การควบคุมมอเตอร์หลายแกน

การควบคุมมอเตอร์หลายแกน

ตามเนื้อผ้าอุตสาหกรรมการใช้โปรแกรมควบคุมมอเตอร์ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์หรือ DSPs เพื่อเรียกใช้อัลกอริทึมที่ซับซ้อนที่จำเป็นสำหรับการควบคุมมอเตอร์ ในไดรฟ์อุตสาหกรรมทั่วไปส่วนใหญ่ FPGA จะใช้กับไมโครคอนโทรลเลอร์หรือ DSP สำหรับการเก็บข้อมูลและการป้องกันอย่างรวดเร็ว . นอกเหนือจากการเก็บข้อมูลการสร้าง PWM และตรรกะในการป้องกันแล้ว FPGAs ยังไม่มีบทบาทสำคัญในการใช้กลไกการควบคุมมอเตอร์

วิธีการใช้อัลกอริธึมการควบคุมมอเตอร์โดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์หรือ DSP ไม่ง่ายต่อการขยายไปยังมอเตอร์หลายตัวที่ทำงานด้วยความเร็วอิสระ (การควบคุมมอเตอร์แบบหลายแกน) Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA สามารถผสานรวมกับไดรฟ์มอเตอร์แบบหลายแกนโดยใช้อุปกรณ์ชิ้นเดียว ควบคุม

การควบคุมสามารถแบ่งออกเป็นสองส่วน ส่วนหนึ่งใช้ในการเรียกใช้อัลกอริทึมการควบคุมเชิงฟิลด์ (FOC) การควบคุมความเร็วการควบคุมปัจจุบันการประมาณความเร็วการประมาณตำแหน่งและการสร้าง PWM ส่วนอื่น ๆ ได้แก่ โปรไฟล์ความเร็วลักษณะการโหลดการควบคุมกระบวนการและการป้องกัน (ความผิดพลาดและสัญญาณเตือนภัย) การใช้อัลกอริธึม FOC เป็นเวลาที่สำคัญและต้องทำในอัตราการสุ่มตัวอย่างที่สูงมาก (ในช่วงไมโครวินาที) โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับมอเตอร์ความเร็วสูงที่มีการเหนี่ยวนำแบบสเตเตอร์ต่ำ นี้จะทำให้มันเป็นประโยชน์มากขึ้นในการใช้ขั้นตอนวิธี FOC ใน FPGAs การควบคุมกระบวนการโปรไฟล์ความเร็วและการป้องกันอื่น ๆ ไม่จำเป็นต้องมีการอัปเกรดอย่างรวดเร็วดังนั้นจึงสามารถใช้งานได้ในอัตราที่ต่ำกว่า (ในช่วงมิลลิวินาที) และสามารถตั้งโปรแกรมไว้ในระบบย่อย Cortex-M3 ในตัว

ช่วงเวลาการเปลี่ยนทรานิสิสเตอร์มีบทบาทสำคัญในไดรฟ์ ถ้าเวลาในการดำเนินการของห่วง FOC สั้นกว่าระยะเวลาการสลับโมดูลฮาร์ดแวร์สามารถใช้ซ้ำเพื่อคำนวณแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์ตัวที่สองได้ ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์สามารถให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นในราคาเดียวกัน

(1) โมดูล IP ควบคุมมอเตอร์ รูปที่ 3 แสดงขั้นตอนวิธีควบคุมแบบไม่ใช้เซนเซอร์ฟิลด์ซึ่งกล่าวถึงในส่วนนี้และมีให้เป็นแกน IP

●ตัวควบคุม PI คอนโทรลเลอร์แบบสัดส่วน (PI) เป็นกลไกข้อเสนอแนะในการควบคุมพารามิเตอร์ของระบบ มีสองค่าที่สามารถปรับค่าได้ - สัดส่วนและค่าคงที่ของค่าคงที่ - ซึ่งควบคุมการตอบสนองแบบไดนามิกของคอนโทรลเลอร์ คอมโพเนนต์สัดส่วนของตัวควบคุม PI คือผลคูณของค่าคงที่รับสัดส่วนและอินพุตข้อผิดพลาดและส่วนประกอบส่วนประกอบคือผลคูณของข้อผิดพลาดสะสมและค่าคงที่ค่าคงที่ ส่วนประกอบทั้งสองนี้ถูกรวมเข้าด้วยกัน เฟสการรวมกันของตัวควบคุม PI อาจทำให้เกิดความไม่มั่นคงในระบบเนื่องจากค่าข้อมูลจะเพิ่มขึ้นอย่างไม่สามารถควบคุมได้ การเพิ่มขึ้นของข้อมูลที่ไม่สามารถควบคุมได้เรียกว่าอิมมูไนซ์อิ่มตัวและการใช้งานตัวควบคุม PI ทั้งหมดรวมถึงกลไกการป้องกันการแช่แข็งเพื่อให้แน่ใจว่าเอาต์พุตของตัวควบคุมมี จำกัด โมดูล IP PI ของไมโครคอนโทรลเลอร์ PI ของ Microsemi ใช้อัลกอริธึมถือครองความเข้มในการป้องกันการสั่น โมดูลนี้ยังมีคุณสมบัติเพิ่มเติมเพื่อตั้งค่าเอาต์พุตเริ่มต้น

•การควบคุมเชิงพื้นที่ (FOC) FOC เป็นอัลกอริทึมที่ให้กระแสไฟฟ้าที่ดีที่สุดแก่มอเตอร์โดยการตรวจสอบและควบคุมแรงบิดและการจับกระแสชิ้นส่วนอย่างอิสระ ในมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) โรเตอร์ได้รับการ magnetized ดังนั้นกระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์จะใช้สำหรับแรงบิดเท่านั้น FOC เป็นอัลกอริทึมที่ใช้ความละเอียดสูง แต่ Microsemi ได้รับการออกแบบการอ้างอิงการควบคุมมอเตอร์ให้เหมาะสำหรับการใช้ทรัพยากรของอุปกรณ์ ขั้นตอนวิธี FOC ประกอบด้วย Clarke, Park, คลาร์กผกผันและผกผันการเปลี่ยนแปลงของ Park

●การประมาณมุม หนึ่งอินพุทไป FOC คือมุมโรเตอร์ การกำหนดมุมของโรเตอร์ถูกต้องเพื่อให้แน่ใจว่าการใช้พลังงานต่ำ การเพิ่มเซ็นเซอร์ทางกายภาพที่กำหนดตำแหน่งและความเร็วจะเพิ่มต้นทุนและความเชื่อถือได้ของระบบ อัลกอริธึม Sensorless ช่วยกำจัดเซ็นเซอร์ แต่เพิ่มความซับซ้อนในการคำนวณ Microsemi มีอัลกอริทึมการคำนวณมุมสองแบบสำหรับโมดูล IP สำหรับการควบคุมแบบไม่มีเซ็นเซอร์โดยอิงจากการสังเกตการณ์ Luenberger และอีกส่วนหนึ่งคือการคำนวณ EMF แบบตรงกลับ นอกจากนี้ บริษัท ยังมีการออกแบบอ้างอิงแยกตามฮอลล์เซนเซอร์และเครื่องเข้ารหัส

● PLL PLL ใช้สำหรับการซิงโครไนซ์สัญญาณและเป็นประโยชน์ในการใช้งานจำนวนมากเช่นการประมาณมุมของอินเวอร์เตอร์และการซิงโครไนส์ของตาราง

●ตัว จำกัด อัตรา โมดูลตัวจํากัดอัตราสามารถใช้การเปลี่ยนแปลงที่ราบรื่นกับตัวแปรหรืออินพุตของระบบ ตัวอย่างเช่นในระบบควบคุมมอเตอร์ถ้าความเร็วที่มอเตอร์ต้องการเปลี่ยนไปอย่างกะทันหันระบบอาจไม่เสถียร เพื่อหลีกเลี่ยงสถานการณ์เช่นนี้โมดูลตัว limiter อัตราจะใช้เพื่อเปลี่ยนจากความเร็วเริ่มต้นไปเป็นความเร็วที่ต้องการ โมดูลตัว limiter อัตราสามารถกำหนดค่าเพื่อควบคุมอัตราการเปลี่ยนแปลงได้

●การมอดูเลตเวกเตอร์อวกาศ โมดูลการมอดูเลตเวคเตอร์เวคเตอร์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานบัส DC และช่วยลดจังหวะสั้น ๆ จากสวิทช์ทรานซิสเตอร์ เนื่องจากเวลาเปิด / ปิดเครื่องทรานซิสเตอร์ยาวกว่าช่วงชีพจรพัลส์สั้น ๆ อาจทำให้เกิดพฤติกรรมการเปลี่ยนที่ไม่ถูกต้อง

●การสร้าง PWM แบบสามเฟส ในตอนท้ายของการคำนวณทั้งหมดจะมีแรงดันไฟฟ้าสามเฟสอยู่ แรงดันไฟฟ้าเหล่านี้ใช้ในการสร้างสัญญาณสลับของทรานซิสเตอร์ในอินเวอร์เตอร์ โมดูล PWM สร้างสัญญาณสลับสำหรับทรานซิสเตอร์ 6 ตัว (สามด้านสูงและสามด้านต่ำ) ด้วยคุณสมบัติขั้นสูงเช่นเวลาตายและการแทรกเวลาล่าช้า คุณลักษณะการแทรกเวลาตายแบบตั้งโปรแกรมช่วยป้องกันวงจรสั้น ๆ ที่เกิดจากความหายนะบนหมุดอินเวอร์เตอร์ คุณสมบัติการหน่วงเวลาการหน่วงเวลาที่ตั้งโปรแกรมช่วยให้การวัด ADC สามารถทำข้อมูลให้ตรงกับการสร้างสัญญาณ PWM ได้ โมดูลสามารถกำหนดค่าให้ทำงานร่วมกับอินเวอร์เตอร์ที่ประกอบด้วยเฉพาะ N-MOSFET หรืออินเวอร์เตอร์ที่ประกอบด้วยทั้ง N-MOSFET และ P-MOSFETs

(2) ดีบักการออกแบบ FPGA ใน SoC โดยทั่วไปการดีบักการออกแบบบนไมโครคอนโทรลเลอร์จะค่อนข้างง่ายกว่าการแก้จุดบกพร่องบน FPGA ใน SoCs คุณสามารถใช้ประโยชน์จากประสิทธิภาพสูงของ FPGAs ขณะที่ยังคงรักษาข้อดีของการดีบักได้เร็วขึ้นในไมโครคอนโทรลเลอร์ ระบบย่อยไมโครคอนโทรลเลอร์และสถาปัตยกรรม FPGA ใน Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA สามารถสื่อสารกันได้ผ่านบัส AMBAAPB หรือ AXI ซึ่งจะช่วยให้ข้อมูลการทดสอบสามารถถูกแทรกเข้าไปในผ้า FPGA หรือแก้ไขข้อบกพร่องข้อมูลจากผ้า FPGA เพื่อช่วยให้เห็นภาพข้อมูลภายในสำหรับรันไทม์และการแก้จุดบกพร่องแบบเรียลไทม์ รหัสเฟิร์มแวร์สามารถทำงานได้ในขั้นตอนเดียวและจุดสั่งหยุดสามารถตั้งค่าไว้ในรหัสเพื่อวิเคราะห์ข้อมูลการลงทะเบียน FPGA

โซลูชันการควบคุมมอเตอร์หลายแกนที่ใช้ SmartFusion2 SoCFPGA เชื่อมต่อกับเครื่องโฮสต์ผ่าน USB และสื่อสารกับส่วนติดต่อผู้ใช้แบบกราฟิก (GUI) เพื่อเริ่ม / หยุดมอเตอร์กำหนดค่าความเร็วมอเตอร์และพารามิเตอร์ระบบอื่น ๆ และวาดได้ถึงสี่ตัว ตัวแปรระบบเช่นความเร็วของมอเตอร์, กระแสมอเตอร์และมุมโรเตอร์ (รูปที่ 4)

(3) ระบบนิเวศ Microsemi มีชุดห้องสมุดทรัพย์สินทางปัญญามากมายรวมถึงฟังก์ชั่นการควบคุมมอเตอร์หลายตัวที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ โมดูลเหล่านี้สามารถปรับแต่งได้โดยง่ายและสามารถเคลื่อนย้ายได้ในอุปกรณ์ Microsemi โมดูลเหล่านี้สามารถกำหนดค่าแบบกราฟิกและเชื่อมต่อโดยใช้เครื่องมือ SmartDesign ของซอฟต์แวร์ LiberoSoC ด้วยบล็อก IP เหล่านี้นักออกแบบสามารถลดเวลาที่ต้องใช้ขั้นตอนวิธีการควบคุมมอเตอร์ใน FPGA ได้อย่างมาก

โมดูล IP เหล่านี้ได้รับการทดสอบบนมอเตอร์ที่ใช้งานได้ถึง 30,000 รอบต่อนาทีและความถี่การสลับความถี่ 200 kHz

โปรโตคอลการสื่อสารอุตสาหกรรม

แนวโน้มในเครือข่ายอุตสาหกรรมคือการเปลี่ยนการสื่อสารแบบจุดต่อจุดโดยใช้การสื่อสารเครือข่ายได้เร็วขึ้น การบรรลุการสื่อสารความเร็วสูงเช่นต้องการการสนับสนุนแบนด์วิธที่สูงขึ้นซึ่งไม่ใช่เรื่องง่ายสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์หรือ DSP ที่ใช้ขั้นตอนวิธีการควบคุมมอเตอร์ร่วมกัน ในกรณีส่วนใหญ่ไมโครคอนโทรลเลอร์หรือ FPGA เพิ่มเติมจะใช้เพื่อจัดการการสื่อสารกับตัวควบคุมมอเตอร์แต่ละตัว โปรโตคอลที่ใช้กันทั่วไปของ Ethernet คือโปรโตคอล PROFINET, EtherNet / IP และ EtherCAT ซึ่งยังคงพัฒนาอยู่ โปรโตคอลอื่น ๆ ได้แก่ CAN และ Modbus ข้อได้เปรียบของการใช้ SoCs ในกรณีนี้คือการสนับสนุนมาตรฐานโปรโตคอลอุตสาหกรรมหลายชนิดบนแพลตฟอร์ม FPGA แบบเดียว

ขึ้นอยู่กับเป้าหมายระบบสิ้นค่าใช้จ่ายของระบบสามารถปรับให้เหมาะกับการใช้งาน IP และโปรโตคอลสแต็ค (สำหรับการสื่อสาร) หรือโดยการกำหนดฟังก์ชันการทำงานของฮาร์ดแวร์ (FPGA) และซอฟต์แวร์ (ARMCortex-M3) อย่างรอบคอบ

SmartFusion2 FPGAs ของ Microsemi มี CAN, USB ความเร็วสูงและโมดูล Gigabit Ethernet ในตัวซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของระบบย่อยของไมโครคอนโทรลเลอร์ โมดูล SERDES ความเร็วสูงใช้เพื่อใช้โปรโตคอลที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนข้อมูลแบบอนุกรม

ความปลอดภัย

อุปกรณ์ SmartFusion2 SoCFPGA มีคุณสมบัติด้านการออกแบบและการรักษาความปลอดภัยข้อมูลหลายอย่าง คุณลักษณะด้านความปลอดภัยด้านการออกแบบเช่นการป้องกันการปลอมแปลงเอกสารและการเข้ารหัสลับของ DPA สามารถช่วยปกป้องทรัพย์สินทางปัญญาของลูกค้าได้ อุปกรณ์ SoCFPGA ยังรวมถึงคุณลักษณะด้านความปลอดภัยข้อมูลเช่นเครื่องเร่งฮาร์ดแวร์ ECC, บริการ AES-128/256 และ SHA-256 สำหรับความปลอดภัยของข้อมูลสามารถใช้ส่วนประกอบด้านความปลอดภัยของซอฟต์แวร์ EnforcITIPSuite และ CodeSEAL EnforcITIP ประกอบด้วยเคอร์เนลที่ปรับแต่งได้ (เป็น netlist) ที่ช่วยย้ายเลเยอร์ความปลอดภัยไปยังฮาร์ดแวร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ CodeSEAL สามารถตอบโต้การตอบโต้ในเฟิร์มแวร์ได้อย่างอิสระหรือใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของ EnforcIT

ความยืดหยุ่นในการใช้โปรโตคอลช่วยให้นักออกแบบสามารถใช้การรักษาความปลอดภัยหลายชั้นเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูลที่ป้อนจากตัวควบคุมการตรวจสอบส่วนกลาง

ความเชื่อถือได้

การเติบโตของมาตรฐานการรักษาความปลอดภัยในหลายประเทศทำให้เกิดความต้องการความน่าเชื่อถือสูง SmartFusion2 ได้รับการออกแบบเพื่อตอบสนองความต้องการระบบความพร้อมใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูงระบบรักษาความปลอดภัยที่สำคัญและระบบภารกิจที่สำคัญ ต่อไปนี้คือคุณลักษณะบางอย่างที่น่าเชื่อถือที่นำเสนอโดย SmartFusion2 SoCFPGA

(1) การตั้งค่าอัตรา FIT ของสภาวะภูมิคุ้มกันแบบศูนย์เดียว (SEU) การทำงานของความน่าเชื่อถือสูงต้องมีค่าเป็นศูนย์ภูมิคุ้มกันจากรังสีอัลฟ่าหรือนิวตรอนเพราะใช้หน่วยความจำแฟลชเพื่อกำหนดค่าทรานซิสเตอร์ที่ใช้ในการแม็ปเมทริกซ์และบล็อกลอจิก SRGA-based FPGAs สามารถมีอัตรา FIT (time-failure) ที่ระดับน้ำทะเลตั้งแต่ 1k ถึง 4k ซึ่งสูงกว่าระดับน้ำทะเลมากถึง 5,000 ฟุต แอพพลิเคชั่นความน่าเชื่อถือสูงสามารถรับอัตรา FIT ต่ำกว่า 20 ทำให้ SmartFusion 2 เหมาะสำหรับแอพพลิเคชันเหล่านี้

(2) การป้องกัน EDAC อุปกรณ์ SmartFusion2 มีตัวควบคุมการตรวจจับและแก้ไขข้อผิดพลาด (EDAC) ซึ่งช่วยป้องกันปัญหาข้อผิดพลาดแบบโรลโอเวอร์เหตุการณ์เดียวในหน่วยความจำระบบย่อยไมโครคอนโทรลเลอร์ (MSS)

(3) ไม่มีอุปกรณ์กำหนดค่าภายนอก ในระบบที่ซับซ้อนซึ่งมี FPGA จำนวนมากการใช้อุปกรณ์ที่กำหนดค่าจากภายนอกช่วยลดความน่าเชื่อถือ เมื่อเปิดเครื่องขึ้น FPGA จะใช้เวลาในการกำหนดค่าซึ่งจะนำเสนอความซับซ้อนในการออกแบบแอพพลิเคชันที่ใช้อุปกรณ์ FPGA หลายตัว SmartFusion2 SoC FPGA มีหน่วยความจำภายในอุปกรณ์ซึ่งจะเพิ่มประโยชน์ในการเปิดเครื่องเมื่ออุปกรณ์ถูกขับเคลื่อน

(4) อุปกรณ์ระดับอุณหภูมิทางทหาร อุปกรณ์ SmartFusion2 SoCFPGA ได้รับการทดสอบอย่างเต็มที่สำหรับสภาวะอุณหภูมิของทหาร อุปกรณ์ทางทหารมีหน่วยประมวลผล 10k และ 150k พร้อมด้วยคุณลักษณะด้านความปลอดภัยและคุณลักษณะด้านความปลอดภัยข้อมูลที่ช่วยให้สามารถเข้าถึงตัวเร่งการเข้ารหัสลับได้

สรุป

Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA ใช้บล็อกควบคุมมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงหลายชิ้นและการออกแบบอ้างอิงที่ได้รับการพิสูจน์แล้วเพื่อให้คุณลักษณะหลายอย่างที่ลด TCO ของการออกแบบทางอุตสาหกรรม ลูกค้าที่โยกย้ายจากไมโครคอนโทรลเลอร์จะสามารถใช้รหัสเก่าซ้ำได้และนักออกแบบ FPGA จะสามารถใช้ประโยชน์จากผ้า FPGA และระบบย่อย ARMCortex-M3 เพื่อสร้างสถาปัตยกรรมที่มีประสิทธิภาพซึ่งช่วยให้โมดูลควบคุมมอเตอร์และโมดูลการสื่อสารสามารถทำงานพร้อมกันได้ ในเครื่องเดียว in ระบบย่อยไมโครคอนโทรลเลอร์ของ ARM Cortex-M3 ช่วยให้การออกแบบมีความยืดหยุ่นและแบ่งพาร์ติชันอัจฉริยะในขณะที่เพิ่มประสิทธิภาพและประสิทธิภาพ ระบบย่อยของไมโครคอนโทรลเลอร์ยังใช้ข้อมูลและบันทึกข้อมูลในขณะรันไทม์เพื่อเพิ่มความเร็วในการแก้ปัญหาการออกแบบ FPGA แพลตฟอร์ม SmartFusion2 มีหลากหลายทางเลือกสำหรับการใช้โปรโตคอลการสื่อสารอุตสาหกรรม นอกจากนี้ยังมีคุณลักษณะด้านความปลอดภัยหลายแบบสำหรับการออกแบบและการรักษาความปลอดภัยข้อมูลตลอดจนคุณลักษณะที่ตรงกับความต้องการความน่าเชื่อถือสูง ตระกูล SmartFusion2 ได้รับการสนับสนุนโดยการสนับสนุนระบบนิเวศที่มีประสิทธิภาพเพื่อช่วยลูกค้าในการพัฒนาโซลูชั่นอุตสาหกรรมที่มี TCO น้อยที่สุด