Višeosna kontrola motora
Tradicionalno, aplikacije industrijske kontrole motora koriste mikrokontrolere ili DSP-ove za pokretanje složenih algoritama potrebnih za kontrolu motora. U većini tradicionalnih industrijskih pogona, FPGA se koriste sa mikrokontrolerima ili DSP-ovima za prikupljanje podataka i zaštitu od brze akcije. . Pored prikupljanja podataka, generisanja PWM-a i logike zaštite, FPGA-e tradicionalno nisu igrale važnu ulogu u implementaciji algoritama upravljanja motorom.
Metoda implementacije algoritma upravljanja motorom pomoću mikrokontrolera ili DSP-a nije lako proširiti na više motora koji rade na nezavisnim brzinama (multi-osovinska kontrola motora). Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA se može integrirati i integrirati s višeosnim motornim pogonom pomoću jednog uređaja. kontrola
Kontrola se može podijeliti na dva dijela. Jedan deo se koristi za pokretanje algoritama orijentisanih u polju (FOC), kontrolu brzine, kontrolu struje, procenu brzine, procenu položaja i generisanje PWM; drugi dio uključuje profile brzine, karakteristike opterećenja, kontrolu procesa i zaštitu (greške i alarmi). Implementacija FOC algoritma je vremenski kritična i treba se izvoditi uz vrlo visoke brzine uzorkovanja (u mikrosekundnom opsegu), posebno za brze motore sa niskom induktivnošću statora. Zbog toga je povoljnije implementirati FOC algoritme u FPGA. Kontrola procesa, profili brzine i druge zaštite ne zahtijevaju brza ažuriranja, tako da se mogu izvršavati na nižim stopama uzorkovanja (u milisekundnom rasponu) i mogu se programirati u ugrađenom Cortex-M3 podsistemu.
Period prebacivanja tranzistora igra važnu ulogu u pogonu. Ako je vrijeme izvršenja FOC petlje mnogo kraće od perioda prebacivanja, hardverski modul se može ponovno koristiti za izračunavanje napona drugog motora. To znači da uređaj može pružiti veće performanse uz istu cijenu.
(1) IP modul upravljanja motorom. Na slici 3 prikazan je kontrolni algoritam bez senzora, koji je opisan u ovom odjeljku i koji je pružen kao IP jezgra.
● PI kontroler. Proporcionalno-integralni (PI) kontroler je mehanizam povratne sprege za kontrolu parametara sistema. Ima dva podesiva parametra pojačanja - proporcionalne i integralne konstante dobitka - koji kontroliraju dinamički odziv kontrolera. Proporcionalna komponenta PI kontrolera je proizvod konstante proporcionalnog pojačanja i ulaza greške, a integralna komponenta je proizvod kumulativne greške i konstante integralnog pojačanja. Ove dve komponente se dodaju zajedno. Faza integracije PI kontrolera može uzrokovati nestabilnost u sistemu, jer se podaci neprestano povećavaju. Ovo nekontrolirano povećanje podataka naziva se integralna zasićenost, a sve implementacije PI kontrolera uključuju anti-zamrznuti mehanizam kako bi se osiguralo da je izlaz kontrolera ograničen. Mikrosemijev PI kontroler IP modul koristi algoritam zadržavanja na zasićenju za sprečavanje trešnje. Ovaj modul također pruža dodatne mogućnosti za postavljanje početne izlazne vrijednosti.
• Terenska kontrola (FOC). FOC je algoritam koji osigurava optimalnu struju motora neovisno određivanje i upravljanje komponentama struje momenta i magnetizacije. Kod sinkronog motora s permanentnim magnetima (PMSM), rotor je magnetiziran. Zbog toga se struja koja se dovodi do motora koristi samo za moment. FOC je računski intenzivan algoritam, ali je Microsemijev referentni dizajn za kontrolu motora izgrađen za optimalno korištenje resursa uređaja. FOC algoritam uključuje Clarke, Park, inverzni Clarke i inverznu Park transformaciju.
● Procjena ugla. Jedan ulaz u FOC je ugao rotora. Precizno određivanje ugla rotora je neophodno da bi se osigurala niska potrošnja energije. Dodavanje fizičkih senzora koji određuju položaj i brzinu povećavaju troškove i pouzdanost sistema. Algoritmi bez senzora pomažu eliminirati senzore, ali povećavaju složenost računanja. Microsemi nudi dva kuta algoritma za izračunavanje IP modula za kontrolu bez senzora - onu baziranu na Luenberger posmatraču, a drugu na direktnim povratnim EMF kalkulacijama. Kompanija takođe nudi poseban referentni dizajn zasnovan na Hall senzorima i enkoderima.
● PLL. PLL se koristi za sinhronizaciju signala i koristan je u mnogim aplikacijama, kao što je procjena kuta pretvarača i sinkronizacija mreže.
● Limiter ograničenja. Modul ograničavanja brzine može implementirati glatke promjene sistemskih varijabli ili ulaza. Na primjer, u sustavu kontrole motora, ako se brzina koju zahtijeva motor iznenada promijeni, sistem može postati nestabilan. Da bi se izbjegle takve situacije, modul za ograničavanje brzine se koristi za prelazak s početne brzine na željenu brzinu. Modul ograničavanja brzine može se konfigurirati za kontrolu brzine promjene.
● Prostorna modulacija vektora. Modulacija modulacije svemirskog vektora poboljšava iskorištenje DC sabirnice i eliminira kratke impulse sa prekidača tranzistora. Budući da je vrijeme uključivanja / isključivanja tranzistora dulje od trajanja impulsa, kratki impulsi mogu uzrokovati pogrešno ponašanje pri uključivanju.
● Trofazna PWM generacija. Na kraju svih izračuna na raspolaganju je trofazni napon motora. Ovi naponi se koriste za generisanje signala prebacivanja tranzistora u pretvaraču. PWM modul generiše signale za prebacivanje za šest (tri high-side i tri low-side) tranzistora sa naprednim funkcijama kao što su mrtvo vrijeme i umetanje vremena kašnjenja. Programabilna funkcija umetanja mrtvog vremena pomaže u izbjegavanju katastrofalnih kratkih spojeva na pinovima pretvarača. Značajka umetanja programiranog vremena kašnjenja omogućava da se ADC mjerenja sinkroniziraju s generacijom PWM signala. Modul se može konfigurirati da radi sa invertorom koji se sastoji samo od N-MOSFET-a ili invertera koji se sastoji od N-MOSFET-a i P-MOSFET-a.
(2) Debug FPGA dizajn u SoC. U principu, debagovanje dizajna na mikrokontroleru je relativno jednostavnije od debagovanja na FPGA. U SoC-ovima možete iskoristiti prednosti visokih performansi FPGA, a istovremeno zadržati prednosti bržeg otklanjanja grešaka u mikrokontrolerima. Podsistem mikrokontrolera i FPGA arhitektura u Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA mogu međusobno komunicirati putem AMBAAPB ili AXI sabirnice. Ovo dozvoljava da se testni podaci ubrizgavaju u FPGA tkaninu ili otklone podatke iz FPGA tkanine kako bi se pomoglo vizualizaciji internih podataka za vrijeme izvođenja i za debagiranje u realnom vremenu. Šifra firmvera se može pokrenuti u jednom koraku, a tačke prekida mogu se postaviti u kodu za analizu FPGA registarskih podataka.
Rešenje višeosne kontrole motora zasnovano na SmartFusion2 SoCFPGA je spojeno na host računar preko USB-a i komunicira sa grafičkim korisničkim interfejsom (GUI) za pokretanje / zaustavljanje motora, podešavanje vrednosti brzine motora i drugih parametara sistema, i crtanje do četiri varijable sistema, kao što su brzina motora, struja motora i kut rotora (slika 4).
(3) Ekosistem. Microsemi nudi bogat skup IP biblioteka, uključujući i nekoliko funkcija za kontrolu motora koje smo ranije pomenuli. Ovi moduli se mogu lako prilagoditi i mogu se prenositi u Microsemi uređajima. Ovi moduli se mogu grafički konfigurirati i povezati pomoću SmartDesign alata LiberoSoC softvera. Sa ovim IP blokovima, dizajneri mogu značajno smanjiti vrijeme potrebno za implementaciju algoritama upravljanja motorom u FPGA.
Ovi IP moduli su testirani na motorima koji rade do 30.000 r / min i 200 kHz frekvenciju.
Protokol industrijske komunikacije
Trend u industrijskim mrežama je zamjena komunikacije od točke do točke korištenjem bržih mrežnih komunikacija. Postizanje takvih brzih komunikacija zahtijeva podršku za veću propusnost, što nije lako za mikrokontrolere ili DSP-ove koji istovremeno procesiraju algoritme upravljanja motorom. U većini slučajeva, dodatni mikrokontroler ili FPGA se koristi za upravljanje komunikacijom sa svakim upravljačem motora. Najčešće korišteni Ethernet-bazirani protokoli su PROFINET, EtherNet / IP i EtherCAT standardi, koji se još uvijek razvijaju. Ostali protokoli uključuju CAN i Modbus. Prednost korišćenja SoC-ova u ovom slučaju je podrška višestrukim industrijskim Ethernet protokolima na jednoj FPGA platformi.
U zavisnosti od ciljeva krajnjeg sistema, troškovi sistema se mogu optimizirati ponovnom upotrebom IP i protokola protokola (za komunikaciju), ili pažljivim demarkiranjem funkcionalnosti hardvera (FPGA) i softvera (ARMCortex-M3 podsistem).
Microsemi SmartFusion2 FPGA imaju ugrađene CAN, high-speed USB i Gigabit Ethernet module kao dio podsistema mikrokontrolera. Modul SERDES velike brzine koristi se za implementaciju protokola koji uključuju serijski prijenos podataka.
sigurnost
SmartFusion2 SoCFPGA uređaj ima nekoliko karakteristika dizajna i sigurnosti podataka. Sigurnosne karakteristike dizajna kao što su DPA sertifikat i zaštita od neovlaštene upotrebe mogu pomoći u zaštiti intelektualne svojine korisnika. SoCFPGA uređaji također uključuju sigurnosne značajke podataka kao što su ECC hardverski akceleratori, AES-128/256 i SHA-256 usluge. Za sigurnost podataka mogu se koristiti komponente EnforcITIPSuite i CodeSEAL softverske sigurnosne komponente. EnforcITIP uključuje prilagodljiv kernel (kao netlist) koji efektivno pomiče sigurnosni sloj na hardver. CodeSEAL ubrizgava protumjere u firmver, može se koristiti samostalno ili se koristi kao poboljšanje EnforcIT-a.
Fleksibilnost implementacije protokola omogućava dizajnerima da koriste višestruke nivoe sigurnosti za provjeru autentičnosti unosa podataka iz centralnog kontrolora za nadzor.
pouzdanost
Rast sigurnosnih standarda na više tržišta pokreće potražnju za visokom pouzdanošću. SmartFusion2 je dizajniran da zadovolji potrebe visoke dostupnosti, sigurnosnih kritičnih i kritičnih sistema. Ovo su neke od značajki pouzdanosti koje nudi SmartFusion2 SoCFPGA.
(1) Konfiguracija imunološkog nultog FIT-a za jedan slučaj (SEU). Visoka pouzdanost zahteva potrebu za FUGA konfiguracijom sa nultom FIT stopom, imunitet od alfa ili neutronskog zračenja jer koristi fleš memoriju za konfigurisanje tranzistora koji se koriste u matricama rutiranja i logičkim blokovima. FPGA bazirani na SRAM-u mogu imati brzinu FIT (vremenski neuspjeh) na razini mora od 1k do 4k, što je mnogo više na 5.000 stopa iznad razine mora. Aplikacije visoke pouzdanosti mogu prihvatiti FIT stope ispod 20, što SmartFusion 2 čini idealnim za ove aplikacije.
(2) EDAC zaštita. SmartFusion2 uređaji imaju kontroler za otkrivanje i ispravljanje grešaka (EDAC) koji sprečava greške obnavljanja jednog događaja u memoriji podsistema mikrokontrolera (MSS).
(3) Nema spoljnog konfiguracionog uređaja. U složenim sistemima sa velikim brojem FPGA-ova, korišćenje eksterno konfiguriranih uređaja smanjuje pouzdanost. Prilikom uključivanja napajanja, FPGA treba vremena da se konfiguriše, što uvodi složenost dizajna u aplikacije koje koriste više FPGA uređaja. SmartFusion2 SoC FPGA uključuje konfiguracionu memoriju unutar uređaja, što pruža dodatnu korist od uključivanja kada se uređaj napaja.
(4) uređaji vojne temperature. SmartFusion2 SoCFPGA uređaj je u potpunosti testiran za vojne temperaturne uslove. Uređaji vojne klase imaju 10k i 150k logičke jedinice sa sigurnosnim karakteristikama i sigurnosnim karakteristikama podataka koje omogućavaju pristup kriptografskim akceleratorima.
da sumiramo
Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA koristi nekoliko visoko optimiziranih IP blokova za kontrolu motora i dokazane referentne dizajne koji pružaju nekoliko značajki koje smanjuju TCO industrijskog dizajna. Klijenti koji migriraju iz mikrokontrolera moći će ponovo da koriste neke od starih kodova, a FPGA dizajneri će moći da iskoriste FPGA tkaninu i ARMCortex-M3 podsistem za kreiranje efikasne arhitekture koja omogućava da se upravljački modul motora i komunikacioni modul nalaze istovremeno u jednom uređaju. Prisustvo ARM Cortex-M3 mikrokontrolerskog podsistema omogućava fleksibilan dizajn i inteligentnu podelu dok optimizuje performanse i troškove. Podsistem mikrokontrolera ubrizgava i snima podatke u vrijeme izvođenja kako bi se ubrzao dizajn debug FPGA. Platforma SmartFusion2 takođe nudi širok spektar opcija za implementaciju industrijskih komunikacijskih protokola. Takođe pruža više bezbednosnih funkcija za dizajn i bezbednost podataka, kao i karakteristike koje zadovoljavaju visoke zahteve za pouzdanošću. SmartFusion2 familija uređaja je podržana snažnom podrškom ekosistemima kako bi pomogla klijentima da razviju industrijska rešenja sa minimalnim TCO.
