност могат да приемат FIT проценти под 20, което прави SmartFusion 2 идеален за тези приложения.
(2) Защита на EDAC. Устройствата SmartFusion2 разполагат с контролер за откриване и коригиране на грешки (EDAC), който предотвратява грешки при преобръщане с едно събитие в паметта на подсистемата на микроконтролера (MSS).
(3) Няма външно устройство за конфигуриране. При сложни системи с голям брой РРОА, използването на външно конфигурирани устройства намалява надеждността. При захранването FPGAs отделят време за конфигуриране, което въвежда сложността на дизайна в приложения, които използват множество FPGA устройства. SmartFusion2 SoC FPGA включва конфигурационна памет вътре в устройството, което осигурява допълнителна полза от включването му при включване на устройството.
(4) Военни устройства за температурна класа. Устройството SmartFusion2 SoCFPGA е напълно изпитано за военни температурни условия. Военните устройства имат 10k и 150k логически единици с функции за сигурност и защита на данните, които позволяват достъп до криптографски ускорители.
да обобщим
MicroStep SmartFusion2 SoCFPGA използва няколко силно оптимизирани IP блока за управление на двигателя и доказани референтни дизайни, за да осигури няколко характеристики, които намаляват TCO на промишления дизайн. Клиентите, които мигрират от микроконтролера, ще могат да използват повторно стария код, а дизайнерите на FPGA ще могат да използват линията FPGA и подсистемата ARMCortex-M3, за да създадат ефективна архитектура, която позволява модулът за управление на мотора и комуникационния модул да се намират едновременно в едно устройство. Присъствието на подсистемата ARM Cortex-M3 дава възможност за гъвкав дизайн и интелигентно разделяне, като същевременно се оптимизира производителността и разходите. Подсистемата на микроконтролера също така инжектира и записва данни по време на изпълнение, за да ускори отстраняването на грешки в дизайна на FPGA. Платформата SmartFusion2 предлага и широка гама от възможности за прилагане на протоколи за индустриална комуникация. Той също така осигурява множество функции за сигурност за дизайн и сигурност на данните, както и функции, които отговарят на високи изисквания за надеждност. Фамилията устройства на SmartFusion2 се поддържа от мощна екосистемна поддръжка, за да помогне на клиентите да разработят индустриални решения с минимално TCO.
