Control del motor de diversos eixos
Tradicionalment, les aplicacions de control de motors industrials utilitzen microcontroladors o DSP per executar els algorismes complexos requerits per al control del motor. En la majoria de les unitats industrials tradicionals, les FPGAs s'utilitzen amb microcontroladors o DSPs per a l'adquisició de dades i la protecció ràpida. . A més de l'adquisició de dades, la generació PWM i la lògica de protecció, les FPGA no han tingut un paper fonamental en la implementació d'algorismes de control de motors.
El mètode d'implementació d'un algorisme de control del motor mitjançant un microcontrolador o DSP no es pot estendre fàcilment a múltiples motors que funcionen a velocitats independents (control del motor de diversos eixos). El Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA pot integrar-se i integrar-se amb una unitat de motor multi-eix amb un únic dispositiu. control
El control es pot dividir en dues parts. Una part s'utilitza per executar algorismes de control orientats al camp (FOC), control de velocitat, control actual, estimació de velocitat, estimació de posició i generació de PWM; l'altra inclou perfils de velocitat, característiques de càrrega, control de processos i protecció (falles i alarmes). La implementació de l'algoritme FOC és de temps crític i s'ha de realitzar a taxes de mostreig molt elevades (en el rang de microsegons), especialment per a motors d'alta velocitat amb baixa inductància d'estator. Això fa que sigui més avantatjós implementar algorismes FOC en FPGAs. El control del procés, els perfils de velocitat i altres proteccions no requereixen actualitzacions ràpides, de manera que es poden executar a taxes de mostra més baixes (en el rang de mil·lisegons) i es poden programar en el subsistema Cortex-M3 incorporat.
El període de commutació del transistor juga un paper important en la unitat. Si el temps d'execució del bucle FOC és molt més curt que el període de commutació, el mòdul de maquinari es pot reutilitzar per calcular la tensió del segon motor. Això significa que el dispositiu pot oferir un rendiment superior al mateix cost.
(1) Mòdul IP de control de motors. La figura 3 mostra l'algoritme de control orientat a camp sensorless, que es descriu en aquesta secció i es proporciona com a nucli IP.
● Controlador PI. Un controlador proporcional-integral (PI) és un mecanisme de retroalimentació per controlar els paràmetres del sistema. Compta amb dos paràmetres d'augment ajustables: constants de guanys proporcionals i integrals que controlen la resposta dinàmica del controlador. El component proporcional del controlador PI és el producte de la constant de guany proporcional i l'entrada d'error, i el component integral és el producte de l'error acumulatiu i la constant de guany integral. Aquests dos components s'afegeixen. La fase d'integració del controlador PI pot provocar inestabilitat en el sistema perquè els valors de dades augmenten de forma incontrolable. Aquesta pujada no controlada de les dades s'anomena saturació integral, i totes les implementacions del controlador PI inclouen un mecanisme anticongelat per garantir que la sortida del controlador sigui limitada. El mòdul IP de controlador IP de Microsemi utilitza un algoritme de saturació per anti-agitació. Aquest mòdul també proporciona funcions addicionals per establir el valor de sortida inicial.
• Control Orientat a Camp (FOC). El FOC és un algoritme que proporciona una corrent òptima al motor determinant i controlant de manera independent els components actuals de torque i magnetització. En un motor síncron magnètic permanent (PMSM), el rotor s'ha magnetitzat. Per tant, el corrent subministrat al motor només s'utilitza per a parell. FOC és un algoritme computacionalment intensiu, però s'ha dissenyat el disseny de referència del control del motor Microsemi per a un ús òptim dels recursos del dispositiu. L'algoritme FOC inclou Clarke, Park, inversa Clarke, i transform inversa de Park.
● Estimació d'angle. Una entrada al FOC és l'angle del rotor. La determinació precisa de l'angle del rotor és essencial per garantir un baix consum d'energia. L'addició de sensors físics que determinen la posició i la velocitat augmenten el cost i la fiabilitat del sistema. Els algorismes sensorials ajuden a eliminar els sensors, però augmenten la complexitat computacional. Microsemi ofereix dos mòduls IP d'algoritme de càlcul d'angle per a control sense sensor, un basat en l'observador Luenberger i l'altre basat en càlculs EMF directes. La companyia també ofereix un disseny de referència independent basat en sensors i codificadors Hall.
● PLL. El PLL s'utilitza per sincronitzar senyals i és útil en moltes aplicacions, com ara l'estimació de l'angle de l'inversor i la sincronització de quadrícules.
● Limitador de tarifes. El mòdul limitador de velocitat pot implementar canvis suaus a les variables del sistema o a les entrades. Per exemple, en un sistema de control del motor, si la velocitat requerida pel motor canvia de manera sobtada, el sistema pot arribar a ser inestable. Per evitar aquestes situacions, el mòdul limitador de velocitat s'utilitza per passar de la velocitat inicial a la velocitat desitjada. El mòdul limitador de velocitat es pot configurar per controlar la velocitat de canvi.
● Modulació de vectors espacials. El mòdul de modulació de vectors espacials millora la utilització del bus DC i elimina els polsos curts dels interruptors de transistors. Atès que el temps d'encès / apagat del transistor és més llarg que la durada del pols, els polsos curts poden provocar un comportament de commutació incorrecte.
● Generació PWM trifàsica. Al final de tots els càlculs, hi ha una tensió motor trifàsica. Aquests voltatges s'utilitzen per generar senyals de commutació dels transistors en el convertidor. El mòdul PWM genera senyals de commutació per a transistors de sis (tres laterals d'alta i baixa) amb funcions avançades com ara el temps mort i la inserció del temps de retard. La funció d'inserció del temps mort no programable ajuda a evitar curtcircuits catastròfics a les agulles del convertidor. La funció d'inserció del temps de retard programable permet sincronitzar les mesures de ADC amb la generació de senyals PWM. El mòdul es pot configurar per operar amb un inversor que consta només de N-MOSFETs o d'un inversor que inclou tant N-MOSFETs com P-MOSFETs.
(2) Depura el disseny FPGA al SoC. En general, depurar un disseny en un microcontrolador és relativament més simple que depurar en una FPGA. A SoCs, podeu aprofitar l'alt rendiment de les FPGAs i mantenir els avantatges d'una depuració més ràpida de microcontroladors. El subsistema de microcontroladors i l'arquitectura FPGA a la Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA poden comunicar-se entre ells a través de l'autobús AMBAAPB o AXI. Això permet que les dades de les proves s'injoguin a la tela FPGA o es desactiven les dades de la tela FPGA per ajudar a visualitzar les dades internes del temps d'execució i la depuració en temps real. El codi del firmware es pot executar en un sol pas, i els punts d'interrupció es poden establir en el codi per analitzar les dades del registre FPGA.
La solució de control del motor de diversos eixos basada en SmartFusion2 SoCFPGA està connectada a la PC host mitjançant USB i es comunica amb la interfície gràfica d'usuari (GUI) per iniciar / aturar el motor, establir els valors de velocitat del motor i altres paràmetres del sistema i redactar fins a quatre variables del sistema, com la velocitat del motor, el corrent del motor i l'angle del rotor (Figura 4).
(3) Ecosistema. Microsemi ofereix un ric conjunt de biblioteques IP, incloent diverses funcions de control del motor que s'han tractat anteriorment. Aquests mòduls es poden personalitzar fàcilment i es poden portar a dispositius Microsemi. Aquests mòduls es poden configurar gràficament i connectar-se mitjançant l'eina SmartDesign del programari LiberoSoC. Amb aquests blocs IP, els dissenyadors poden reduir significativament el temps necessari per implementar algorismes de control del motor en una FPGA.
Aquests mòduls IP s'han provat en motors que funcionen amb una freqüència de commutació de fins a 30.000 r / min i 200 kHz.
Protocol de comunicació industrial
La tendència en les xarxes industrials és reemplaçar les comunicacions punt a punt mitjançant l'ús de comunicacions de xarxa més ràpides. L'assoliment d'aquestes comunicacions d'alta velocitat requereix suport per un ample de banda més alt, que no és fàcil per a microcontroladors o DSPs que processen simultàniament algoritmes de control del motor. En la majoria dels casos, un microcontrolador addicional o FPGA s'utilitza per gestionar la comunicació amb cada controlador del motor. Els protocols basats en Ethernet que s'utilitzen habitualment són els estàndards PROFINET, EtherNet / IP i EtherCAT, que encara evolucionen. Altres protocols inclouen CAN i Modbus. L'avantatge d'utilitzar SoCs en aquest cas és donar suport a múltiples estàndards de protocol Industrial Ethernet en una única plataforma FPGA.
Segons els objectius del sistema final, el cost del sistema es pot optimitzar mitjançant la reutilització de les piles d'IP i de protocol (per a la comunicació), o mitjançant la delimitació de la funcionalitat en el maquinari (FPGA) i el software (subsistema ARMCortex-M3) acuradament.
Les SmartParts de Microsemi de FPGA incorporen mòduls CAN, d'alta velocitat USB i Gigabit Ethernet com a part del subsistema de microcontroladors. El mòdul SERDES d'alta velocitat s'utilitza per implementar protocols que impliquin transferència de dades en sèrie.
seguretat
El dispositiu SmartFusion2 SoCFPGA té diverses funcions de seguretat de disseny i dades. Les característiques de seguretat de disseny, com ara la protecció contra la manipulació i la caracterització de la certificació DPA, poden ajudar a protegir la propietat intel·lectual dels clients. Els dispositius SoCFPGA també inclouen funcions de seguretat de dades com acceleradors de maquinari ECC, serveis AES-128/256 i SHA-256. Per a la seguretat de dades, es poden utilitzar els components de seguretat del programari EnforcITIPSuite i CodeSEAL. EnforcITIP inclou un kernel personalitzable (com una llista de xarxa) que efectivament mou la capa de seguretat al maquinari. CodeSEAL injecta contramesures al firmware, es pot utilitzar de forma independent, o utilitzar-lo com a millora per EnforcIT.
La flexibilitat dels protocols d'implementació permet als dissenyadors utilitzar diverses capes de seguretat per autenticar la informació que entra des d'un controlador de monitorització central.
fiabilitat
El creixement dels estàndards de seguretat en diversos mercats condueix a la demanda d'alta fiabilitat. SmartFusion2 està dissenyat per satisfer les necessitats d'alta disponibilitat, sistemes de seguretat crítics i de missió crítica. Les següents són algunes de les característiques de confiança que ofereix SmartFusion2 SoCFPGA.
(1) Configuració del tipus FIT zero immune zero (SEU). L'operació d'alta fiabilitat requereix una configuració FPGA de tipus SEU immune zero FIT, l'arquitectura SmartFusion2 té immunitat de radiació alfa o de neutrons perquè utilitza memòria flash per configurar els transistors utilitzats en matrius d'enrutament i blocs lògics. Les FPGA basades en SRAM poden tenir una velocitat FIT (fracàs horari) al nivell del mar de 1k a 4k, que és molt més alta a 5,000 peus sobre el nivell del mar. Les aplicacions d'alta fiabilitat poden acceptar tarifes FIT inferiors a 20, cosa que fa que SmartFusion 2 sigui ideal per a aquestes aplicacions.
(2) Protecció EDAC. Els dispositius SmartFusion2 compten amb un controlador de detecció i correcció d'errors (EDAC) que evita errors en la memòria del subsistema de microcontroladors (MSS) d'un sol esdeveniment.
(3) Cap dispositiu de configuració externa. En sistemes complexos amb una gran quantitat de FPGAs, l'ús de dispositius configurats externament redueix la fiabilitat. A l'alimentació, les FPGA prenen temps per configurar, que introdueix la complexitat del disseny en aplicacions que usen diversos dispositius FPGA. La SmartFusion2 SoC FPGA inclou la memòria de configuració a l'interior del dispositiu, que proporciona el benefici afegit d'activar-lo quan el dispositiu està encès.
(4) Dispositius de classe de temperatura militar. El dispositiu SmartFusion2 SoCFPGA està completament provat per a condicions de temperatura militar. Dispositius militars tenen unitats lògiques de 10 k i 150 k amb funcions de seguretat i característiques de seguretat de dades que permeten l'accés als acceleradors criptogràfics.
per concloure
El Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA utilitza diversos blocs IP de control del motor altament optimitzats i dissenys de referència provats per oferir diverses funcions que redueixen el TCO de dissenys industrials. Els clients que migren del microcontrolador podran reutilitzar alguns dels codis antics i els dissenyadors FPGA podran aprofitar el teixit FPGA i el subsistema ARMCortex-M3 per crear una arquitectura eficient que permeti que el mòdul de control del motor i el mòdul de comunicació resideixin simultàniament en un sol dispositiu. in. La presència del subsistema de microcontrolador ARM Cortex-M3 permet el disseny flexible i el particionament intel·ligent mentre optimitza el rendiment i el cost. El subsistema de microcontrolador també injecta i registra dades en temps d'execució per accelerar el disseny de depuració FPGA. La plataforma SmartFusion2 també ofereix una àmplia gamma d'opcions per implementar protocols de comunicació industrial. També proporciona múltiples funcions de seguretat per al disseny i la seguretat de dades, així com també les funcions que compleixen amb requisits d'alta fiabilitat. La família de dispositius SmartFusion2 està recolzada per un potent suport per ecosistemes que ajuda els clients a desenvolupar solucions industrials amb TCO mínim.
