نقش پردازنده های سیگنال دیجیتال در کنترل پیشرفته قدرت

DSP در مقابل میکروکنترلرها در مقابل FPGA ها در کنترل قدرت

طراحان اغلب بین MCU، FPGA ها و DSP ها برای کنترل قدرت دیجیتال انتخاب می کنند.این تصمیم به سرعت حلقه، انعطاف پذیری و پیچیدگی توسعه بستگی دارد.

میکروکنترلرها (MCUs)

MCU های عمومی (به عنوان مثال، سری ARM Cortex-M) مقرون به صرفه و آسان برای برنامه هستند، اما واحدهای منطقی محاسباتی آنها (ALUs) معمولا فاقد سخت افزار MAC اختصاصی هستند، در حالی که برخی از MCU های مدرن شامل افزونه های DSP هستند، هسته هنوز برای کنترل جریان طراحی شده است نه ریاضی فشرده.

آرایه های دروازه قابل برنامه ریزی Field-P (FPGAs)

FPGA ها بالاترین عملکرد را ارائه می دهند زیرا منطق کنترل در سخت افزار موازی اجرا می شود، با این حال، توسعه FPGA نیاز به تخصص در زبان های توصیف سخت افزار (VHDL / Verilog) دارد و لایحه هزینه مواد به طور کلی بالاتر است. FPGAs در برنامه های کاربردی که نیاز به زمان حلقه های فوق العاده سریع (100 ns) یا طرح های سفارشی، اما برای اکثر صنعتی و منابع انرژی، و تلاش های اضافی توجیه شده است.

پردازنده های سیگنال دیجیتال (DSPs)

DSP یک زمین وسط را اشغال می کند: آنها ارائه نزدیک به برنامه ریزی محاسباتی برای الگوریتم های کنترل در حالی که حفظ سهولت توسعه نرم افزار معمول از MCUs. واحد MAC اختصاصی و محیط های On-chip اجازه می دهد یک واحد برای مدیریت حلقه های کنترل متعدد، پشته های ارتباطی (PMBus، I2C، اشپیگل)، و نظارت بر سیستم.

الگوریتم های کنترل هسته در DSP ها پیاده سازی شده اند

قدرت واقعی یک DSP زمانی آشکار می شود که اجرای استراتژی های کنترل پیشرفته که با مدارهای آنالوگ یا MCU های پایین غیر عملی خواهد بود.

Proportional-Integral-Derivative (PID) با ارتقاء دیجیتال

کنترل کننده های PID دیجیتال ستون فقرات اکثر حلقه های منبع برق هستند. A می تواند محاسبات PID را با ضدwindup، فیلترینگ مشتق شده و به دست آوردن برنامه ریزی در چند میکرو ثانیه. توانایی تنظیم ضریب در سیستم عامل، بدون تغییر سخت افزار، تنظیم سازگار را فعال می کند.

کنترل پیش بینی (مدل کنترل پیش بینی کننده – MPC)

MPC از یک مدل از مرحله قدرت برای پیش بینی رفتار آینده و انتخاب حالت های تعویض بهینه استفاده می کند در حالی که به طور محاسباتی فشرده است، DSP ها می توانند مشکلات بهینه سازی لازم را در محدوده میلی ثانیه برای تغییر فرکانس تا 20 کیلوهرتز حل کنند. MPC پاسخ سریع تر و تحریف کلی آسیب پذیری در مقایسه با PID معمولی را فراهم می کند.

فیلتر دیجیتال برای رد شدن سنسور نویز

سنسورهای فعلی و ولتاژ در دنیای واقعی، صدای را معرفی می کنند. DSP ها پاسخ های محرک FIR یا بی نهایت (IIR) را برای سیگنال های تمیز بدون حرکت یا حساسیت دما از فیلترهای آنالوگ پیاده سازی می کنند.این فیلترها به طور همزمان با نمونه گیری ADC اجرا می شوند و اطمینان از اینکه حلقه کنترل داده های بازخورد پاک را می بیند.

نرم افزار Layer-Locked Loop (PLL) برای اینورتر های Grid-Tied

در سیستم های انرژی تجدید پذیر، یک نرم افزار مبتنی بر DSP، اینورتر را با شبکه همگام می کند. پردازنده مرحله شبکه و فرکانس را با دقت بالا هدایت می کند، تزریق برق یکپارچه و توابع پشتیبانی شبکه را فعال می کند.

پیاده سازی واقعی: یک مثال اینورتر مرحله 3

یک اینورتر سه فاز 10 کیلووات برای یک سیستم فتوولتائیک خورشیدی در نظر بگیرید. DSP بازخورد از سنسورهای فعلی در هر مرحله و سنسور ولتاژ در اتوبوس DC دریافت می کند.

1. نمونه برداری - همزمان جریان فاز و ولتاژ اتوبوس را در 100 kS / هر یک ضبط می کند.
2. تحول هماهنگ - تبدیل جریان های ثابت α-β برای چرخش مختصات d-q با استفاده از یک PLL دیجیتال و جدول های نگاه سه ضلعی.
3. ] کنترل اجاره ( - دو کنترل کننده PI (د و q محور) ولتاژ مورد نیاز را محاسبه می کنند.
4. نسل - DSP چرخه های وظیفه را برای شش سوئیچ برق محاسبه می کند و آنها را به محیط PWM با قرار دادن زمان مرده بارگیری می کند.
5. قابلیت نظارت و حفاظت - بیش از حد، بیش از حد و آستانه دما بررسی هر چرخه.

تمام این مراحل در کمتر از 50 μs اجرا می شوند و اجازه می دهند یک فرکانس 20 کیلوهرتز بدون یک DSP، دستیابی به این عملکرد نیاز به اجزای متعدد یا یک FPGA بسیار گران تر داشته باشد.

مزایای کنترل قدرت مبتنی بر DSP

مزایای آن فراتر از سرعت خام است:

• انعطاف پذیری قابل توجه [FLT 1] - به روز رسانی برای کنترل پارامترها یا الگوریتم ها می تواند در این زمینه بدون تغییرات سخت افزاری مستقر شود.
• ] [بخش قرمز - DSP ها ADCs، DACs، PWM و رابط های ارتباطی را ادغام می کنند، اندازه و هزینه هیئت مدیره را کاهش می دهند.
• بهره وری بالا - الگوریتم های پیشرفته مانند کنترل پیش بینی و مقیاس ولتاژ پویا به حداقل رساندن زیان های تغییر.
• قابلیت اطمینان بهبود یافته - منطق دیجیتال کمتر مستعد حرکت دما و پیری جزء نسبت به معادل های آنالوگ است.
• تشخیص های تشخیصی و تله سنج - DSP می تواند تاریخ عملیاتی، حوادث خطا و داده های بهره وری را برای نگهداری پیش بینی شده وارد کند.