Több tengelyes motorvezérlés
Hagyományosan az ipari motorvezérlő alkalmazások mikrokontrollereket vagy DSP-ket használnak a motorvezérléshez szükséges komplex algoritmusok futtatásához. A legtöbb hagyományos ipari meghajtón az FPGA-kat mikrokontrollerekkel vagy DSP-kkel használják az adatgyűjtéshez és a gyors működésű védelemhez. . Az adatgyűjtés, a PWM-generálás és a védelmi logika mellett az FPGA-k hagyományosan nem játszottak jelentős szerepet a motorvezérlő algoritmusok végrehajtásában.
A motorvezérlő algoritmus mikrokontrollerrel vagy DSP-vel történő végrehajtásának módja nem egyszerűen kiterjeszthető több független motoros működésű többmotorra (több tengelyes motorvezérlés). A Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA integrálható és integrálható egy több tengelyes meghajtóra egy eszköz használatával. ellenőrzés
A vezérlés két részre bontható. Az egyik rész a terepi orientált vezérlési (FOC) algoritmusok, a sebességvezérlés, az áramszabályozás, a sebességbecslés, a helyzetbecslés és a PWM generálása; a másik rész a sebességprofilokat, a terhelési jellemzőket, a folyamatvezérlést és a védelmet (hibákat és riasztásokat) tartalmazza. A FOC algoritmus végrehajtása idő kritikus, és nagyon nagy mintavételi sebességgel (mikroszekundum tartományban) kell elvégezni, különösen nagy statikus induktivitású nagysebességű motorokhoz. Így előnyösebb a FOC algoritmusok megvalósítása az FPGA-kban. A folyamatvezérlés, a sebességprofilok és egyéb védelem nem igényel gyors frissítéseket, így kisebb mintavételi gyakorisággal (milliszekundum tartományban) is végrehajthatók, és beprogramozhatók a beépített Cortex-M3 alrendszerbe.
A tranzisztoros kapcsolási periódus fontos szerepet játszik a meghajtóban. Ha a FOC hurok végrehajtási ideje jóval rövidebb a kapcsolási periódusnál, akkor a hardvermodul újra felhasználható a második motor feszültségének kiszámításához. Ez azt jelenti, hogy az eszköz ugyanolyan költséggel tud magasabb teljesítményt nyújtani.
(1) Motorvezérlő IP modul. A 3. ábra a szenzor nélküli mezővezérelt algoritmust mutatja, amelyet ebben a fejezetben tárgyaltunk és IP-magként szolgáltatunk.
● PI szabályozó. Az arányos integrált (PI) vezérlő egy visszacsatolási mechanizmus a rendszerparaméterek szabályozásához. Két beállítható erősítési paramétere van - arányos és integrált erősítési állandók -, amelyek szabályozzák a vezérlő dinamikus választ. A PI szabályozó arányos összetevője az arányos erősítési konstans és a hibabemenet eredménye, és az integrált komponens a kumulált hiba és az integrált erősítési konstans terméke. Ez a két összetevő összeadódik. A PI vezérlő integrációs fázisa instabilitást okozhat a rendszerben, mert az adatértékek kontrollálhatatlanul növekednek. Ez az ellenőrizetlen emelkedés az integrált telítettségnek nevezik, és minden PI vezérlő implementáció tartalmaz egy fagyásgátló mechanizmust annak biztosítására, hogy a vezérlő kimenete korlátozott. A Microsemi PI vezérlő IP modulja tartós telítési algoritmust használ a rezgéscsillapításhoz. Ez a modul további szolgáltatásokat is kínál a kezdeti kimeneti érték beállításához.
• Field Oriented Control (FOC). A FOC egy algoritmus, amely optimális áramot biztosít a motor számára a nyomaték és a mágnesezési áramkomponensek független meghatározásával és vezérlésével. Állandó mágneses szinkronmotor (PMSM) esetén a rotor mágnesezett. Ezért a motorhoz szállított áramot csak nyomatékra használják. A FOC egy számítástechnikailag intenzív algoritmus, de a Microsemi motorvezérlési referenciatervje az eszköz erőforrásainak optimális kihasználására épül. A FOC algoritmusa Clarke, Park, inverz Clarke és inverz Park transzformáció.
● Szög becslés. A FOC egyik bemenete a rotor szöge. A forgórész szögének pontos meghatározása elengedhetetlen az alacsony fogyasztás biztosításához. A pozíciót és sebességet meghatározó fizikai érzékelők hozzáadása növeli a rendszer költségét és megbízhatóságát. Az érzékelő nélküli algoritmusok segítenek kiküszöbölni az érzékelőket, de növelik a számítási komplexitást. A Microsemi két szögszámítási algoritmust kínál IP modulokhoz az érzékelő nélküli vezérléshez - a Luenberger megfigyelőn alapul, a másik a közvetlen hátsó EMF számítások alapján. A cég különálló referenciatervet is kínál a Hall szenzorok és kódolók alapján.
● PLL. A PLL-t a jelek szinkronizálására használják, és számos alkalmazásban hasznos, például a frekvenciaváltó szögbecslése és a hálózati szinkronizálás.
● Árkorlátozó. A sebességkorlátozó modul sima változásokat hajthat végre a rendszer változókon vagy bemeneteken. Például egy motorvezérlő rendszerben, ha a motor által igényelt sebesség hirtelen megváltozik, a rendszer instabillá válhat. Az ilyen helyzetek elkerülése érdekében a sebességkorlátozó modult az eredeti sebességtől a kívánt sebességig történő átváltáshoz használják. A sebességkorlátozó modul konfigurálható a változás sebességének szabályozására.
● Helyvektor moduláció. Az űrvektor modulációs modul javítja a DC busz kihasználtságát, és kiküszöböli a tranzisztoros kapcsolók rövid impulzusát. Mivel a tranzisztor bekapcsolási / kikapcsolási ideje hosszabb, mint az impulzusidő, a rövid impulzusok hibás kapcsolási viselkedést okozhatnak.
● Háromfázisú PWM generáció. Minden számítás végén háromfázisú motorfeszültség áll rendelkezésre. Ezeket a feszültségeket használják a frekvenciaváltóban lévő tranzisztorok kapcsolási jeleinek generálására. A PWM modul hat (három magas és három alacsony oldalú) tranzisztort állít elő olyan fejlett funkciókkal, mint például a holtidő és a késleltetési idő beillesztése. A programozható holtidő-beillesztési funkció segít elkerülni a frekvenciaváltók csapjaiban jelentkező katasztrofális rövidzárlatokat. A programozható késleltetés beillesztési funkció lehetővé teszi az ADC mérések szinkronizálását PWM jel generálással. A modul úgy konfigurálható, hogy olyan inverterrel működjön, amely csak N-MOSFET-ből vagy egy inverterből áll, amely mind N-MOSFET-et, mind P-MOSFET-et tartalmaz.
(2) Az FPGA kialakítása a SoC-ban. Általánosságban elmondható, hogy egy mikrokontrollerrel végzett tervezési hibakeresés viszonylag egyszerűbb, mint egy FPGA hibakeresése. A SoC-kben kihasználhatja az FPGA-k nagy teljesítményét, miközben megőrzi a mikrokontrollerek gyorsabb hibakeresésének előnyeit. A mikrokontroller alrendszer és az FPGA architektúra a Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA-n keresztül kommunikálhatnak egymással az AMBAAPB vagy az AXI buszon keresztül. Ez lehetővé teszi a tesztadatok FPGA-anyagba történő befecskendezését vagy az FPGA-anyag hibakeresési adatainak megjelenítését a belső adatok megjelenítéséhez a futásidejű és a valós idejű hibakeresés érdekében. A firmware kódot egyetlen lépésben lehet futtatni, és a kódban beállíthatók töréspontok az FPGA regiszteradatok elemzéséhez.
A SmartFusion2 SoCFPGA-on alapuló többtengelyű motorvezérlő megoldás USB-kapcsolaton keresztül csatlakozik a fogadó PC-hez, és a grafikus felhasználói felület (GUI) segítségével kommunikál a motor indításához / leállításához, a motor fordulatszámának és egyéb rendszerparamétereinek beállításához, és négy rendszer változók, például a motor fordulatszáma, a motoráram és a rotor szöge (4. ábra).
(3) Ökoszisztéma. A Microsemi gazdag IP könyvtárat kínál, beleértve a korábban tárgyalt több motorvezérlő funkciót. Ezek a modulok könnyen testre szabhatók és Microsemi készülékeken is átvihetők. Ezek a modulok grafikusan konfigurálhatók és csatlakoztathatók a LiberoSoC szoftver SmartDesign eszközével. Ezekkel az IP-blokkokkal a tervezők jelentősen csökkenthetik az FPGA-n belüli motorvezérlési algoritmusok végrehajtásához szükséges időt.
Ezeket az IP modulokat 30 000 r / min sebességgel és 200 kHz-es kapcsolási frekvencián működő motoroknál tesztelték.
Ipari kommunikációs protokoll
Az ipari hálózatok tendenciája a pont-pont kommunikáció helyettesítése gyorsabb hálózati kommunikációval. Az ilyen nagysebességű kommunikáció eléréséhez nagyobb sávszélességre van szükség, amely nem könnyű a mikroprocesszorok és a DSP-k számára, amelyek egyszerre képesek a motorvezérlési algoritmusok feldolgozására. A legtöbb esetben egy további mikrokontrollert vagy FPGA-t használnak az egyes motorvezérlők kommunikációjának kezelésére. A gyakran használt Ethernet-alapú protokollok a jelenleg is fejlődő PROFINET, EtherNet / IP és EtherCAT szabványok. Egyéb protokollok: CAN és Modbus. Ebben az esetben a SoCs használatának előnye, hogy több ipari Ethernet protokoll szabványt támogat egyetlen FPGA platformon.
A végrendszer céljaitól függően a rendszer költségét optimalizálhatjuk az IP és protokollkészletek (kommunikáció) újrafelhasználásával vagy a hardver (FPGA) és a szoftver (ARMCortex-M3 alrendszer) funkcióinak körültekintésével.
A Microsemi SmartFusion2 FPGA-k beépített CAN, nagysebességű USB és Gigabit Ethernet moduljai vannak a mikrokontroller alrendszer részeként. A nagysebességű SERDES modult soros adatátvitelt alkalmazó protokollok végrehajtására használják.
biztonság
A SmartFusion2 SoCFPGA készülék számos tervezési és adatbiztonsági funkcióval rendelkezik. A tervezési biztonsági funkciók, mint pl. A DPA tanúsítás, a szabotázs elleni védelem és a titkosítási funkciók segíthetnek az ügyfelek szellemi tulajdonának védelmében. A SoCFPGA eszközök olyan adatbiztonsági szolgáltatásokat is tartalmaznak, mint az ECC hardveres gyorsítók, az AES-128/256 és az SHA-256 szolgáltatások. Az adatbiztonság érdekében az EnforcITIPSuite és a CodeSEAL szoftver biztonsági összetevői használhatók. Az EnforcITIP tartalmaz egy testreszabható rendszermagot (netlistként), amely hatékonyan áthelyezi a biztonsági réteget a hardverre. A CodeSEAL injektálja a firmware-be irányuló ellenintézkedéseket, önállóan használható, vagy az EnforcIT javításaként használható.
A protokollok végrehajtásának rugalmassága lehetővé teszi a tervezők számára, hogy több biztonsági réteget használjanak a központi felügyeleti vezérlőből beérkező információk hitelesítésére.
megbízhatóság
A biztonsági szabványok több piacon történő növekedése nagy megbízhatóságot igényel. A SmartFusion2-t úgy tervezték, hogy megfeleljen a magas rendelkezésre állású, biztonsági kritikus és kritikus fontosságú rendszerek igényeinek. A következők egyike a SmartFusion2 SoCFPGA által kínált megbízhatósági jellemzőknek.
(1) Egy-eseményes idegenkedés (SEU) az immunfrekvenciás FIT sebességkonfiguráció. A nagy megbízhatóságú működéshez a SEU immune zero FIT sebesség FPGA konfigurációra van szükség, a SmartFusion2 architektúrának alfa- vagy neutron-sugárzással szembeni védettsége van, mivel flash memóriát használ a mátrixok és logikai blokkok útválasztásához használt tranzisztorok konfigurálásához. A SRAM-alapú FPGA-k FKT (időhiba) sebességgel rendelkezhetnek tengeren, 1k-től 4k-ig, ami sokkal magasabb, 5 000 láb magasságban. A nagy megbízhatóságú alkalmazások elfogadhatják a FIT-értékeket 20 alatt, így a SmartFusion 2 ideális ezeknek az alkalmazásoknak.
(2) EDAC védelem. A SmartFusion2 eszközök egy hibaérzékelő és -javító (EDAC) vezérlővel rendelkeznek, amely megakadályozza az egyfordulatú hibák elhúzódását a mikrokontroller alrendszer (MSS) memóriájában.
(3) Nincs külső konfigurációs eszköz. Számos FPGA-s komplex rendszerben a külsőleg konfigurált eszközök használata csökkenti a megbízhatóságot. Bekapcsoláskor az FPGA-k időbe telik a konfiguráláshoz, ami számos FPGA-eszközt használó alkalmazásokban bonyolulttá teszi a tervezést. A SmartFusion2 SoC FPGA tartalmaz egy konfigurációs memóriát a készülék belsejében, amely további előnye a bekapcsoláskor bekapcsolt eszköz.
(4) Katonai hőmérsékletosztályú eszközök. A SmartFusion2 SoCFPGA készüléket teljes mértékben tesztelték a katonai hőmérsékleti körülmények között. A katonai eszközöknek 10k és 150k logikai egységei vannak biztonsági funkciókkal és adatvédelmi funkciókkal, amelyek lehetővé teszik a kriptográfiai gyorsítókhoz való hozzáférést.
Összefoglalva
A Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA számos, nagymértékben optimalizált motorvezérlő IP blokkot és jól bevált referenciamintákat alkalmaz számos olyan jellemző biztosításához, amelyek csökkentik az ipari minták TCO-jét. A mikrokontrollerről áttelepülő ügyfelek képesek lesznek újra felhasználni a régi kódok egy részét, és az FPGA tervezők képesek lesznek kihasználni az FPGA anyagot és az ARMCortex-M3 alrendszert egy olyan hatékony architektúra létrehozására, amely lehetővé teszi a motorvezérlő modul és a kommunikációs modul egyidejű tartózkodását egyetlen eszközben. Az ARM Cortex-M3 mikrokontroller alrendszere lehetővé teszi a rugalmas tervezést és az intelligens particionálást, miközben optimalizálja a teljesítményt és a költségeket. A mikrokontroller alrendszer szintén befecskendezi és rögzíti az adatokat a futásidőben az FPGA-hibakeresés gyorsítására. A SmartFusion2 platform számos lehetőséget kínál az ipari kommunikációs protokollok megvalósítására. Ezenkívül számos biztonsági funkciót biztosít a tervezéshez és adatbiztonsághoz, valamint olyan funkciókkal, amelyek megfelelnek a magas megbízhatósági követelményeknek. A SmartFusion2 eszközök családját erős ökoszisztéma-támogatás támogatja, hogy az ügyfelek minimális TCO-vel rendelkező ipari megoldásokat fejlesszenek ki.
