Daudzu asu motora vadība
Tradicionāli industriālie motora kontroles pielietojumi izmanto mikrokontrolleru vai DSP, lai palaistu sarežģītus algoritmus, kas nepieciešami motora vadībai. Vairumā tradicionālo rūpniecisko disku, FPGA izmanto ar mikrokontrolleru vai DSP datu iegūšanai un ātras darbības aizsardzībai. . Papildus datu iegūšanai, PWM ģenerācijai un aizsardzības loģikai, FPGA tradicionāli nav bijusi nozīmīga loma, īstenojot mehānisko vadības algoritmus.
Motora vadības algoritma ieviešanas metode, izmantojot mikrokontrolleru vai DSP, nav viegli paplašināta līdz vairākiem motoriem, kas darbojas ar neatkarīgu ātrumu (daudzu asu motora vadība). Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA var integrēt un integrēt ar daudzu asu motora piedziņu, izmantojot vienu ierīci. kontrole
Kontroli var sadalīt divās daļās. Vienu daļu izmanto, lai palaistu uz lauka orientētas vadības (FOC) algoritmus, ātruma kontroli, pašreizējo kontroli, ātruma novērtēšanu, atrašanās vietas noteikšanu un PWM ģenerēšanu; otra daļa ietver ātruma profilus, slodzes raksturlielumus, procesu kontroli un aizsardzību (defekti un trauksmes signāli). FOC algoritma ieviešana ir ļoti kritiska, un tā ir jāveic ļoti augstā paraugu ņemšanas frekvencē (mikrosekundes diapazonā), īpaši liela ātruma motoriem ar zemu statora induktivitāti. Tādējādi ir izdevīgāk ieviest FOC algoritmus FPGA. Procesa vadība, ātruma profili un citi aizsardzības līdzekļi neprasa ātru atjaunināšanu, tādēļ tos var izpildīt ar mazāku izlases ātrumu (milisekunžu diapazonā) un tos var ieprogrammēt iebūvētajā Cortex-M3 apakšsistēmā.
Transistora maiņas laikam ir liela nozīme piedziņā. Ja FOC cilpas izpildes laiks ir daudz īsāks nekā pārslēgšanās periods, aparatūras moduli var atkārtoti izmantot, lai aprēķinātu otrā motora spriegumu. Tas nozīmē, ka ierīce var nodrošināt augstāku veiktspēju ar vienādām izmaksām.
(1) Motora vadības IP modulis. 3. attēlā parādīts uz sensora lauku orientēta vadības algoritms, kas tiek apskatīts šajā sadaļā un tiek piedāvāts kā IP kodols.
● PI kontrolieris. Proporcionāli integrālis (PI) kontrolieris ir atgriezeniskās saites mehānisms, lai kontrolētu sistēmas parametrus. Tam ir divi regulējami stipruma parametru proporcionālie un integrāli iegūšanas konstantes, kas kontrolē datorsistēmas dinamisko atbildi. PI kontrollera proporcionālā sastāvdaļa ir proporcionālās stiprības konstantes un kļūdas ievades produkts, un neatņemama sastāvdaļa ir kumulatīvās kļūdas un integrāles pieauguma konstanta produkts. Šīs divas sastāvdaļas ir apvienotas. PI kontroliera integrācijas fāze var izraisīt nestabilitāti sistēmā, jo datu vērtības pieaug nekontrolējami. Šis nekontrolētais datu pieaugums tiek saukts par neatņemamu piesātinājumu, un visi PI kontroliera ieviešanas procesi ietver antifrīzu mehānismu, lai nodrošinātu, ka kontroliera produkcija ir ierobežota. Mikrosemi PI kontrolieris IP modulis izmanto pretsikstašanās algoritmu ar aizturēšanas piesātinājumu. Šis modulis arī nodrošina papildu funkcijas, lai iestatītu sākotnējo izvades vērtību.
• uz lauka orientēta kontrole (FOC). FOC ir algoritms, kas nodrošina motoram optimālu strāvu, neatkarīgi nosakot un vadot griezes momenta un magnija-momentācijas komponentus. Ar pastāvīga magnēta sinhrono motoru (PMSM) rotors ir magnētisks. Tādēļ motoram piegādāto strāvu izmanto tikai griezes momenta gadījumā. FOC ir skaitliski intensīvs algoritms, bet Microsemi motora vadības atsauces dizains ir būvēts, lai optimāli izmantotu ierīces resursus. FOC algoritms ietver Clarke, Park, apgriezto Clarke un inverse Park pārveidošanu.
● leņķa novērtējums. Viens ievads FOC ir rotora leņķis. Precīza rotora leņķa noteikšana ir būtiska, lai nodrošinātu mazu enerģijas patēriņu. Fizisko sensoru pievienošana, kas nosaka atrašanās vietu un ātrumu, palielina sistēmas izmaksas un uzticamību. Sensorless algoritmi palīdz noņemt sensorus, bet palielina skaitļošanas sarežģītību. Microsemi piedāvā divu leņķu aprēķināšanas algoritmu IP moduļus sensoru kontrolei - vienu, pamatojoties uz Luenberger novērotāju, bet otru - pamatojoties uz tiešajiem atpakaļ EMF aprēķiniem. Uzņēmums piedāvā arī atsevišķu atsauces dizainu, kura pamatā ir Hall sensori un kodētāji.
● PLL. PLL tiek izmantots signālu sinhronizēšanai, un tas ir noderīgs daudzās lietojumprogrammās, piemēram, invertora un režģa sinhronizācijas leņķa novērtējums.
● Tarifu ierobežotājs. Kursa ierobežotāja modulis var ieviest vienmērīgas sistēmas mainīgo vai ievades izmaiņas. Piemēram, motora kontroles sistēmā, ja motoram nepieciešamais ātrums pēkšņi mainās, sistēma var kļūt nestabila. Lai izvairītos no šādām situācijām, ātruma ierobežotāja modulis tiek izmantots, lai pārietu no sākotnējā ātruma uz vēlamo ātrumu. Kursa ierobežotāja moduli var konfigurēt, lai kontrolētu izmaiņu ātrumu.
● kosmosa vektora modulācija. Kosmosa vektora modulācijas modulis uzlabo DC autobusu izmantošanu un novērš īsus impulsus no tranzistoru slēdžiem. Tā kā tranzistora ieslēgšanās / izslēgšanās laiks ir garāks par impulsa ilgumu, īsie impulsi var izraisīt nepareizu komutācijas darbību.
● Trīsfāzu PWM paaudzes. Visu aprēķinu beigās ir pieejams trīsfāžu motora spriegums. Šos spriegumus izmanto, lai ģenerētu pārveidotāja tranzistoru komutācijas signālus. PWM modulis ģenerē pārslēgšanas signālus sešām (trīs augsta un trīs zemas puses) tranzistoriem ar uzlabotām funkcijām, piemēram, miršanas laiku un aiztures laika iestarpināšanu. Programmējamā miršanas laika ievietošanas funkcija palīdz izvairīties no katastrofālas īssavienojumiem uz invertora tapām. Programmējamā aiztures laika ievietošanas funkcija ļauj ADC mērījumus sinhronizēt ar PWM signāla ģenerēšanu. Moduli var konfigurēt darbībai ar invertoru, kas sastāv tikai no N-MOSFET vai invertora, kas satur gan N-MOSFET, gan P-MOSFET.
(2) Debug FPGA dizains SoC. Kopumā dizaina atkļūdošana uz mikrokontrolleru ir samērā vienkāršāka par atkļūdošanu uz FPGA. SoCs varat izmantot FPGA augstas veiktspējas priekšrocības, vienlaikus saglabājot mikrokontrolleru ātrākas atkļūdošanas priekšrocības. Mikrokontrolleru apakšsistēma un FPGA arhitektūra Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA var savstarpēji sazināties ar AMBAAPB vai AXI autobusu. Tas ļauj testēšanas datus injicēt FPGA audos vai atkļūdošanas datus no FPGA auduma, lai palīdzētu vizualizēt iekšējos datus izpildlaika laikā un reāllaika atkļūdošanu. Programmatūras kodu var palaist vienā solī, un kodā var iestatīt pārtraukuma punktus, lai analizētu FPGA reģistra datus.
Daudzfāzu motora vadības risinājums, kas balstīts uz SmartFusion2 SoCFPGA, ir pieslēgts saimniekdatoram ar USB palīdzību un sazinās ar grafisko lietotāja interfeisu (GUI), lai iedarbinātu / apturētu motoru, iestatītu motora ātruma vērtības un citus sistēmas parametrus un sagatavotu līdz četriem sistēmas mainīgie, piemēram, motora ātrums, motora strāva un rotora leņķis (4. attēls).
(3) Ekosistēma. Microsemi piedāvā bagātīgu IP bibliotēku komplektu, tostarp vairākas iepriekš aprakstītās mehāniskās vadības funkcijas. Šos moduļus var viegli pielāgot, un tos var pārnest uz Microsemi ierīcēm. Šos moduļus var grafiski konfigurēt un savienot, izmantojot LiberoSoC programmatūras SmartDesign rīku. Ar šiem IP blokiem, dizaineri var ievērojami samazināt laiku, kas nepieciešams, lai ieviestu motora vadības algoritmus FPGA.
Šie IP moduļi ir pārbaudīti ar motoriem ar ātrumu līdz 30 000 r / min un 200 kHz pārslēgšanās frekvenci.
Rūpniecisko sakaru protokols
Rūpniecisko tīklu tendence ir aizstāt "no punkta uz punktu" sakarus, izmantojot ātrākus tīkla sakarus. Šādu ātrdarbīgu sakaru sasniegšanai nepieciešams lielāks joslas platums, kas nav viegli mikrokontrolleru vai DSP, kas vienlaicīgi apstrādā mehānisko vadības algoritmus. Vairumā gadījumu, lai apstrādātu saziņu ar katru motora kontrolleri, tiek izmantots papildu mikrokontrolleris vai FPGA. Parasti lietotie Ethernet protokoli ir PROFINET, EtherNet / IP un EtherCAT standarti, kas joprojām attīstās. Citi protokoli ietver CAN un Modbus. SoC izmantošana šajā gadījumā ir atbalstīt vairākus Industrial Ethernet protokola standartus vienā FPGA platformā.
Atkarībā no gala sistēmas mērķiem, sistēmas izmaksas var optimizēt, atkārtoti izmantojot IP un protokola stekus (komunikācijai) vai rūpīgi demarkējot aparatūras (FPGA) un programmatūras (ARMCortex-M3 apakšsistēmas) funkcionalitāti.
Microsemi SmartFusion2 FPGA ir iebūvēti CAN, ātrgaitas USB un Gigabit Ethernet moduļi, kas ietilpst mikrokontrolleru apakšsistēmā. Ātrgaitas SERDES modulis tiek izmantots, lai ieviestu protokolus, kas ietver seriālo datu pārraidi.
drošība
SmartFusion2 SoCFPGA ierīcei ir vairākas dizaina un datu drošības funkcijas. Dizaina drošības elementi, piemēram, DPA sertifikācija pret aizsardzību pret iejaukšanos un šifrēšanas funkcijas, var palīdzēt aizsargāt klientu intelektuālo īpašumu. SoCFPGA ierīcēs ietilpst arī datu aizsardzības līdzekļi, piemēram, ECC aparatūras paātrinātāji, AES-128/256 un SHA-256 pakalpojumi. Datu drošības nolūkā var izmantot EnforcITIPSuite un CodeSEAL programmatūras drošības komponentus. EnforcITIP ietver pielāgojamu kodolu (kā netlist), kas efektīvi pārvieto drošības slāni uz aparatūru. CodeSEAL injicē pretpasākumus programmaparatūrā, var izmantot neatkarīgi vai izmantot kā EnforcIT papildinājumu.
Protokolu ieviešanas elastīgums ļauj dizaineriem izmantot vairākus drošības līmeņus, lai autentificētu informāciju, kas tiek ievadīta no centrālā pārraudzības kontrollera.
uzticamība
Drošības standartu pieaugums vairākos tirgos prasa augstu uzticamību. SmartFusion2 ir izstrādāts, lai apmierinātu augstās pieejamības, drošības kritiskās un kritiski svarīgās sistēmas. Tālāk ir sniegti daži SmartFusion2 SoCFPGA piedāvātie uzticamības līdzekļi.
(1) Viena notikuma sagrozīšana (SEU) imūno nulles FIT likmju konfigurācija. Augsta uzticamības veikšanai nepieciešama SEU imunitātes nulles FIT ātruma FPGA konfigurācija, SmartFusion2 arhitektūrai ir imunitāte pret alfa vai neitronu starojumu, jo tā izmanto flash atmiņu, lai konfigurētu maršrutēšanas matricās un loģikas blokos izmantotos tranzistorus. SRAM bāzes FPGA var būt FIT (time-failure) ātrums jūras līmenī no 1k līdz 4k, kas ir daudz augstāks 5000 pēdu augstumā virs jūras līmeņa. Augstas uzticamības programmas var pieņemt FIT likmes zem 20, padarot SmartFusion 2 ideālu šīm lietojumprogrammām.
(2) EDAC aizsardzība. SmartFusion2 ierīcēs ir Error Detection and Correction (EDAC) kontrolieris, kas novērš viena notikuma apgāšanās kļūdas mikrokontrolleru apakšsistēmas (MSS) atmiņā.
(3) Nav ārējās konfigurācijas ierīces. Komplicētās sistēmās ar lielu skaitu FPGA, izmantojot ārēji konfigurētas ierīces, samazina uzticamību. Pēc ieslēgšanas FPGA aizņem laiku, lai konfigurētu, kas ievieš dizaina sarežģītību programmās, kurās izmanto vairākas FPGA ierīces. SmartFusion2 SoC FPGA iekļauj ierīcē konfigurācijas atmiņu, kas nodrošina papildu ieguvumu, ieslēdzot to, kad ierīce ir ieslēgta.
(4) Militārās temperatūras klases ierīces. SmartFusion2 SoCFPGA ierīce ir pilnībā pārbaudīta militāro temperatūru apstākļos. Militārās klases ierīcēs ir 10k un 150k loģiskās vienības ar drošības elementiem un datu drošības elementiem, kas ļauj piekļūt kriptogrāfijas paātrinātājiem.
vārdu sakot
Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA izmanto vairākus augsti optimizētus motora kontroles IP blokus un pārbaudītus standarta modeļus, lai nodrošinātu vairākas pazīmes, kas samazina rūpnieciskā dizaina TCO. Klienti, kas migrē no mikrokontrolleru, varēs atkārtoti izmantot kādu no vecajiem kodiem, un FPGA izstrādātāji varēs izmantot FPGA audumu un ARMCortex-M3 apakšsistēmu, lai radītu efektīvu arhitektūru, kas ļauj vienlaikus uzturēt motora vadības moduli un sakaru moduli vienā ierīcē. ARM Cortex-M3 mikrokontrolleru apakšsistēmas klātbūtne nodrošina elastīgu dizainu un inteliģentu nodalīšanu, optimizējot veiktspēju un izmaksas. Arī mikrokontrolleru apakšsistēma injicē un uzskaita datus izpildes laikā, lai ātrāk atkārtotu FPGA dizainu. SmartFusion2 platforma piedāvā arī plašas iespējas rūpniecisko sakaru protokolu ieviešanai. Tas nodrošina arī vairākus drošības elementus dizaina un datu drošībai, kā arī funkcijas, kas atbilst augstām uzticamības prasībām. Ierīču SmartFusion2 saime tiek nodrošināta ar spēcīgu ekosistēmas atbalstu, lai palīdzētu klientiem izstrādāt rūpnieciskus risinājumus ar minimālu TCO.
