התפקיד של מעבדי אותות דיגיטליים בשליטה מתקדמת באספקת חשמל

מדוע מעבדי אותות דיגיטליים ניתנים להשגה בעיצוב מודרני של אספקת חשמל

מערכות אספקת חשמל התפתחו הרבה מעבר לרגולטורים ליניאריים פשוטים ולוויות משוב אנלוגיות.היום, אספקה של חשמל מגובשת, ציוד כוח בלתי-מעצור, מטען סוללות, וגורמים לאנרגיה מתחדשת דורשים חישוב בזמן אמת, בקרה הסתגלותית, ובדיקה גבוהה של ביצועים מתקדמים של אלגוריתמים בקרה אלקטרוניים, בלב המערכות המתוחכמות הללו עומד תהליך אותות דיגיטליים (DSP).

הבנת אדריכלות DSP עבור חשמל אלקטרוניקה

DSP הוא מיקרומעבד מיוחד שנבנה סביב הרווארד או שונה אדריכלות הרווארד, עם אוטובוסים נפרדים עבור תוכנית וזיכרון נתונים.הפרדה זו מאפשרת השבב להביא הוראה ולקרוא או לכתוב נתונים במחזור שעון יחיד, באופן דרמטי מאיץ חישוב.תכונות ארכיטקטוניות מפתח שהופכות את DSPs אידיאלי עבור בקרת אספקת חשמל כוללים:

בלוקים בחומרה אלה פועלים יחד כדי לבצע אלגוריתם בקרה בעשרות מיקרו-שניות, המאפשר מעבר תדרים מעשרות עד מאות קילוולץ.עבור אזכורים ארכיטקטוניים מפורטים, ראה הערות יישום מ-FLT:0Texas Instruments ב- C2000 בקרים בזמן אמתיים מובנים 1 או FLT:2 Analog מכשירים על ביצועי DSP ב- PowerLT3, 000:

DSPs vs. Microcontrollers vs. FPGAs in Power Control

מעצבים בוחרים לעתים קרובות בין MCUs, FPGAs ו DSPs עבור שליטה באנרגיה דיגיטלית.ההחלטה תלויה במהירות הלולאה, גמישות ומורכבות פיתוח.

מיקרו-בקר (MCUs)

כללי מטרה MCUs (למשל, ARM Cortex-M סדרה) הם עלות יעילה וקלה התוכנית, אבל יחידות ההיגיון הקידוד שלהם (ALUs) בדרך כלל חסרות חומרה MAC ייעודית. בעוד כמה MCUs מודרניים כוללים הרחבות DSP, הליבה עדיין מיועדת לזרימת בקרה ולא אינטנסיבי מתמטיקה. עבור נמוך להיקף בינוני (למשל, פשוט להמיר את ה- buckers בתדרים), ייתכן מספיק מתמטיקה).

שער שדה-Programmable Gate Arrays (FPGAs)

FPGAs מציעים את הביצועים הגבוהים ביותר כי לוגיקה שליטה מיושמת בחומרה במקביל.עם זאת, פיתוח FPGA דורש מומחיות בשפות תיאור חומרה (VHDL / Verilog), והצעת מחיר החומרים היא בדרך כלל גבוהה יותר. FPGAs להצטיין ביישומים הדרושים זמני לולאה מהירים (<100 ns) או תוכניות מודולציה מותאם אישית, אבל עבור רוב אספקת תעשייתית וצריכתנית, מאמץ פיתוח חומרה נוסף אינו מוצדק.

מעבדי אותות דיגיטליים (DSPs)

DSPs כובש קרקע בינונית: הם מספקים חישוב חישובי ליד FPGA עבור אלגוריתמים שליטה תוך שמירה על קלות פיתוח תוכנה אופייני של MCUs. יחידת ה- MAC ייעודית ועל chip היקפים מאפשרים DSP אחד לנהל לולאות שליטה מרובות, ערימות תקשורת (PMBus, I2C, SPI), ו ניטור מערכת זה להפחית את ספירת הרכיבים וסימולציות.

בקרת הליבה של אלגוריתמים המתבצעת על DSPs

הכוח האמיתי של DSP הופך להיות ברור כאשר יישום אסטרטגיות בקרה מתקדמות כי יהיה לא מעשי עם מעגלים אנלוגיים או MCUs נמוך.

Proportional-Integral-Derivative (PID) עם שיפורים דיגיטליים

בקרים של PID הם עמוד השדרה של רוב לולאות אספקת החשמל. A DSP יכול לבצע חישובים PID עם אנטי-windup, סינון נגזר, ולקבל תזמון בכמה מיקרו-שניות.היכולת להתאים אפקטיביות בקושחה מאפשרת כוונון הסתגלות ללא שינוי חומרה.

שליטה חיזויית (Model Predictive control - MPC)

MPC משתמש במודל של שלב הכוח כדי לצפות התנהגות עתידית ולבחור מצבים אופטימליים מעבר. בעוד אינטנסיבי חישובי, DSPs יכול לפתור את בעיות אופטימיזציה הדרושים בטווח ה- מילימטר השניות עבור מעבר תדרים עד 20 kHz. MPC מספק תגובה טרנסיבית מהירה יותר ועיוות הרמוני נמוך יותר בהשוואה ל- PID קונבנציונלי.

פילטר ל- Sensor Noise Rejection

חיישני זרם ומתח אמיתיים מציגים רעש.DSPs ליישם FIR או תגובה אימפולס אינסופית (IIR) מסננים לסימנים נקיים ללא סחף או רגישות טמפרטורה של מסננים אנלוגיים.פילטרים אלה לרוץ באופן מסונכרן עם דגימת ADC, ומבטיחים כי לולאת הבקרה רואה נתונים משוב נקיים.

שלב התוכנה -Locked Loop (PLL) עבור Grid-Tied Inverters

במערכות אנרגיה מתחדשות, תוכנה מבוססת DSP PLL מסנכרנת את הדחף עם הרשת.המעבד עוקב אחר שלב הרשת ותדירות עם דיוק גבוה, המאפשר הזרקת חשמל חלקה פונקציות תמיכה רשת.

יישום אמיתי: דוגמה 3Phase Inverter

שקול 10 קילוואט 3-phase inverter עבור מערכת פוטו-וולטאית סולארית.DSP מקבל משוב מן החיישנים הנוכחיים על כל שלב חיישן מתח על אוטובוס DC.

  1. (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  2. (FLT:0) לתאם טרנספורמציהFLT:1 - ממירים זרמי α-β בתחנת α כדי לסובב את ה- D-q לתאם באמצעות טבלאות דיגיטליות של PLL ו- trigonometric.
  3. (ב) ,0) ,U-Current ControlFLT:1 - שני בקרים של PI (ד ו- q axes) מצמידים את המתח הנדרש.
  4. (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  5. (ב) ,0) ,מארגן והגנה על ה- 1 (בסביבותיה) – מעל לממוצע, וסף הטמפרטורה נבדקים כל מחזור.

כל השלבים האלה מבצעים מתחת ל-50 מיקרופונים, ומאפשרים לתדירות של 20 קילו-הרץ מעבר ללא DSP, השגת ביצועים אלה תדרוש רכיבים מרובים או FPGA יקר הרבה יותר.

היתרונות של בקרת חשמל מבוססת DSP

היתרונות מתרחבים מעבר למהירות הגלם:

המונחים: using DSPs

שעון מהירות וזמן ההוצאה להורג

רוב לולאות בקרת אספקת החשמל חייבות להשלים בתוך 5-20% מתקופת המעבר.עבור מעבורת 100 kHz עם תקופת 10 מיקרומטר, DSP חייב לסיים את החישובים שלה ב 1-2 מיקרונים. DSPs high-end שפועלת ב 200-600 מ" יכול לענות על זה בקלות, אבל מעצבים חייבים לקחת בחשבון את ראש התצורה היקפית והפרעה אזרחית.

החלטה של ADC ו-Synchronization

ההחלטה ADC משפיעה ישירות על דיוק ורצפה רעש. 12 סיביות ADCs נפוצים עבור אספקת חשמל, נותן 4096 צעדים על טווח החישה. עבור יישומים דיוק גבוה (למשל, טעינה סוללה), 16 סיביות ADCs עשוי להיות נחוץ.DSPs יכול לגרום המרות ADC מסונכרן עם PWM timers כדי דגימות ברגע האופטימלי (למשל, שיפור דיוק הנוכחי), שיפור דיוק הנוכחי.

סביבת פיתוח

מפתחים משתמשים בדרך כלל C / C++ עם פונקציות אינטרינזיות ספציפיות של DSP עבור פעולות MAC. Real-Time debuggers ו oscilloscope-like data לייצא (למשל, באמצעות JTAG או סדרתי) לעזור לכוונון לולאות. ספקים רבים מספקים עיצובים ותוכנות עבור כוח משותף להתנצלות (בקיצור, דחיפה, שלב, שלב מודרך, מלא, וכו ').

מגמות עתידיות: בינה מלאכותית, ML ו-DSP Evolution

התפקיד של DSPs באספקת חשמל מתרחב כאינטליגנציה מלאכותית ולמידה מכונה לעבור לתוך מערכות משובצות. A DSP יכול לבצע רשת עצבית קלה הניתוק כדי לחזות שינויים עומס או דפוסים של השפלה, המאפשרת בקרה אקטיבית ולא שליטה פעילה.לדוגמה, מטען סוללות יכול להשתמש במודל מאומן כדי לקבוע את המטען האופטימלי על בסיס גיל סוללה וטמפרטורה - ללא התערבות אנושית.

יתר על כן, השילוב של RISC-V ליבות לצד יחידות DSP ⁇ הוא באופק, המציע פלטפורמה מאוחדת הן לשליטה והן לעיבוד מטרות כלליות.זה יפשט את ארכיטקטורת המערכת ויפחית את הכדאיות בין קבלת החלטות AI לבין תפוקת אקטוטור.

אזור אחר הוא אינטגרציה של ההרחבה: אינטגרציה של תאום דיגיטלי: DSP הפועלת במודל מהיר של שלב הכוח במקביל למערכת הפיזית.הבדלים בין התנהגות מודלית ומדדית יכולים לזהות תקלות מוקדם, לשפר את הבטיחות ואת הזמן.עבור פרספקטיבה תעשייתית, לראות את FLT:2IEEE נייר על תאומים דיגיטליים המבוססים על DSP עבור כוח להמיר LT3.

מסקנה

מעבדי אותות דיגיטליים עברו ממרכיבים נישה למרכזי בקרים במערכות אספקת חשמל מתקדמות.השילוב הייחודי שלהם של קידוד מהיר, היקפי משולב, ותוכנות תוכנה מאפשר למעצבים לבנות קטנים יותר, יעילים יותר, וחכמים יותר ממירי חשמל.כמו שילוב אנרגיה מתחדשת, טעינה של כלי רכב חשמליים, ודרישות מרכז נתונים להמשיך לגדול, DSPs יישארו חיוניים לתקנות יעילות ואמינות קפדניים יותר.

לקריאה נוספת על בקרה דיגיטלית ובחירת DSP, מומלץ להתייעץ עם המסמכים הלבנים הזמינים ב-FLT:0Analograted מכשירים FLT:1 ודיווחי יישומים מ-FLT:2Texas Instruments C2000 בזמן אמת סדרת בקרה של זמן אמת.