Control de motor multieje

- Dec 03, 2018-

Control de motor multieje

Tradicionalmente, las aplicaciones de control de motores industriales utilizan microcontroladores o DSP para ejecutar los complejos algoritmos necesarios para el control de motores. En las unidades industriales más tradicionales, los FPGA se utilizan con microcontroladores o DSP para la adquisición de datos y la protección de acción rápida. . Además de la adquisición de datos, la generación de PWM y la lógica de protección, los FPGA tradicionalmente no han desempeñado un papel importante en la implementación de algoritmos de control de motores.

El método de implementación de un algoritmo de control de motor usando un microcontrolador o DSP no se extiende fácilmente a múltiples motores que operan a velocidades independientes (control de motor de ejes múltiples). El Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA se puede integrar e integrar con un motor de varios ejes con un solo dispositivo. controlar

El control se puede dividir en dos partes. Una parte se utiliza para ejecutar algoritmos de control orientado en campo (FOC), control de velocidad, control de corriente, estimación de velocidad, estimación de posición y generación de PWM; la otra parte incluye perfiles de velocidad, características de carga, control de proceso y protección (fallas y alarmas). La implementación del algoritmo FOC es crítica en el tiempo y debe realizarse a tasas de muestreo muy altas (en el rango de microsegundos), especialmente para motores de alta velocidad con baja inductancia del estator. Esto hace que sea más ventajoso implementar algoritmos FOC en FPGA. El control del proceso, los perfiles de velocidad y otras protecciones no requieren actualizaciones rápidas, por lo que pueden ejecutarse a frecuencias de muestreo más bajas (en el rango de milisegundos) y pueden programarse en el subsistema Cortex-M3 incorporado.

El período de conmutación del transistor juega un papel importante en la unidad. Si el tiempo de ejecución del bucle FOC es mucho más corto que el período de conmutación, el módulo de hardware puede reutilizarse para calcular el voltaje del segundo motor. Esto significa que el dispositivo puede ofrecer un mayor rendimiento al mismo costo.

(1) Módulo de control de motor IP. La Figura 3 muestra el algoritmo de control orientado al campo sin sensores, que se describe en esta sección y se proporciona como un núcleo IP.

● Controlador PI. Un controlador proporcional integral (PI) es un mecanismo de retroalimentación para controlar los parámetros del sistema. Tiene dos parámetros de ganancia ajustables, constantes de ganancia proporcional e integral, que controlan la respuesta dinámica del controlador. El componente proporcional del controlador PI es el producto de la constante de ganancia proporcional y la entrada de error, y el componente integral es el producto del error acumulativo y la constante de ganancia integral. Estos dos componentes se agregan juntos. La fase de integración del controlador PI puede causar inestabilidad en el sistema debido a que los valores de los datos aumentan sin control. Este aumento no controlado de los datos se denomina saturación integral, y todas las implementaciones del controlador PI incluyen un mecanismo anticongelante para garantizar que la salida del controlador sea limitada. El módulo IP del controlador PI de Microsemi utiliza un algoritmo de retención de saturación para evitar el temblor. Este módulo también proporciona características adicionales para establecer el valor de salida inicial.

• Control Orientado a Campo (FOC). El FOC es un algoritmo que proporciona una corriente óptima al motor mediante la determinación y el control independientes del par y los componentes de la corriente de magnetización. En un motor síncrono de imán permanente (PMSM), el rotor se ha magnetizado. Por lo tanto, la corriente suministrada al motor solo se utiliza para el par. FOC es un algoritmo de computación intensiva, pero el diseño de referencia de control del motor de Microsemi se ha creado para un uso óptimo de los recursos del dispositivo. El algoritmo FOC incluye Clarke, Park, Clarke inverso y transformada inversa de Park.

● Estimación de ángulos. Una entrada al FOC es el ángulo del rotor. La determinación precisa del ángulo del rotor es esencial para garantizar un bajo consumo de energía. La adición de sensores físicos que determinan la posición y la velocidad aumenta el costo y la confiabilidad del sistema. Los algoritmos sin sensores ayudan a eliminar sensores pero aumentan la complejidad computacional. Microsemi ofrece módulos IP de algoritmo de cálculo de dos ángulos para el control sin sensores: uno basado en el observador de Luenberger y el otro basado en cálculos de EMF de retroceso directo. La compañía también ofrece un diseño de referencia separado basado en sensores y codificadores Hall.

● PLL. El PLL se usa para sincronizar señales y es útil en muchas aplicaciones, como la estimación del ángulo del inversor y la sincronización de la red.

● Limitador de velocidad. El módulo limitador de frecuencia puede implementar cambios suaves en las variables o entradas del sistema. Por ejemplo, en un sistema de control de motor, si la velocidad requerida por el motor cambia repentinamente, el sistema puede volverse inestable. Para evitar tales situaciones, el módulo limitador de frecuencia se utiliza para pasar de la velocidad inicial a la velocidad deseada. El módulo limitador de frecuencia se puede configurar para controlar la tasa de cambio.

● Modulación vector espacial. El módulo de modulación de vector espacial mejora la utilización del bus de CC y elimina los pulsos cortos de los interruptores de transistores. Debido a que el tiempo de encendido / apagado del transistor es más largo que la duración del pulso, los pulsos cortos pueden causar un comportamiento de conmutación incorrecto.

● Generación trifásica de PWM. Al final de todos los cálculos, se encuentra disponible un voltaje de motor trifásico. Estos voltajes se utilizan para generar las señales de conmutación de los transistores en el inversor. El módulo PWM genera señales de conmutación para seis transistores (tres de lado alto y tres de lado bajo) con características avanzadas tales como el tiempo muerto y la inserción de tiempo de retardo. La función de inserción de tiempo muerto programable ayuda a evitar cortocircuitos catastróficos en los pines del inversor. La función de inserción de tiempo de retardo programable permite sincronizar las mediciones de ADC con la generación de señal PWM. El módulo se puede configurar para funcionar con un inversor que consiste solo en N-MOSFET o un inversor que comprende tanto N-MOSFET como P-MOSFET.

(2) Depurar el diseño de FPGA en el SoC. En general, la depuración de un diseño en un microcontrolador es relativamente más simple que la depuración en un FPGA. En SoCs, puede aprovechar el alto rendimiento de los FPGA mientras mantiene las ventajas de una depuración más rápida en los microcontroladores. El subsistema de microcontroladores y la arquitectura FPGA en Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA pueden comunicarse entre sí a través del bus AMBAAPB o AXI. Esto permite que los datos de prueba se inyecten en la estructura de FPGA o los datos de depuración de la estructura de FPGA para ayudar a visualizar los datos internos para el tiempo de ejecución y para la depuración en tiempo real. El código de firmware se puede ejecutar en un solo paso, y se pueden establecer puntos de interrupción en el código para analizar los datos del registro FPGA.

La solución de control de motores multieje basada en SmartFusion2 SoCFPGA se conecta a la PC host a través de USB y se comunica con la interfaz gráfica de usuario (GUI) para arrancar / detener el motor, configurar los valores de velocidad del motor y otros parámetros del sistema, y dibujar hasta cuatro variables del sistema, como la velocidad del motor, la corriente del motor y el ángulo del rotor (Figura 4).

(3) Ecosistema. Microsemi ofrece un amplio conjunto de bibliotecas de IP, incluidas varias funciones de control de motores que se analizaron anteriormente. Estos módulos se pueden personalizar fácilmente y se pueden portar en dispositivos Microsemi. Estos módulos se pueden configurar y conectar gráficamente mediante la herramienta SmartDesign del software LiberoSoC. Con estos bloques de IP, los diseñadores pueden reducir significativamente el tiempo requerido para implementar algoritmos de control de motores en un FPGA.

Estos módulos IP se han probado en motores que funcionan a una frecuencia de conmutación de hasta 30,000 r / min y 200 kHz.

Protocolo de comunicación industrial

La tendencia en las redes industriales es reemplazar las comunicaciones punto a punto utilizando comunicaciones de red más rápidas. Lograr tales comunicaciones de alta velocidad requiere soporte para un mayor ancho de banda, lo que no es fácil para los microcontroladores o DSP que procesan simultáneamente los algoritmos de control del motor. En la mayoría de los casos, se utiliza un microcontrolador adicional o FPGA para manejar la comunicación con cada controlador de motor. Los protocolos basados en Ethernet más utilizados son los estándares PROFINET, EtherNet / IP y EtherCAT, que aún están en evolución. Otros protocolos incluyen CAN y Modbus. La ventaja de usar SoC en este caso es que admite varios estándares de protocolo Industrial Ethernet en una única plataforma FPGA.

Dependiendo de los objetivos finales del sistema, el costo del sistema se puede optimizar reutilizando las pilas de protocolo e IP (para comunicación), o demarcando cuidadosamente la funcionalidad en hardware (FPGA) y software (subsistema ARMCortex-M3).

Los FPGA SmartFusion2 de Microsemi tienen módulos CAN, USB de alta velocidad y Gigabit Ethernet integrados como parte del subsistema de microcontroladores. El módulo SERDES de alta velocidad se utiliza para implementar protocolos que involucran la transferencia de datos en serie.

la seguridad

El dispositivo SmartFusion2 SoCFPGA tiene varias características de diseño y seguridad de datos. Diseñar funciones de seguridad como la protección contra la manipulación indebida y las características de cifrado de la certificación DPA puede ayudar a proteger la propiedad intelectual de los clientes. Los dispositivos SoCFPGA también incluyen características de seguridad de datos como aceleradores de hardware ECC, servicios AES-128/256 y SHA-256. Para la seguridad de los datos, se pueden utilizar los componentes de seguridad del software EnforcITIPSuite y CodeSEAL. EnforcITIP incluye un kernel personalizable (como una lista de redes) que mueve efectivamente la capa de seguridad al hardware. CodeSEAL inyecta contramedidas en el firmware, se puede utilizar de forma independiente o como una mejora de EnforcIT.

La flexibilidad de implementación de los protocolos permite a los diseñadores utilizar múltiples capas de seguridad para autenticar la información que ingresa desde un controlador de monitoreo central.

confiabilidad

El crecimiento de los estándares de seguridad en múltiples mercados impulsa la demanda de alta confiabilidad. SmartFusion2 está diseñado para satisfacer las necesidades de alta disponibilidad, seguridad crítica y sistemas de misión crítica. Las siguientes son algunas de las características de confiabilidad ofrecidas por SmartFusion2 SoCFPGA.

(1) Configuración de tasa de FIT de inmunización cero de evento único (SEU). La operación de alta confiabilidad requiere la configuración FPGA de la tasa de FIT cero inmune de SEU, la arquitectura SmartFusion2 tiene inmunidad contra la radiación alfa o de neutrones porque usa memoria flash para configurar los transistores utilizados en las matrices de enrutamiento y los bloques lógicos. Los FPGA basados en SRAM pueden tener una tasa de FIT (falla de tiempo) al nivel del mar de 1k a 4k, que es mucho mayor a 5,000 pies sobre el nivel del mar. Las aplicaciones de alta confiabilidad pueden aceptar tasas de FIT inferiores a 20, lo que hace que SmartFusion 2 sea ideal para estas aplicaciones.

(2) Protección EDAC. Los dispositivos SmartFusion2 cuentan con un controlador de detección y corrección de errores (EDAC) que evita los errores de reinversión de un solo evento en la memoria del subsistema del microcontrolador (MSS).

(3) Sin dispositivo de configuración externo. En sistemas complejos con un gran número de FPGA, el uso de dispositivos configurados externamente reduce la confiabilidad. En el momento del encendido, los FPGA tardan en configurarse, lo que introduce una complejidad de diseño en las aplicaciones que utilizan múltiples dispositivos FPGA. El SmartFusion2 SoC FPGA incluye memoria de configuración dentro del dispositivo, lo que brinda la ventaja adicional de encenderlo cuando se enciende el dispositivo.

(4) Dispositivos militares de clase de temperatura. El dispositivo SmartFusion2 SoCFPGA está completamente probado para condiciones de temperatura militar. Los dispositivos de grado militar tienen unidades lógicas de 10k y 150k con características de seguridad y características de seguridad de datos que permiten el acceso a aceleradores criptográficos.

para resumir

SmartFusion2 SoCFPGA de Microsemitech utiliza varios bloques IP de control de motores altamente optimizados y diseños de referencia probados para proporcionar varias características que reducen el TCO de los diseños industriales. Los clientes que migren desde el microcontrolador podrán reutilizar parte del código anterior, y los diseñadores de FPGA podrán aprovechar el tejido FPGA y el subsistema ARMCortex-M3 para crear una arquitectura eficiente que permita que el módulo de control del motor y el módulo de comunicación residan simultáneamente en un solo dispositivo. pulg. La presencia del subsistema de microcontrolador ARM Cortex-M3 permite un diseño flexible y una partición inteligente a la vez que optimiza el rendimiento y el costo. El subsistema de microcontroladores también inyecta y registra datos en tiempo de ejecución para acelerar el diseño de FPGA de depuración. La plataforma SmartFusion2 también ofrece una amplia gama de opciones para implementar protocolos de comunicación industrial. También proporciona múltiples funciones de seguridad para el diseño y la seguridad de los datos, así como características que cumplen con los requisitos de alta confiabilidad. La familia de dispositivos SmartFusion2 está respaldada por un poderoso soporte de ecosistemas para ayudar a los clientes a desarrollar soluciones industriales con un mínimo de TCO.



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