Điều khiển động cơ đa trục

Điều khiển động cơ đa trục

Theo truyền thống, các ứng dụng điều khiển động cơ công nghiệp sử dụng vi điều khiển hoặc DSP để chạy các thuật toán phức tạp cần thiết cho điều khiển động cơ. Trong hầu hết các ổ đĩa công nghiệp truyền thống, các GPU được sử dụng với các bộ vi điều khiển hoặc DSP để thu thập dữ liệu và bảo vệ hành động nhanh. . Ngoài việc thu thập dữ liệu, tạo ra PWM và logic bảo vệ, theo truyền thống, các GPU không đóng vai trò chính trong việc thực hiện các thuật toán điều khiển động cơ.

Phương pháp thực hiện thuật toán điều khiển động cơ bằng vi điều khiển hoặc DSP không dễ dàng được mở rộng cho nhiều động cơ hoạt động ở tốc độ độc lập (điều khiển động cơ đa trục). Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA có thể được tích hợp và tích hợp với ổ đĩa động cơ đa trục sử dụng một thiết bị duy nhất. điều khiển

Kiểm soát có thể được chia thành hai phần. Một phần được sử dụng để chạy các thuật toán điều khiển hướng trường (FOC), điều khiển tốc độ, điều khiển hiện tại, ước tính tốc độ, ước tính vị trí và tạo ra PWM; phần khác bao gồm hồ sơ tốc độ, đặc điểm tải, kiểm soát quá trình và bảo vệ (lỗi và báo động). Việc thực hiện thuật toán FOC là rất quan trọng về thời gian và cần được thực hiện ở tốc độ lấy mẫu rất cao (trong phạm vi micro giây), đặc biệt đối với các động cơ tốc độ cao có độ tự cảm của stato thấp. Điều này làm cho việc triển khai các thuật toán FOC trong các GPU trở nên thuận lợi hơn. Kiểm soát quá trình, cấu hình tốc độ và các biện pháp bảo vệ khác không yêu cầu cập nhật nhanh, do đó chúng có thể được thực thi ở tốc độ mẫu thấp hơn (trong phạm vi mili giây) và có thể được lập trình trong hệ thống con Cortex-M3 tích hợp.

Thời gian chuyển đổi bóng bán dẫn đóng một vai trò quan trọng trong ổ đĩa. Nếu thời gian thực hiện vòng lặp FOC ngắn hơn nhiều so với thời gian chuyển mạch, mô-đun phần cứng có thể được sử dụng lại để tính điện áp của động cơ thứ hai. Điều này có nghĩa là thiết bị có thể cung cấp hiệu suất cao hơn với cùng chi phí.

(1) Mô-đun IP điều khiển động cơ. Hình 3 cho thấy thuật toán điều khiển hướng trường không cảm biến, được thảo luận trong phần này và được cung cấp dưới dạng lõi IP.

● Bộ điều khiển PI. Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân (PI) là một cơ chế phản hồi để kiểm soát các tham số hệ thống. Nó có hai tham số khuếch đại có thể điều chỉnh, hằng số khuếch đại tỷ lệ và tích phân có thể điều khiển đáp ứng động của bộ điều khiển. Thành phần tỷ lệ của bộ điều khiển PI là sản phẩm của hằng số khuếch đại tỷ lệ và đầu vào lỗi, và thành phần tích phân là sản phẩm của sai số tích lũy và hằng số khuếch đại tích phân. Hai thành phần này được thêm vào với nhau. Pha tích hợp của bộ điều khiển PI có thể gây mất ổn định trong hệ thống vì các giá trị dữ liệu tăng không kiểm soát được. Sự gia tăng dữ liệu không được kiểm soát này được gọi là bão hòa tích phân và tất cả các cài đặt bộ điều khiển PI bao gồm một cơ chế chống đông để đảm bảo rằng đầu ra của bộ điều khiển bị hạn chế. Mô-đun IP bộ điều khiển PI của microsemi sử dụng thuật toán giữ bão hòa để chống rung. Mô-đun này cũng cung cấp các tính năng bổ sung để đặt giá trị đầu ra ban đầu.

• Điều khiển hướng trường (FOC). FOC là một thuật toán cung cấp dòng điện tối ưu cho động cơ bằng cách xác định và kiểm soát độc lập các thành phần mô-men xoắn và từ hóa. Trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), rôto đã được từ hóa. Do đó, dòng điện cung cấp cho động cơ chỉ được sử dụng cho mô-men xoắn. FOC là một thuật toán chuyên sâu tính toán, nhưng thiết kế tham chiếu điều khiển động cơ của microsemi đã được xây dựng để sử dụng tối ưu tài nguyên thiết bị. Thuật toán FOC bao gồm Clarke, Park, Clarke nghịch đảo và biến đổi Park nghịch đảo.

● Ước tính góc. Một đầu vào cho FOC là góc rôto. Xác định chính xác góc rôto là điều cần thiết để đảm bảo tiêu thụ điện năng thấp. Thêm các cảm biến vật lý xác định vị trí và tốc độ làm tăng chi phí và độ tin cậy của hệ thống. Các thuật toán cảm biến giúp loại bỏ các cảm biến nhưng tăng độ phức tạp tính toán. Microsemi cung cấp hai mô-đun IP thuật toán tính toán góc cho điều khiển không cảm biến, một dựa trên người quan sát Luenberger và cái kia dựa trên tính toán EMF trực tiếp. Công ty cũng cung cấp một thiết kế tham chiếu riêng dựa trên các cảm biến và bộ mã hóa Hall.

● PLL. PLL được sử dụng để đồng bộ hóa tín hiệu và rất hữu ích trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như ước tính góc của biến tần và đồng bộ hóa lưới.

● Giới hạn tỷ lệ. Mô-đun giới hạn tốc độ có thể thực hiện các thay đổi trơn tru cho các biến hệ thống hoặc đầu vào. Ví dụ, trong một hệ thống điều khiển động cơ, nếu tốc độ mà động cơ yêu cầu đột ngột thay đổi, hệ thống có thể trở nên không ổn định. Để tránh những tình huống như vậy, mô-đun giới hạn tốc độ được sử dụng để chuyển từ tốc độ ban đầu sang tốc độ mong muốn. Mô-đun giới hạn tốc độ có thể được cấu hình để kiểm soát tốc độ thay đổi.

● Điều chế véc tơ không gian. Mô-đun điều chế vector không gian cải thiện việc sử dụng bus DC và loại bỏ các xung ngắn từ các công tắc bóng bán dẫn. Vì thời gian bật / tắt bóng bán dẫn dài hơn thời lượng xung, các xung ngắn có thể gây ra hành vi chuyển mạch không chính xác.

● Tạo ra ba pha PWM. Khi kết thúc tất cả các tính toán, điện áp động cơ ba pha có sẵn. Các điện áp này được sử dụng để tạo ra các tín hiệu chuyển mạch của các bóng bán dẫn trong biến tần. Mô-đun PWM tạo tín hiệu chuyển mạch cho sáu bóng bán dẫn (ba phía cao và ba phía thấp) với các tính năng nâng cao như thời gian chết và chèn thời gian trễ. Tính năng chèn thời gian chết có thể lập trình giúp tránh các mạch ngắn thảm khốc trên các chân biến tần. Tính năng chèn thời gian trễ có thể lập trình cho phép các phép đo ADC được đồng bộ hóa với việc tạo tín hiệu PWM. Mô-đun có thể được cấu hình để hoạt động với một biến tần chỉ bao gồm N-MOSFET hoặc biến tần bao gồm cả N-MOSFET và P-MOSFET.

(2) Gỡ lỗi thiết kế đồ họa trong SoC. Nhìn chung, việc gỡ lỗi một thiết kế trên vi điều khiển tương đối đơn giản hơn so với gỡ lỗi trên một đồ họa. Trong SoC, bạn có thể tận dụng hiệu suất cao của các GPU trong khi vẫn duy trì các lợi thế của việc gỡ lỗi nhanh hơn trong các bộ vi điều khiển. Hệ thống con vi điều khiển và kiến trúc FPGA trong microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA có thể giao tiếp với nhau thông qua bus AMBAAPB hoặc AXI. Điều này cho phép dữ liệu thử nghiệm được đưa vào cấu trúc đồ họa hoặc gỡ lỗi dữ liệu từ cấu trúc đồ họa để giúp trực quan hóa dữ liệu nội bộ cho thời gian chạy và để gỡ lỗi thời gian thực. Mã phần sụn có thể được chạy trong một bước duy nhất và các điểm dừng có thể được đặt trong mã để phân tích dữ liệu thanh ghi FPGA.

Giải pháp điều khiển động cơ đa trục dựa trên SmartFusion2 SoCFPGA được kết nối với PC chủ thông qua USB và giao tiếp với giao diện người dùng đồ họa (GUI) để khởi động / dừng động cơ, đặt giá trị tốc độ động cơ và các tham số hệ thống khác và rút ra bốn các biến hệ thống, chẳng hạn như tốc độ động cơ, dòng điện động cơ và góc rôto (Hình 4).

(3) Hệ sinh thái. Microsemi cung cấp một bộ thư viện IP phong phú, bao gồm một số chức năng điều khiển động cơ đã thảo luận trước đó. Các mô-đun này có thể dễ dàng tùy chỉnh và có thể được chuyển trong các thiết bị microsemi. Các mô-đun này có thể được cấu hình và kết nối bằng đồ họa bằng công cụ SmartDesign của phần mềm LiberoSoC. Với các khối IP này, các nhà thiết kế có thể giảm đáng kể thời gian cần thiết để thực hiện các thuật toán điều khiển động cơ trong một đồ họa.

Các mô-đun IP này đã được thử nghiệm trên các động cơ chạy ở tốc độ lên tới 30.000 r / phút và tần số chuyển đổi 200 kHz.

Giao thức truyền thông công nghiệp

Xu hướng trong các mạng công nghiệp là thay thế giao tiếp điểm-điểm bằng cách sử dụng giao tiếp mạng nhanh hơn. Để đạt được truyền thông tốc độ cao như vậy đòi hỏi phải hỗ trợ băng thông cao hơn, điều này không dễ đối với các bộ vi điều khiển hoặc DSP xử lý đồng thời các thuật toán điều khiển động cơ. Trong hầu hết các trường hợp, một bộ vi điều khiển hoặc FPGA bổ sung được sử dụng để xử lý giao tiếp với mỗi bộ điều khiển động cơ. Các giao thức dựa trên Ethernet thường được sử dụng là các tiêu chuẩn PROFINET, EtherNet / IP và EtherCAT vẫn đang phát triển. Các giao thức khác bao gồm CAN và Modbus. Ưu điểm của việc sử dụng SoC trong trường hợp này là hỗ trợ nhiều chuẩn giao thức Ethernet công nghiệp trên một nền tảng đồ họa đơn.

Tùy thuộc vào mục tiêu hệ thống cuối cùng, chi phí của hệ thống có thể được tối ưu hóa bằng cách sử dụng lại các ngăn xếp IP và giao thức (để liên lạc) hoặc bằng cách phân chia cẩn thận chức năng trong phần cứng (FPGA) và phần mềm (hệ thống con ARMCortex-M3).

Các SmartFusion2 của microsemi có các mô đun CAN, USB tốc độ cao và Gigabit Ethernet tích hợp như một phần của hệ thống con vi điều khiển. Mô-đun SERDES tốc độ cao được sử dụng để thực hiện các giao thức liên quan đến truyền dữ liệu nối tiếp.

an toàn

Thiết bị SmartFusion2 SoCFPGA có một số tính năng bảo mật dữ liệu và thiết kế. Thiết kế các tính năng bảo mật như các tính năng mã hóa và bảo vệ chống giả mạo chứng nhận DPA có thể giúp bảo vệ tài sản trí tuệ của khách hàng. Các thiết bị SoCFPGA cũng bao gồm các tính năng bảo mật dữ liệu như máy gia tốc phần cứng ECC, dịch vụ AES-128/256 và SHA-256. Để bảo mật dữ liệu, các thành phần bảo mật phần mềm EnforcITIPSuite và CodeSEAL có thể được sử dụng. EnforcITIP bao gồm một hạt nhân có thể tùy chỉnh (dưới dạng netlist) giúp chuyển lớp bảo mật sang phần cứng một cách hiệu quả. CodeSEAL tiêm các biện pháp đối phó vào phần sụn, có thể được sử dụng độc lập hoặc được sử dụng như một sự cải tiến cho EnforcIT.

Tính linh hoạt của việc thực hiện các giao thức cho phép các nhà thiết kế sử dụng nhiều lớp bảo mật để xác thực thông tin nhập từ bộ điều khiển giám sát trung tâm.

độ tin cậy

Sự tăng trưởng của các tiêu chuẩn bảo mật trên nhiều thị trường thúc đẩy nhu cầu về độ tin cậy cao. SmartFusion2 được thiết kế để đáp ứng nhu cầu về tính sẵn sàng cao, hệ thống quan trọng về bảo mật và nhiệm vụ quan trọng. Sau đây là một số tính năng đáng tin cậy được cung cấp bởi SmartFusion2 SoCFPGA.

(1) Cấu hình tỷ lệ FIT miễn dịch một lần (SEU) không có sự kiện. Hoạt động có độ tin cậy cao đòi hỏi cấu hình FIT tốc độ FIT bằng 0, cấu trúc SmartFusion2 có khả năng miễn nhiễm với bức xạ alpha hoặc neutron vì nó sử dụng bộ nhớ flash để cấu hình các bóng bán dẫn được sử dụng trong ma trận định tuyến và khối logic. Các GPU dựa trên SRAM có thể có tốc độ FIT (thất bại thời gian) ở mực nước biển từ 1k đến 4k, cao hơn nhiều ở độ cao 5.000 feet so với mực nước biển. Các ứng dụng có độ tin cậy cao có thể chấp nhận tỷ lệ FIT dưới 20, làm cho SmartFusion 2 trở nên lý tưởng cho các ứng dụng này.

(2) Bảo vệ EDAC. Các thiết bị SmartFusion2 có bộ điều khiển Phát hiện và Sửa lỗi (EDAC) để ngăn các lỗi cuộn qua sự kiện đơn trong bộ nhớ hệ thống con vi điều khiển (MSS).

(3) Không có thiết bị cấu hình bên ngoài. Trong các hệ thống phức tạp với số lượng lớn các GPU, sử dụng các thiết bị được cấu hình bên ngoài sẽ làm giảm độ tin cậy. Khi bật nguồn, các GPU cần có thời gian để cấu hình, điều này đưa ra sự phức tạp trong thiết kế trong các ứng dụng sử dụng nhiều thiết bị FPGA. SmartFusion2 SoC FPGA bao gồm bộ nhớ cấu hình bên trong thiết bị, cung cấp thêm lợi ích của việc bật nó khi thiết bị được bật nguồn.

(4) Thiết bị cấp nhiệt độ quân sự. Thiết bị SmartFusion2 SoCFPGA được kiểm tra đầy đủ các điều kiện nhiệt độ quân sự. Các thiết bị cấp quân sự có các đơn vị logic 10k và 150k với các tính năng bảo mật và tính năng bảo mật dữ liệu cho phép truy cập vào các máy gia tốc mật mã.

tóm lại

Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA sử dụng một số khối IP điều khiển động cơ được tối ưu hóa cao và thiết kế tham chiếu đã được chứng minh để cung cấp một số tính năng làm giảm TCO của kiểu dáng công nghiệp. Khách hàng di chuyển từ vi điều khiển sẽ có thể sử dụng lại một số mã cũ và các nhà thiết kế đồ họa sẽ có thể tận dụng cấu trúc đồ họa và hệ thống con ARMCortex-M3 để tạo ra một kiến trúc hiệu quả cho phép mô đun điều khiển động cơ và mô đun truyền thông cư trú đồng thời trong một thiết bị duy nhất. trong. Sự hiện diện của hệ thống con vi điều khiển ARM Cortex-M3 cho phép thiết kế linh hoạt và phân vùng thông minh trong khi tối ưu hóa hiệu suất và chi phí. Hệ thống con vi điều khiển cũng tiêm và ghi dữ liệu trong thời gian chạy để tăng tốc độ thiết kế gỡ lỗi. Nền tảng SmartFusion2 cũng cung cấp một loạt các tùy chọn để thực hiện các giao thức truyền thông công nghiệp. Nó cũng cung cấp nhiều tính năng bảo mật cho thiết kế và bảo mật dữ liệu, cũng như các tính năng đáp ứng yêu cầu độ tin cậy cao. Nhóm thiết bị SmartFusion2 được hỗ trợ bởi sự hỗ trợ hệ sinh thái mạnh mẽ để giúp khách hàng phát triển các giải pháp công nghiệp với TCO tối thiểu.