Miksi digitaaliset signaaliprosessorit ovat nykyajan virransyöttösuunnittelussa korvaamattomia

Virransyöttöjärjestelmät ovat kehittyneet paljon yksinkertaisempia lineaarisia säätimiä ja analogisia takaisinkytkentäsilmukoita pidemmälle. Tänään, kytkintila-teholähteet, keskeytymättömät virtalähteet, akun laturit ja uusiutuvan energian invertterit vaativat reaaliaikaista laskentaa, mukautuvaa valvontaa ja tehokasta toimintaa. Näiden hienostuneiden järjestelmien ytimessä istuu digitaalinen signaaliprosessori (DSP). Toisin kuin yleiskäyttöinen mikro-ohjain (MCU) tai kenttäohjelmoitava porttijärjestelmä (FPGA), DSP on arkkitehtonisesti optimoitu nopeisiin matemaattisiin toimintoihin, jotka edellyttävät ...

Sähköelektroniikan DSP-arkkitehtuurin ymmärtäminen

DSP on erikoistunut mikroprosessori rakennettu Harvard tai muutettu Harvardin arkkitehtuuri, jossa on erilliset linja-autot ohjelma- ja datamuisti. Tämä erottaminen mahdollistaa sirun hakea ohjeet ja lukea tai kirjoittaa tietoja yhden kellon sykli, dramaattisesti kiihdyttää laskentaa. Tärkeimmät arkkitehtoniset ominaisuudet, jotka tekevät DSP ihanteellinen virransyötön ohjaus sisältää:

  • Yksittäinen sykli, jossa on MAC-kertyviä yksiköitä[ .
  • Kilpipölyn pyöröpuskurit[ . ... .................................................................................................................................................................................................................................
  • Suora muistin käyttö (DMA) ohjaimet . ... ... offload data liikettä, joten ydin pysyy vapaana algoritmin suoritusta varten.
  • Monipuolinen analoginen digitaalimuunnin (ADC) liitännät .
  • Hiireen sirulla olevat pulssin leveyden modulaatio (PWM) oheislaitteet[ .

Nämä laitteisto lohkot toimivat yhdessä suorittaa ohjausalgoritmi kymmenissä mikrosekunnissa, jolloin kytkentätaajuuksia kymmenistä satoihin kilohertsiin. Yksityiskohtaisia arkkitehtuuriviitteitä, katso sovellusmuistiinpanoja Texas Instruments on C2000 reaaliaikainen ohjaimet[] tai [ Analog Devices. Analog DSP suorituskykyä digitaalinen teho.

DSP vs. mikrokontrollerit vs. FPGAs teho-ohjauksessa

Suunnittelijat valitsevat usein MCU:t, FPGA:t ja DSP:t digitaalisen tehonhallintaan. Päätös riippuu silmukkanopeudesta, joustavuudesta ja kehityksen monimutkaisuudesta.

Mikro-ohjaimet

Yleiskäyttöiset MCU-laitteet (esim. ARM Cortex-M-sarja) ovat kustannustehokkaita ja helppo ohjelmoida, mutta niiden aritmeettinen logiikkayksiköt (ALU) tyypillisesti puuttuvat omistettu MAC-laitteisto. Vaikka jotkut modernit MCU-laitteet sisältävät DSP-laajennuksia, ydin on edelleen suunniteltu ohjausvirtaa eikä intensiivistä matematiikkaa. Matala- tai keskikompleksinen teholähteet (esim. yksinkertainen takkimuuntimet keskinopeilla kytkentätaajuuksilla), MCU voi riittää.

Kenttäohjelmoitavat porttikaiteet (FPGA)

FPGA:t ovat suorituskykyisimpiä, koska ohjauslogiikka on toteutettu rinnakkaisissa laitteistoissa. FPGA:n kehittäminen edellyttää kuitenkin asiantuntemusta laitteiston kuvauskielistä (VHDL/Verilog), ja materiaalikustannukset ovat yleensä korkeammat. FPGA:t ovat erinomaisia sovelluksissa, jotka vaativat ultranopeita silmukka-aikoja (< 100 ns) tai mukautettuja modulointijärjestelmiä, mutta useimmissa teollisuuden ja kuluttajien sähkötoimituksissa lisälaitteisto- ja kehittämisponnistelut eivät ole perusteltuja.

Digitaaliset signaaliprosessorit

DSP:t miehittävät keskimmäinen maa: ne tarjoavat lähes FPGA:n laskentasuorituksen ohjausalgoritmeille säilyttäen samalla MCUS:lle tyypillisen ohjelmistokehityksen helppouden. Omistettu MAC-yksikkö ja piirin oheislaitteet mahdollistavat yhden DSP:n hallita useita ohjaussilmukoita, viestintäpinoja (Pmbus, I2C, SPI) ja järjestelmän seurantaa. Tämä integraatio vähentää komponenttien määrää ja yksinkertaistaa taulun asettelua.

Ydinohjausalgoritmit, jotka on toteutettu DSP:illä

DSP:n todellinen teho käy ilmeiseksi, kun se toteuttaa kehittyneitä valvontastrategioita, jotka olisivat epäkäytännöllisiä analogisten piirien tai matalan lopun MCU:iden kanssa.

Suhteellinen-integroiva-Derivative (PID) digitaalisten lisälaitteiden kanssa

Digitaaliset PID-ohjaimet ovat useimpien virtalähdesilmukkaan kuuluvien elementtien selkäranka. DSP voi suorittaa PID-laskelmia windup-vasta-, johdannaissuodatuksella ja saada aikataulutuksen muutamassa mikrosekunti. Kyky säätää kertoimia firmwaressa mahdollistaa mukautuvan virityksen ilman laitteiston muuttamista.

Ennakoiva ohjaus (Mallien ennustettava ohjaus ... MPC)

MPC käyttää virtavaiheen mallia ennakoimaan tulevaa käyttäytymistä ja valitsemaan optimaalisia kytkentätiloja. Vaikka DSP:t ovatkin laskentaintensiivisiä, ne voivat ratkaista tarvittavat optimointiongelmat millisekunnin alueella jopa 20 kHz:n taajuuksille. MPC tarjoaa nopeamman tilapäisen vasteen ja pienemmän harmonisen kokonaisvääristymän verrattuna tavanomaisiin PID-laitteisiin.

Digitaalinen suodatus anturin melunvaimennusta varten

Reaalimaailman virta- ja jänniteanturit tuovat melua. DSP:t toteuttavat FIR- tai ääretön impulssivaste (IIR) -suodattimet puhtaiksi signaaleja ilman analogisten suodattimien drift- tai lämpötilaherkkyyttä. Nämä suodattimet toimivat synkronoidusti ADC-näytteenoton kanssa varmistaen, että ohjaussilmukka näkee puhtaat palautetiedot.

Ohjelmiston vaihelukittu silmukka (PLL) Grid-Tied Inverttereille

Uusiutuviin energiajärjestelmiin DSP-pohjainen ohjelmisto PLL synkronoi invertterin ruudukon kanssa. Prosessori seuraa ruuduston vaihetta ja taajuutta tarkasti, mikä mahdollistaa saumattoman virransyöttö- ja verkkotukitoiminnon.

Real-World Implementation: 3-vaiheinen inverter esimerkki

Harkitse 10 kW:n kolmivaiheista invertteriä aurinkokennojärjestelmälle. DSP saa palautetta virta-antureilta jokaisessa vaiheessa ja jännitesensorin DC-väylässä.

  1. ADC-näytteenotto[ .
  2. Koordinaattimuunnos[ . . . Muuntaa paikallaan olevat α-β-virrat pyöriviksi d-q-koordinaateiksi digitaalisen PLL- ja trigonometrisen hakupöydän avulla.
  3. Kaksi PI-ohjainta (d ja q-akselia) laskevat vaaditun jännitevektorin.
  4. PWM-sukupolven ... ......................................................................................................................................................................................................................................
  5. Monitorointi ja suojaus[ . Ylivirta, ylijännite ja lämpötila kynnykset tarkastetaan joka sykli.

Kaikki nämä vaiheet suoritetaan alle 50 μs, jolloin 20 kHz:n kytkentätaajuus. Ilman DSP, saavuttaa tämä suorituskyky vaatisi useita komponentteja tai paljon kalliimpaa FPGA.

DSP-perustehonsäätimen edut

Hyödyt ulottuvat raakanopeutta pidemmälle:

  • Frmware joustavuus[ . ... ... päivitykset ohjausparametreihin tai algoritmeihin voidaan ottaa käyttöön kentällä ilman laitteistomuutoksia.
  • Vähennetty komponenttimäärä[ .
  • Korkeampi tehokkuus[ ... ......................................................................................................................................................................................................................................
  • Parempi luotettavuus[ . Digitaalinen logiikka on vähemmän altis lämpötilan liukumalle ja komponentin vanhenemiselle kuin analogiset vastaavat.
  • Diagnostiikka ja telemetria[ ... DSP voi kirjata toimintahistoriaa, vikatapahtumia ja tehokkuustietoja ennakoivaan ylläpitoon.

Suunnittelu Huomioita käytettäessä DSPs

Kellon nopeus ja suoritusaika

Useimmat virtalähteen säätösilmukkaan on suoritettava 5.20% kytkentäajasta. 100 kHz:n kytkimen, jonka 10 μs:n tiheys on 10 μs, on suoritettava laskelmat 1.

ADC:n resoluutio ja synkronointi

ADC-resoluutio vaikuttaa suoraan tarkkuus- ja melulattiaan. 12-bittiset ADC-muistit ovat yleisiä virtalähteille, jolloin 4096 askelta on anturialueella. Korkean tarkkuuden sovelluksissa (esim. akun lataus), 16-bittiset ADC-muistit voivat olla tarpeen. DSP-muistit voivat käynnistää ADC-muunnokset synkronoidusti PWM-ajastimilla näytteenotoksi optimaalisessa hetkessä (esim. induktorin laaksossa) ja parantaa mittaustarkkuutta.

Firmware Development Environment

Kehittäjät käyttävät tyypillisesti C/C++:ta DSP-ominaisilla ominaistoiminnoilla MAC-toiminnoissa. Reaaliaikaiset vianetsinnät ja oskilloskoopin kaltaiset tiedot (esim. JTAG:n tai sarjan kautta) auttavat virittämään ohjaussilmukoita. Monet toimittajat tarjoavat viitemalleja ja ohjelmistokirjastoja yhteistehotopologiaan (buck, boost, flynback, vaihesiirtymään perustuva täysisilta jne.).

Tulevaisuuden trendit: tekoäly, ML ja DSP evoluutio

DSP:n rooli virtalähteissä laajenee tekoälyn ja koneoppimisen siirtyessä sulautettuihin järjestelmiin. DSP voi suorittaa kevyen hermoverkon johtopäätöksen ennustaakseen kuormitusmuutoksia tai hajoamismalleja, mikä mahdollistaa ennakoivan eikä reaktiivisen hallinnan. Esimerkiksi akun laturi voisi käyttää koulutettua mallia määrittääkseen optimaalisen latausprofiilin, joka perustuu akun ikään ja lämpötilaan.

Lisäksi RISC-V-ytimien integrointi DSP-aritmetiikkayksiköiden rinnalle on näköpiirissä, mikä tarjoaa yhtenäisen alustan sekä valvonnan että yleiskäytön käsittelyyn. Tämä yksinkertaistaa järjestelmäarkkitehtuuria ja vähentää latenssia tekoälyn päätöksenteon ja toimilaitteen ulostulon välillä.

Toinen alue on digitaalinen kaksonen[ integraatio: DSP ajaa nopeaa mallia teho vaiheessa rinnakkain fyysisen järjestelmän. Erot mallinnettu ja mitattu käyttäytyminen voi havaita vikoja varhaisessa vaiheessa, parantaa turvallisuutta ja ajanvietettä. Teollisuuden näkökulmasta, katso [IEEE paperi DSP-pohjaisista digitaalisista kaksosista sähkömuuttajille.].

Päätelmät

Digitaaliset signaaliprosessorit ovat siirtyneet kapea-alaisista osista kehittyneissä virransyöttöjärjestelmissä keskusvalvojiin. Niiden ainutlaatuinen sekoitus nopeaa aritmeettista, integroitua oheislaitetta ja ohjelmistojen ohjelmoitavuutta mahdollistaa suunnittelijoiden rakentaa pienempiä, tehokkaampia ja älykkäämpiä tehomuuntimia. Uusiutuvien energialähteiden integroinnin, sähköautojen latauksen ja datakeskuksen sähköntarpeen kasvaessa DSP:t ovat edelleen välttämättömiä, jotta ne täyttävät tiukemmat tehokkuusvaatimukset ja luotettavuusvaatimukset. DSP-pohjaisen ohjaussuunnittelun hallitsevat insinöörit ovat hyvin varustettuja arkkitehti huomisen sähköelektroniikan suhteen.

Lisätietoja digitaalisesta ohjauksesta ja DSP:n valinnasta saa -sivustolta saatavilla olevista valkoisista papereista.