Monikäyttöinen moottorinohjaus
Perinteisesti teolliset moottorinohjaussovellukset käyttävät mikrokontrollereita tai DSP: ää suorittamaan moottorin ohjaukseen tarvittavat monimutkaiset algoritmit. Useimmissa perinteisissä teollisuusasemoissa FPGA: t käytetään mikrokontrollereiden tai DSP: iden kanssa tietojen hankkimiseen ja nopean toiminnan suojaamiseen. . Tietojen hankkimisen, PWM-sukupolven ja suojauslogiikan lisäksi FPGA: t eivät perinteisesti ole olleet tärkeässä asemassa moottorinohjausalgoritmien toteutuksessa.
Mikrokontrolleriin tai DSP: hen käyttävän moottorinohjausalgoritmin toteuttamismenetelmää ei ole helposti laajennettavissa useisiin moottoreihin, jotka toimivat itsenäisissä nopeuksissa (monisaksisen moottorin ohjaus). MicroSemitech SmartFusion2 SoCFPGA voidaan integroida ja integroida moniakselisella moottoriohjauksella käyttäen yhtä laitetta. ohjaus
Ohjaus voidaan jakaa kahteen osaan. Yksi osa käytetään kenttätyön ohjauksen (FOC) algoritmeja, nopeuden säätöä, virtaohjausta, nopeusarviointia, aseman estimointia ja PWM-sukupolven käyttämistä; Toisessa osassa on nopeusprofiilit, kuormitusominaisuudet, prosessinohjaus ja suojaus (vikat ja hälytykset). FOC-algoritmin toteutus on aikakriittinen ja se on suoritettava erittäin korkeilla näytteenottotaajuuksilla (mikrosekuntia), erityisesti suurtaajuuksisille moottoreille, joiden staattorin induktanssi on heikko. Tämä tekee FOC-algoritmien toteuttamisen edullisemmaksi FPGAssa. Prosessinhallinta, nopeusprofiilit ja muut suojaukset eivät vaadi nopeita päivityksiä, joten ne voidaan suorittaa pienemmillä näytteenopeuksilla (millisekunnin alueella) ja ne voidaan ohjelmoida sisäänrakennetulla Cortex-M3-osajärjestelmällä.
Transistorikytkentäjaksolla on tärkeä asema taajuusmuuttajassa. Jos FOC-silmukan suoritusaika on paljon lyhyempi kuin kytkentäjakso, laitteistomoduulia voidaan käyttää uudelleen toisen moottorin jännitteen laskemiseen. Tämä tarkoittaa, että laite voi tuottaa parempaa suorituskykyä samalla kustannuksella.
(1) Moottorinohjaus IP-moduuli. Kuvassa 3 on esitetty anturikenttäkohtainen ohjausalgoritmi, jota käsitellään tässä osassa ja joka on järjestetty IP-ytimeksi.
● PI-säädin. Suhteellinen-integraali (PI) -ohjain on takaisinkytkentämekanismi järjestelmän parametrien ohjaamiseksi. Siinä on kaksi säädettävää vahvistusparametria - suhteellinen ja integraalinen vahvistuksen vakio - jotka ohjaavat ohjaimen dynaamista vastausta. PI-säätäjän suhteellinen komponentti on verrannollisen vahvistuksen vakion ja virheen tulo, ja integraalinen komponentti on kumulatiivisen virheen ja integraalin vahvistuksen vakio. Nämä kaksi osaa lisätään yhteen. PI-ohjaimen integrointivaihe voi aiheuttaa järjestelmän epävakautta, koska datan arvot kasvavat hallitsemattomasti. Tätä hallitsematonta datan nousua kutsutaan integraaliseksi kyllästymiseksi, ja kaikki PI-ohjaimen toteutukset sisältävät jäätymätöntä mekanismia sen varmistamiseksi, että ohjaimen ulostulo on rajoitettu. Microsemin PI-ohjain-IP-moduuli käyttää pidättävän kyllästysalgoritmin anti-ravistamiseen. Tämä moduuli tarjoaa myös lisäominaisuuksia alkuperäisen lähtöarvon asettamiseksi.
• Field Oriented Control (FOC). FOC on algoritmi, joka tarjoaa moottorin optimaalisen virran määrittämällä ja ohjaamalla itsenäisesti vääntömomentti- ja magnetisointivirtakomponentteja. Kestomagneettisynkronimoottorissa (PMSM) roottoria on magnetoitu. Siksi moottoriin syötettyä virtaa käytetään vain vääntömomenttiin. FOC on laskennallisesti intensiivinen algoritmi, mutta Microsemin moottorinohjauksen referenssisuunnitelma on rakennettu laitteiden resurssien optimaaliseen käyttöön. FOC-algoritmi sisältää Clarke, Park, käänteinen Clarke ja käänteinen Park-muunnos.
● Kulman arvio. Yksi tulo FOC: lle on roottorin kulma. Roottorin kulman täsmällinen määrittäminen on välttämätöntä alhaisen virrankulutuksen varmistamiseksi. Fyysisten antureiden lisääminen sijaintiin ja nopeuteen lisää järjestelmän kustannuksia ja luotettavuutta. Sensorless-algoritmit auttavat poistamaan antureita, mutta lisäävät laskennallista monimutkaisuutta. Microsemi tarjoaa kaksi kulmamittausalgoritmia IP-moduuleja anturihavainnoille, jotka perustuvat Luenberger-tarkkailijalle ja muut perustuvat suoraan takaisin EMF-laskelmiin. Yhtiö tarjoaa myös erillisen referenssisuunnitelman, joka perustuu Hall-antureihin ja antureihin.
● PLL. PLL: ää käytetään signaalien synkronointiin ja se on käyttökelpoinen monissa sovelluksissa, kuten taajuusmuuttajan kulman estimointi ja verkkoyhteyden synkronointi.
● Arvonrajoitin. Korkorajoitusmoduuli voi toteuttaa sujuvat muutokset järjestelmän muuttujiin tai tuloihin. Esimerkiksi moottorin ohjausjärjestelmässä, jos moottorin vaatima nopeus muuttuu äkillisesti, järjestelmä voi muuttua epävakaaksi. Tällaisten tilanteiden välttämiseksi nopeuden rajoitinmoduulia käytetään siirtymään aloitusnopeudesta haluttuun nopeuteen. Korkorajoitusmoduuli voidaan konfiguroida säätämään muutosnopeutta.
● Avaruusvektorin modulaatio. Avaruusvektorin modulaatiomoduuli parantaa DC-väylän käyttöä ja eliminoi lyhyet pulsseja transistorikytkimistä. Koska transistorin käynnistys- / sammutusaika on pitempi kuin pulssin kesto, lyhyet pulssit voivat aiheuttaa väärän kytkentäkäyttäytymisen.
● Kolmivaiheinen PWM-sukupolvi. Kaikkien laskelmien lopussa on saatavana kolmivaiheinen moottorijännite. Näitä jännitteitä käytetään generoimaan transistorin kytkentäsignaalit invertterissa. PWM-moduuli tuottaa kytkentäsignaaleja kuudelle (kolmelle suuren puolen ja kolmen matalan sivun) transistorille, joilla on edistyksellisiä ominaisuuksia, kuten kuolleen ajan ja viiveajan asettaminen. Ohjelmoitava kuolleiden lisäysominaisuus auttaa välttää invertterinappeja katastrofaaliset oikosulkut. Ohjelmoitava viiveajan lisäysominaisuus mahdollistaa ADC-mittausten synkronoinnin PWM-signaalin generoinnin kanssa. Moduuli voidaan konfiguroida toimimaan sellaisen invertterin kanssa, joka koostuu vain N-MOSFET- tai invertterista, jotka käsittävät sekä N-MOSFET: ää että P-MOSFET: ää.
(2) Debug FPGA-suunnittelu SoC. Yleensä mikrokontrollerin suunnittelun virheenkorjaus on suhteellisen yksinkertaisempi kuin FPGA: n virheenkorjaus. SoCsissa voit hyödyntää FPGA-suorituskykyä samalla, kun säilytetään edut nopeamman virheenkorjauksen suorittamisessa mikrokontrollereissa. Mikrokontrollerialijärjestelmä ja FPGA-arkkitehtuuri MicroSemitech SmartFusion2 SoCFPGA: ssa voivat viestiä toistensa kanssa AMBAAPB- tai AXI-väylän kautta. Tämä mahdollistaa testitiedot injektoitavaksi FPGA-kudoksi tai virheenkorjaustiedot FPGA-kudoksesta, jotta voidaan visualisoida sisäisiä tietoja ajon aikana ja reaaliaikaiseen virheenkorjaukseen. Firmware-koodia voidaan käyttää yhdellä askeleella, ja voidaan määrittää koodilla FpoP-rekisteritiedot.
SmartFusion2 SoCFPGA: n perustuva moniakselinen moottorinohjausratkaisu on kytketty isäntätietokoneeseen USB: n välityksellä ja kommunikoi graafisen käyttöliittymän (GUI) kanssa moottorin käynnistämiseen / pysäyttämiseen, moottorin nopeusarvojen ja muiden järjestelmän parametrien määrittämiseen ja piirtää jopa neljä järjestelmän muuttujia, kuten moottorin nopeutta, moottorivirtaa ja roottorin kulmaa (kuva 4).
(3) ekosysteemi. Microsemi tarjoaa runsaasti IP-kirjastoja, mukaan lukien useita aikaisemmin käsiteltyjä moottorin ohjaustoimintoja. Nämä moduulit voidaan helposti räätälöidä ja ne voidaan siirtää Microsemi-laitteissa. Nämä moduulit voidaan konfiguroida graafisesti ja yhdistää niitä käyttäen LiberoSoC-ohjelmiston SmartDesign-työkalua. Näiden IP-lohkojen avulla suunnittelijat voivat merkittävästi vähentää aikaa, joka tarvitaan moottorinohjausalgoritmien toteuttamiseen FPGA: ssa.
Nämä IP-moduulit on testattu moottoreilla, jotka toimivat jopa 30 000 r / min ja 200 kHz: n kytkentätaajuudella.
Teollisuusviestintäprotokolla
Teollisuuden verkkojen kehittyminen on korvata pistekohtainen viestintä nopeamman verkkoviestinnän avulla. Tällaisen suurten nopeuksien viestinnän saavuttaminen edellyttää suurempaa kaistanleveyttä, mikä ei ole helppoa mikrokontrollereille tai DSP: lle, jotka käsittelevät samanaikaisesti moottorinohjausalgoritmeja. Useimmissa tapauksissa ylimääräinen mikrokontrolleri tai FPGA käytetään kommunikointiin kunkin moottorin ohjaimen kanssa. Yleisesti käytettyjä Ethernet-pohjaisia protokollia ovat edelleen kehittyvät PROFINET-, EtherNet / IP- ja EtherCAT-standardit. Muita protokollia ovat CAN ja Modbus. SoC: n käyttö tässä tapauksessa on tukea useita Industrial Ethernet protokollan standardeja yhdelle FPGA-alustalle.
Riippuen loppujärjestelmän tavoitteista, järjestelmän kustannukset voidaan optimoida uudelleenkäyttämällä IP- ja protokollapinoja (tiedonsiirtoa varten) tai rajamalla huolellisesti laitteiston (FPGA) ja ohjelmiston (ARMCortex-M3 osajärjestelmä) toiminnot.
Microsemin SmartFusion2 FPGAssa on sisäänrakennettu CAN, nopea USB- ja Gigabit Ethernet -moduuli osana mikrokontrollerialijärjestelmää. Suurten nopeuksien SERDES-moduulia käytetään sarjadatan siirtoon liittyvien protokollien toteuttamiseen.
turvallisuus
SmartFusion2 SoCFPGA -laitteessa on useita suunnittelu- ja tietoturvaominaisuuksia. Suunnittelun turvaominaisuudet, kuten DPA-sertifiointi, suojaavat suojausominaisuuksia ja salausominaisuuksia, voivat auttaa suojaamaan asiakkaiden henkistä omaisuutta. SoCFPGA-laitteisiin kuuluvat myös tietoturvaominaisuudet, kuten ECC-laitteiston kiihdyttimet, AES-128/256 ja SHA-256-palvelut. Tietoturvaa varten voidaan käyttää EnforcITIPSuite- ja CodeSEAL-ohjelmistopakettiosia. EnforcITIP sisältää muokattavan ytimen (kuten netlist), joka siirtää suojauskerroksen tehokkaasti laitteistoon. CodeSEAL injektoi vastatoimenpiteet laiteohjelmistoon, sitä voidaan käyttää itsenäisesti tai käyttää lisäyksinä EnforcIT: lle.
Protokollien joustavuus antaa suunnittelijoille mahdollisuuden käyttää useita tietoturvaratkaisuja, jotka auttavat varmistamaan keskusvalvontaohjaimelta tulevat tiedot.
luotettavuus
Turvallisuusstandardien kasvu useilla markkinoilla lisää suurta luotettavuutta. SmartFusion2 on suunniteltu vastaamaan korkean käytettävyyden, turvallisuuden kannalta kriittisten ja kriittisten järjestelmien tarpeisiin. Seuraavassa on joitain SmartFusion2 SoCFPGA: n luotettavuusominaisuuksia.
(1) Yksittäisen tapahtuman häiriö (SEU) immuuni-nolla FIT-nopeuden määritys. Suuri luotettavuus edellyttää SEU: n immuuni-nollaa FIT-nopeuden FPGA-konfigurointia, SmartFusion2-arkkitehtuurilla on immuniteetiltaan alfa- tai neutronisäteilyä, koska se käyttää flash-muistia määrittämään matriisien ja logiikkalohkojen reititysmenetelmissä käytettävät transistorit. SRAM-pohjaisilla FPGAssa voi olla FIT (time-failure) -nopeus merenpinnalla 1k-4k, mikä on huomattavasti korkeampi 5 000 jalan korkeudella merenpinnan yläpuolella. Korkean luotettavuuden omaavat sovellukset voivat hyväksyä FIT-hinnat alle 20, joten SmartFusion 2 sopii näihin sovelluksiin.
(2) EDAC-suoja. SmartFusion2-laitteissa on virheen tunnistus- ja korjaus (EDAC) -ohjain, joka estää yhden tapahtuman jäljitysvirheet mikro-ohjainosajärjestelmän (MSS) muistissa.
(3) Ei ulkoista konfigurointilaitetta. Monimutkaisissa järjestelmissä, joissa on suuri määrä FPGA -laitteita, käyttämällä ulkoisesti konfiguroituja laitteita vähentää luotettavuutta. Virran kytkemisen yhteydessä FPGA: t ottavat aikaa konfiguroida, mikä esittelee suunnittelun monimutkaisuutta sovelluksissa, jotka käyttävät useita FPGA-laitteita. SmartFusion2 SoC FPGA sisältää laitteen sisällä olevan kokoonpanomuistin, mikä tarjoaa lisäetuna sen kytkemistä päälle, kun laite käynnistetään.
(4) sotilaslämpöluokan laitteet. SmartFusion2 SoCFPGA-laite testataan täydellisesti sotilaallisiin lämpötiloihin. Sotilastarvikelaatuilla on 10k ja 150k logiikkayksikköä, joilla on turvaominaisuudet ja tietoturvaominaisuudet, jotka mahdollistavat kryptografisten kiihdyttimien käytön.
Yhteenvetona
Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA käyttää useita erittäin optimoituja moottorinohjaus IP-lohkoja ja todistettuja viitemalleja tarjoamalla useita ominaisuuksia, jotka vähentävät teollisuusmallien TCO: ta. Asiakkaat, jotka siirtyvät mikro-ohjaimesta, voivat käyttää osaa vanhasta koodista ja FPGA-suunnittelijat pystyvät hyödyntämään FPGA-kangasta ja ARMCortex-M3-alijärjestelmää luomaan tehokas arkkitehtuuri, joka sallii moottorin ohjausmoduulin ja kommunikaatiomoduulin samanaikaisen asumisen yhdessä laitteessa. ARM Cortex-M3-mikro-ohjain-alijärjestelmän läsnäolo mahdollistaa joustavan suunnittelun ja älykkään osituksen samalla kun optimoidaan suorituskykyä ja kustannuksia. Mikro-ohjain-alijärjestelmä myös pistää ja tallentaa tietoja ajon aikana nopeuden FPGA-suunnittelun nopeuttamiseksi. SmartFusion2-alustalla on myös laaja valikoima vaihtoehtoja teollisuuden viestintäprotokollien käyttöön. Se tarjoaa myös useita suojausominaisuuksia suunnittelua ja tietoturvaa varten sekä ominaisuuksia, jotka täyttävät korkeat luotettavuusvaatimukset. SmartFusion2-laiteperheen tukena on voimakas ekosysteemituetuki, jonka avulla asiakkaat voivat kehittää teollisia ratkaisuja, joilla on mahdollisimman pieni TCO.
