מבוא ל- Digital Signal Processors in AC-DC Converter control

מעבדי אותות דיגיטליים (DSPs) שינו את הארכיטקטורה של שליטה AC ל- DC ממירים, אשר הם היסוד לאספקת חשמל, כונן מוטורי, מטען סוללות, וממשקי רשת.בניגוד למיקרו-בקרים למטרות כלליות או לולאות בקרה אנלוגיות, DSPs הם מטרה-התכליתיים-לבצע אתגרים מוסדרים במהירות גבוהה-שימושיים, תוספות, וסינון פעולות - במחזור הדרכה יחידי, המאפשרים של אבטחה, כולל אלגוריתמים מדויקים ואפקטים אופטיים, ואפקטים מתקדמים, שיפור יעילות אופטיים של טכנולוגיות.

ממיר AC-DC טיפוסי, בין אם מארגן פשוט או מעגל מורכב של כוח (PFC) דורש רגולציה הדוקה של מתח פלט וקלט הנוכחי גלפורציה באמצעות מגברים תפעוליים ורכיבים פסיביים יכולים להשיג ביצועים סבירים, אבל הם סובלים מסחף, רזולוציה מוגבלת, וקשה ביישום טכניקות מתקדמות כגון בקרה חיזויית או סינון DSP מבוסס על ידי אותות חזותיים שיכולים להתגבר על מגבלות אלה על ידי שינוי חומרים מתקדמים.

מאמר זה חוקר את היתרונות העיקריים של שילוב DSPs לתוך מערכות בקרה AC-DC, מתאר תכונות ארכיטקטוניות מפתח, משווה גישות מבוססות DSP עם חלופות אנלוגיות, ומדגיש מגמות מתעוררות המבטיחות ביצועים גבוהים אף יותר באלקטרוניקה כוח הדור הבא.

כיצד DSPs לשפר את ביצועי ה- AC-DC

הערך של DSP בלולאה של שליטה ממיר נובע מהיכולת שלה לבצע חישובים מורכבים במהירויות התאמת תדירות המעבר של טרנסיסטורים מודרניים (בדרך כלל 20 kHz עד כמה מאות kHz).

עדיפות ודיוק בוולטראז' ותקנות הנוכחיות

DSPs לרכוש אותות משוב באמצעות ממירים אנלוגיים-לספרטיים (ADCs) ומעבד אותם באמצעות ± נקודת צף או סטלוסיה קבועה.זה מבטל את ההתחלה וסחף הטמפרטורה כי מגיפות משווים אנלוגיים וטעייה מגברי שגיאות. ADSP יכול ליישם ± ± ±-integral-derivative (PID) בקרים עם כוונון עדין של 3% כי הם שומרים על מתחים בתוך לוגיים מהירים של סגסוגת, אפילו תחת אימפולסים המבוססים על אימפולסים המבוססים על אימפולסים, כולל תפוקה מהירה של אימפולסים, אפילו אימפולסים, כולל תפוקה גבוהה יותר של תפוקה.

יתר על כן, כמה DSPs משלבים את המודולציה המוקדשת של הדופק (PWM) peripherals עם הסתגלות במשרה מתה וסנכרון.זה מאפשר סינתזה דיגיטלית ישירה של החלפת אותות עם החלטה למטה ל-150 טבלאות, המאפשר עדכונים מדויקים מאוד של מחזור החובה שיפור לינאריות הרגולציה ולהפחית את הפלט.

יעילות מגיעה באמצעות טכניקות מתקדמות של שינוי

החלפת הפסדים והפסדים התנהגות קובעים את היעילות הכוללת של ממיר AC-DC.DSPs תמיכה תוכניות מודולציה כי ממזער את ההפסדים האלה.לדוגמה, בממיר PFC חסר גשר, DSP יכול ליישם תדירות מעבר משתנה או PWM מחלף בשלב כדי להפחית את הפסדי הסגירה בעומסי אור.זה יכול גם לבצע מעקב מקסימלי של כוח (MPPT) בסולם, מפלט אנרגיה גבוה יותר מפאנלים חשמליים.

על ידי עיבוד מתח קלט וגלימות גל נוכחי בזמן אמת, DSP יכול להתאים באופן דינמי את תבנית המעבר כדי לשמור על מעבר אפס-וול-וול-גיל (ZVS) או מעבר זמני אפס (ZCS) בטווח תפעול רחב. יכולת זו של חישה רך-מכושפת מפחיתה את ההתערבות האלקטרומגנטית (EMI) ומשפרת את היעילות במספר נקודות על פני גישות אנלוגיות קשות.

בקרה בזמן אמת

אחד היתרונות החזקים ביותר של DSP הוא היכולת שלה לשנות תנאים ולהתאים את חוק הבקרה בתוך כמה מיקרו-שניות. לדוגמה, כאשר מטען חשמלי (EV) מזהה עלייה פתאומית בסוללת טעינה הנוכחית, DSP יכול להתאים את זווית המוארת של שלב DC-DCer כדי למנוע מתח ולשמור על תפוקת חשמל קבועה.

עיבוד בזמן אמת גם מאפשר אלגוריתמים של בקרה חיזוי כגון שליטה חיזוי מודל (MPC) ושליטה חוזרת.טכניקות אלה לצפות עומס עתידי או שינויים קו המבוססים על מודל מערכת, לפני תיקון השגיאה ולא להגיב לאחר שזה קורה.התוצאה היא ממיר המציג תגובה כמעט בלתי שפויה להפרעות, יישומים קריטיים כמו ציוד הדמיה רפואית או שיפור גבוה של אודיו שבו יש לשמור על מתח סלעי.

גמישות וגמישות

בקר מבוסס DSP יכול להיות reprogramed כדי לתמוך מספר רב של ממיר לתנצלים (באקס, דחיפה, עף, LLC resonant) או מצבים תפעוליים שונים (מצב התנהגות מתמשך, מצב התנהגות בלתי פוסק) פשוט על ידי טעינה תמונה קושחה חדשה.זה אינו חוקי עבור יצרנים המייצרים משפחה של אספקה מפלטפורמת חומרה משותפת.

יתר על כן, DSPs לעתים קרובות כוללים תצורה של היקפים כגון גנרטורים PWM, לכידת מודולים, ממשקי תקשורת (I2C, SPI, CAN, Ethernet) שילוב זה מקטין ספירת רכיב ומרחב לוח בהשוואה לתכנון אנלוגי הדורש הרבה סטיות סטיות סטיות, נוסחאות, ושערי לוגיקה.DSP יכולים גם לנהל משימות בית - זמן, ניטור מהירות, בקרה, מהירות שליטה - ובקרת מהירות שליטה - מערכת הבקרה.

ניכוי הרמוני ו EMI Mitigation

ממירים AC-DC שואבים זרם לא-סנוסדי מהרשת, ומייצרים הרמוניות שיכולות לעוות את מתח התועלתי ולצמצם את גורם הכוח.תקני הביטול כגון IEC 61000-3-2 מגבילים עיוות הרמוני מוחלט (THD) DSPs מאפשרים תיקון גורם כוח פעיל (PFC) שמעצבים את זרם הקלט כדי לעקוב אחר גלפור, השגת גורם כוח מעל 0.9 ו-5% מתחת ל- THD רגיל, כמו מחזור בקרה נוכחי.

בנוסף, DSPs יכול לבצע מודולציה ספקטרום רחב, אשר משתנה את תדירות המעבר מעט יותר זמן להפיץ את האנרגיה EMI על פני רוחב פס רחב יותר.זה להפחית פליטות שיא ומסייע לעמוד במגבלות כיתה CISPR B ללא רכיבי סינון גדולים.פתרונות Analog ידרוש גנרטורים מודולציה ייעודי, הוספת עלות ומורכבות.

השוואת שליטה מבוססת DSP לשליטה אנליגית מסורתית

לולאות בקרה אנליסטים שימשו כבר עשרות שנים ונשארות מתאימות לממירים זולים, בעלי שם דרישות ביצועים צנועות.עם זאת, מאחר שדחיסות הכוח דורשת עלייה ותקנות יעילות, גישות אנלוגיות פגעו במגבלות בסיסיות.השולחן מתחת לסכבסת הבדלים מרכזיים (הנוכחים כטקסט לקריאה ב-HTML).

  • (FLT:0) ספירת ההסכמה (FLT:1): Analog דורש רכיבים חיצוניים רבים (op-amps, מתנגדים, קפיאורים, קומפוטורים) כי גיל וסחף. ADSP משלב את כל לוגיקה השליטה ב- IC יחיד בתוספת מרכיבים פסיביים מינימליים.
  • (ב) ⁇ :0 (AccuracyFLT:1): Analog סובל מסובלנות רכיב וסחף טמפרטורה; DSP משיג דיוק חוזר באמצעות טבילה דיגיטלית.
  • (FLT:0) ,LlexibilityFLT:1: Analog הוא קשה מחווט; שינוי חוק שליטה דורש עיצוב מחדש של ה- PCB. DSP יכול להיות מוחזר בתוך דקות.
  • (FLT:0 אלגוריתמים מורכבים של אלגוריתמים: Analog הוא בלתי מעשי עבור אלגוריתמים כמו MPPT, MPC, או recursive לפחות-squares. DSP מבצע אותם ללא מאמץ.
  • (FLT:0) פיצויי הארימירה FLT:1: Analog PFC משתמש בהכפלה ופילטר נמוך; DSP יכול ליישם מסננים מתקדמים ובקרים חוזרים.
  • (FLT:0) CostveFLT:1; עבור ממירים פשוטים, אנלוגיה עשויה להיות זולה יותר.אבל עבור ממירים בעלי ביצועים גבוהים, DSP מפחיתה את העלות הכוללת של המערכת על ידי איחוד פונקציות וצמצום עבודות מחדש.

בגלל היתרונות האלה, רוב העיצובים החדשים של בינוני וגבוה של AC-DC ממיר עכשיו לשלב DSP. אפילו בקרים דיגיטליים זולים מחברות כמו Texas Instruments ו- Microchip מציעים פונקציונליות DSP בנקודות מחיר תחרותיות.

תכונות עיקריות של DSPs מודרניים עבור Power Conversion

בעת בחירת DSP עבור ממיר AC-DC, מהנדסים צריכים להעריך את היכולות הבאות, אשר משפיעות ישירות על ביצועי בקרת שליטה.

ADCs ו- PWM

רוב DSPs המיועד לאלקטרוניקה כוח כוללים מספר רב של הצלחה-כפופסטר (SAR) ADCs עם 12- עד 16-bit החלטה ושיעורי דגימה מעל 10 MSPS. ADCs מהיר ללכוד את ה- ripple ההחלפה ומאפשר לולאות שליטה bandwidth. מודול PWM צריך להציע רישומים עצמאיים, מת-time, ו- פגום- פגום עבור תבניות מורכבות יכול לכלול תאים מורכבים של תאים.

יחידת מתמטיקה של צומת נקודות

DSPs נקודת המוצא לפשט את הקידוד של אלגוריתמים של שליטה מכיוון שהם נמנעים מבעיות מדרגות הטמונות בקידוד קבוע.הם גם שומרים דיוק על טווח דינמי רחב, אשר מועיל כאשר עיבוד גדול זרמים במברשות או אותות עומס נמוך.סדרה C2000 מטקסס מכשירים וסדרת ADSP-CM40x ממכשירי Analog הם דוגמאות של מכשירים צפים המשמשים במערכות כוח.

המונחים: media Peripherals

המרירים המודרניים צריכים לעתים קרובות לדווח על מצב באמצעות פרוטוקולי תקשורת דיגיטליים כמו Power Management Bus (PMBus), CAN, או Ethernet. DSPs עם המשולב CAN FD או USB מקל על ממשק עם בקרים מארחים או פלטפורמות ניטור בענן.חלקים כוללים גם תכונות מנעול והצפנה מאובטחות כדי להגן על קניין רוחני.

ביקורת בזמן אמת ⁇ ו- Toolchains

Vendors provide software libraries for common control algorithms—PID, PFC, Park / Clarke transforms, and space‑vector modulation. These libraries are optimised for the specific DSP core and include ready‑to‑use functions that reduce development time. Using a DSP with a mature ecosystem (e.g., MATLAB/Simulink code generation, graphical configuration tools) accelerates time‑to‑market.

הטמעת אתגרים ועיסוקים טובים

למרות היתרונות, אימוץ שליטה מבוססת DSP מציג אתגרים שמהנדסים חייבים לנהל קודם, תהליך פיתוח קושחה דורש מומחיות במערכות בזמן אמת ותאוריה שליטה.טעות בתזמון השליטה עלולה לגרום לאי יציבות או oscillation. כדי להקל על זה, להשתמש בסימולטור חומרה-in-the-loop (HIL) כדי לבדוק את הקושחה לפני חיבור לוח בעוצמה גבוהה.

שנית, DSPs לייצר רעש מעבר דיגיטלי שיכול להיות יחד לתוך נתיבי משוב אנלוגיים. פריסת PCB זהיר - השוואת אנלוגי ודיגיטלי, באמצעות אותות שונים עבור חיישנים נוכחיים - הוא חיוני. רבים DSPs כוללים מסננים מובנה ועיכובים מדגימים כדי לדחות רעש.

שלישית, עלות וזמני להוביל להיחשב.בעוד DSPs יקרים יותר ממיקרו-בקרים פשוטים 8 סיביות, הם לעתים קרובות להחליף מספר ICs אנלוגיים, שמירת שטח לוח ועלויות חוק-של חומרים. עבור ייצור בינוני-נמוך, העלות NRE של פיתוח קושחה הוא מוקרן במהירות.

יישומים ומחקרי מקרים

ממירי AC-DC מבוקרים של DSP נמצאים כמעט בכל מגזר של אלקטרוניקה של חשמל.

אנרגיה מתחדשת

מונעי השמש המוערכים על ידי גריידי משתמשים ב-DSPs כדי ליישם אלגוריתמי MPPT (למשל, לטורף ולהתבונן או להתנהלות מצטברת) ולסמן את התפוקה של ה-DSP עם מתח השירות.DSP מבצע גם זיהוי נגד איסנדינג ובקרת כוח תגובתית.ללא DSP, השגת ה- IEEE 1547 הנדרשת תהיה קשה הרבה יותר.

מטען רכב חשמלי

על גבי המטענים והמטענים המהירים של DC מסתמכים על DSPs לניהול זרימת חשמל דו-כי-כיווני.DSP שולט בשלב PFC ב- AC קלט, ואז מסדיר את השלב ה-DC המבודד כדי לטעון את הסוללה עם פרופילים קבועים / קונבנציונאליים. מטענים מתקדמים משתמשים ב-DSPs כדי לתקשר עם מערכת ניהול הסוללה באמצעות CAN ובאופן דינמי כדי להתאים פרמטרים המבוססים על טמפרטורה ועל אחריות המדינה.

כוח תעשייתי מתפקד

אספקה יעילה של DC כוח המשמשים בבדיקת מערכות מדידה, להשתמש ב- DSPs כדי להשיג רגולציה הדוקה ו- ripple נמוך.היכולת לאחסן מתח שרירותי / רצףים עכשוויים ולבצע אותם עם דיוק מיקרו-שני הוא נקודת מכירה מרכזית באופן דומה, מערכות UPS תלויות ב- DSPs כדי לעבור בצורה חלקה בין רשת וסוללה תוך שמירה על פלט גלי נקי.

כיוונים עתידיים: DSPs ובקרת חכמה

כמו המרת להתנצלות להיות מורכבת יותר - כגון ממירים ברמה רב ופסגפ רחב (GaN / SiC) עיצובים - הדרישות על עלייה בבקר.מהירויות המעבר של ג'ון טרנזיסטורים יכול לעלות על 10 MHz, הדורשות לולאות בקרה מהירות ביותר.דור DSPs הבא צפויים לכלול על AIccels המאפשרים פרמטר מקוון, חיזוי עצמי ואפקטיבי של מחזור שליטה זה.

בנוסף, המגמה לקראת סימולציה תאומים דיגיטלית תאפשר למתכננים לאמת את קושחה DSP נגד מודל נאמנות גבוה של הממיר הפיזי, צמצום הצורך בקידוד חומרה נרחב. בשילוב עם עדכונים אוויריים, ממירים מבוססי DSP יכולים להיות משופרים ברציפות לאחר פריסה.

מסקנה

מעבדי אותות דיגיטליים מספקים את הכוח החישובי, הגמישות והדיוק הנדרשים עבור מערכות בקרה מודרניות AC-DC.הם מאפשרים יעילות גבוהה יותר, רגולציה הדוקה יותר, הרמוניות מופחתות, והתנהגות הסתגלותית כי בקרים אנלוגיים אינם יכולים להתאים. בעוד המעבר מ אנלוגי לדרישות דיגיטליות של השקעות בפיתוח קושחה ופרקטיקות עיצוב זהירות, היתרונות לטווח הארוך - כולל עלויות מערכת נמוכות יותר, זמן קצר יותר לשוק עבור מוצרים, ודבקות בפיתוח אלקטרוניקה, במיוחד לתקני DSP, במיוחד, ולהוביל לתקני DGAP מתקדמים יותר, במיוחד לתקני DSP מתקדמים יותר, אפילו אלקטרוניקה, ותקני DGADGAP.

לקריאה נוספת, נא להתייעץ עם הערות יישום מטקסס מכשירים (FLT:0TI Digital Power ControllersFOVA) ו- Analog מכשירים (IRLT:2Digital Power Control SolutionsFLT 3), כמו גם את ספר הלימוד FLT:4Digital Control of High-Frequency Switched Power ConvertersFLT:5 על ידי Lucarad al.