תכנון מערכות בקרה מוטוריות בעלות ביצועים גבוהים הוא אבן הפינה של אוטומציה מודרנית, רובוטיקה, כלי רכב חשמליים ומכונה תעשייתית. בלב המערכות האלה, מעבדי אותות דיגיטליים (DSPs) לספק את המהירות והדיוק הנדרשים לאלגוריתמים מתקדמים כגון בקרה ממוקדת שדה (FOC) עבור פתרונות מכניקה ללא מברשת DC (DC) וקבועים מגנטיים סינכרוניים (PMSM).

התפקיד הרחב של DSPs בשליטה מוטורית

בקרה מוטורית מסורתית המבוססת על מיקרובקר לעתים קרובות נאבקת לשמור על קצב עם לולאות משוב תובעניים ו חישובים בזמן אמת הנדרשים על ידי כוננים מודרניים של משתנים במהירות משתנה במהירות. DSPs, עם יחידות מתכפלות מיוחדות שלהם (MAC), הוראות מחזור יחיד, האצה חומרה עבור פעולות מתמטיות, מצטיין בביצוע חוקים מורכבים בקרה כגון שינוי שטח (SVM) ואלגוריתמים ללא אלגוריתמים אלה מאפשרים מעבר גבוה יותר, למנוע יעילות מהירה יותר של כלי רכב, במהירות גבוהה יותר, למנוע את כל יישומי בקרה מהירה יותר, לחץ ואפקטים מהירים יותר, לחץ ואפקטים מהירים יותר, למנוע יעילות הפעלה מהירה יותר, לחץ מהירה יותר, למנוע טיפולית, למנוע יעילות מהירה יותר, למנוע טיפולית, למנוע את כל אמצעי בקרה מהירה יותר, לחץ גבוהה יותר, לחץ מהירה יותר, למנוע יעילות תפעולית של כלי רכב.

ראשי > מערכות בקרת מנוע מבוססות DSP

למרות היתרונות שלהם, מערכות בקרה מוטוריות מבוססות DSP מציגות כמה אתגרים אדירים כי מהנדסים חייבים לנווט.כל אתגר דורש איזון זהיר בין חומרה, קושחה, לבין חילופי מסחר ברמה המערכת.

עיבוד בזמן אמת ו- Loop Closure

לולאות בקרה מוטורית - נוכחית, מהירות ומיקום - חייב לבצע בשיעורים גבוהים מאוד (לאות נוכחיות צמיגים לרוץ 10-100 kHz) כל עצלות ברכישת חיישן, ביצוע אלגוריתם, או PWM עדכון יכול לגרום לאי יציבות, רעש אמין, או אפילו כשל מערכת.DSP חייב לבצע שינויים מורכבים וקטורת, משקיפים (למשל, קידוד או התייחסות מודל), וכן להורדת דרישות מיקרו שניות על פני הגדרות.

2. Algorithm Complexity and Numeric Precision

טכניקות בקרה מתקדמות כגון בקרת מומנט ישיר (DTC), שליטה בפעימה, ובקרת חיזוי שימוש מתמטיות מתוחכמת.DSPs חייב להתמודד עם נקודות קבוע או קידוד צף ללא דיוק מקרי. יישום קבוע דורשות קשקשים קפדניים והימנעות ריצוף, בעוד יחידות צף נקודה (FPUs) להגדיל את העלות והכוח.בנוסף, אלגוריתמים עמידים על אלגוריתמים גבוהים הם מודלים רגישים לפרמטרים מתמטיים ותסמינים רגישים לסימפטומים.

אינטגרציה וממשקי חיישן

שליטה מוטורית מודרנית דורשת סינכרוניזציה הדוקה בין ממשקי DSP לפריפריה - ADCs ברזולוציה גבוהה עבור תזמון נוכחי ומתח חישה, קודר או ממשקי קודר, וזמני PWM מתקדמים עם תזמון מת תזמון מתוכנן. Mismatched, jitter, או די רזולוציה יכול לקלקל ביצועים. integrating אלה עם הליבה DSP בעוד שמירה על התנהגות לא קושחיקה ופתרון היא אתגר חומרה.

4. Power Contion and Thermal Management

תדרי השעון הגבוהים ו- DSP פעילים יכולים לייצר חום משמעותי, במיוחד במכלולים קומפקטיים או סביבות מתחת לרכב. Power dissipation הן DSP והן את מעגל הנהיגה חייב להיות מנוהל כדי למנוע מפלט תרמי.ביישומים מופעלים סוללות (drones, כלים ניידים), כל מילימטר; DSP חייב ביעילות להגדיל את הביצועים שלה כדי להתאים את העומס.

5. רעש חשמלי וזיהוי אינטגרity

כונן מוטורי הם סביבות רועשות מבחינה חשמלית. di / dv / dv / dv / dt מן PWM מעבר יכול זוג לתוך נתיבי חיישן אנלוגי, משחית אותות משוב נוכחיים. לולאות קרקע, פליטות קורנות, והתערבות מתמשכת דורש פריסה זהירה PCB, מגן וסינון.DSPs עם ADCs שונים ו oversampling יכול לעזור להפחית רעש, אבל האתגר נשאר משמעותי.

6. מורכבות פיתוח תוכנה

כתיבת קושחה יעילה, חזקה בקרת מנוע על DSP הוא רחוק טריוויאלי.הוא דורש הבנה עמוקה של ארכיטקטורת המעבד, היררכיה זיכרון, עדיפויות להפריע, ו- DMA ערוצים. מהנדסים חייבים לנהל לולאות שליטה מרובות, בדיקות בטיחות (למשל, overcurrent, דוכן זיהוי), פרוטוקולים תקשורת (CAN, EtherCAT), ו-Tatloaders - כל זאת תוך עמידה במגבלות תזמון קפדניות.

7.עלות ו-Bom Constraints

במוצרים תעשייתיים ובינוניים, לחץ על עלויות לעתים קרובות מכריח מהנדסים לבחור את DSP הזול ביותר שבקושי עומד בדרישות ביצועים.זה משאיר מעט מחדר הראש לשגיאה, מה שגורם למפתחים להפיק יעילות מקסימלית ממשאבים חומרה מוגבלים.

פתרונות כדי להתגבר על האתגרים האלה

פתרונות מוכחים בתעשייה קיימים לכל אחד מהאתגרים הללו, תוך מינוף ארכיטקטורות מתקדמות של DSP, כלי פיתוח מודרניים ועיצוב מערכת מתחשב.

1 - ביטול חומרה ופרוטוקולים מיוחדים DSP Cores

בקרת מנוע מודרנית DSPs - כגון משפחת טקסס Instruments' C2000 (למשל, TMS320F280049) או Analog מכשירים ADSP-CM40x - שילוב תכונות חומרה שנועדו במיוחד כדי להסיר את ה- CPU.

  • (ב) ,0) לחוק המזהמים (CLAssertrol Law Accelerators (CLAss)FLT:1: מעבדים אוטונומיים המבצעים לולאות בקרה ביקורתיות בזמן ללא נטל על הליבה העיקרית של DSP.
  • (FLT:0) יחידות נקודת מפנה (FPUsss)FLT:1: מעבדי חד-כישור מאיצים חישובים של FOC וצופים, צמצום מורכבות הקוד לעומת נקודת-קבוע.
  • (FLT:0) Dedicated PWM ו- ADC synchronizationationאנדרויזציה 1:1: Enhanced PWM מודולים עם צומת מת, אזורי נסיעה, ו- ADCs מבטיח הדגימה הדטרמיונית.
  • (FLT:0)Direct Memory Access (DMA)FLT:1: מאפשר העברת נתונים במהירות גבוהה בין היקפים וזיכרון עם אפס דוכני CPU.

מהנדסים צריכים להתחיל על ידי בחירת DSP המספקים מאיצים אלה, ולאחר מכן לעצב את הקושחה כדי להשתמש בהם באופן נרחב.לדוגמה, תיעוד ה- C2000 של TI ממליץ להקצות את הלולאה הנוכחית ל- CLA, ולהשאיר את הליבה העיקרית בחינם עבור בקרת מהירות, תקשורת ואבחון.

2.אופטימיזציה של מסגרות תוכנה ועיצוב מבוסס מודל

מפתחים יכולים להפחית באופן דרמטי את המורכבות של קושחה על ידי אימוץ של עיצוב מבוסס מודל (MBD) כלים כגון MATLAB /Simulink עם Embedded Coder. MBD מאפשר למהנדסים לדמות אלגוריתמים שליטה, לייצר באופן אוטומטי קוד ANSI C מותאם אישית, ולאמת ביצועים לפני חומרה.D ספקים DSP רבים לספק ערכות ספציפיות בלוקים וחבילות תמיכה בחומרה (למשל, TIsFLT:0CLTS) פונקציות של Software-CLT2, כולל פונקציות של Microsoft.

עבור אלה כתיבה קושחה באופן ידני, באמצעות מערכת הפעלה בזמן אמת (RTOS) כגון FreeRTOS או TI-RTOS יכול לעזור לנהל לוח זמנים משימה, להפריע קינון, ותקשורת בין-task. עם זאת, הלולאות בקרת הפרטיות הגבוהה ביותר צריך לרוץ כמו משימות מונעות להפריע על ה- CLA או עם שגרות שירות מפריעות (ISRs) כדי למזער Jitter.

טכניקות ניהול חשמל מתקדמות

ספקי DSP כוללים כעת תכונות ניהול חשמל מתוחכמות. מתח דינמי ותדירות (DVFS) מאפשר ל-DSP להוריד את השעון ואת מתח האספקה במהלך עומסי אור, צמצום כוח דינמי עד 80%.לדוגמה, התקנים Analog (FLT:0ADSP-CM40xFLT:1 המשפחה תומכת בצורות כוח מרובות (פעילות, שינה עמוקה).

בנוסף, בחירה זהירה של תדירות המעבר ואופטימיזציה של זמן מת יכול להפחית את ההפסדים ללא פגע, בעקיפין, הכוח נמשך מ-DSP-supply. Wide-bandgap שער נהגים (SiC או GaN) גם עוזר על ידי מתן היתר תדרי מעבר גבוהים עם הפסדים נמוכים יותר, אבל הם מוסיפים עלות מערכת ודורשים בידוד נהיגה זהיר.

המונחים: Robust Signal Conditioning and Layout Best Practices

יושרת אותות מתחילה בפריסה PCB.תרגול מפתח כוללים:

  • (FLT:0) sensingFIRLT:1; השתמש ב ADCs שונים או מגבר מבודד (למשל, AMC1301) עבור זרמי שלב מוטוריים כדי לדחות רעש משותף.
  • (ב) ,0) ,Ul-point-point, ; מפריד בין לולאות חשמל מתקדמות מבסיס אנלוגי ו-DSP, ולאחר מכן הצטרף אליהם בנקודה אחת.
  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) ערימה של ערימה: השתמש לפחות ארבע שכבות עם מטוסים קרקעיים ועוצמה ייעודיים כדי למזער את החדירה ולספק הגנה.

בקושחה, oversampling ו averaging יכול לשפר עוד את החלטת ADC.רוב DSP ADCs לתמוך בחומרה oversampling;מינוף זה יכול להפחית רעש ללא סינון אנלוגי נוסף.

יישום שליטה ללא חיישנים עם טכניקות Observer

חיישנים של מיקום להפחית את העלות ולשפר את האמינות, אבל שליטה ללא חיישן היא מאתגרת, במיוחד במהירויות נמוכות ובתנאים ללא עומס.DSPs מודרניים יכולים לבצע משקיפים מתקדמים כגון קידוד, מסנן קלמן מורחב (EKF), או מודל התייחסות מתאימה (MRAS) בתוך זמן הלולאה הספציפי.

6.הפיתוח באמצעות עיצובים וערכת הערכה

בהתחשב המורכבות של חומרה בקרה מוטורית וקושחה, החל עיצוב ההתייחסות הוא מאוד רצוי. יצרניות DSP מציעים ערכות בקרה מוטוריות שלמות הערכה (למשל, DRV83xxx של TI בשילוב עם C2000 LaunchPad) ערכות אלה כוללות schematic וקבצי פריסה, pre-oriented-oriented קושחה עם כלי כוונון GUI, ותיעוד מפורט יכול לשנות את ההתייחסות עבור המנוע שלהם, יישום ספציפי ואפקטיביות.

אימוץ תקני בטיחות פונקציונליים

עבור רכב (ISO 26262) ותעשייתי (IEC 61508) יישומים, מערכות בקרה מוטוריות חייבות לעמוד ברמות מהימנות בטיחות קפדניות (SIL) DSP מודרניים רבים מציעים ניתוח מנעול כפול, שנבנה על-ידי מבחן עצמי (LBIST, MBIST), ואבחון בטיחותי.לדוגמה, TMS320F28388D מ-T מכיל ארכיטקטורה בטיחות כפולה, תצורה צריכה לשלב את התכונות המוקדמות של מומחה בטיחותי (Applied Safety Analysis) באמצעות MEDSA-F28388D.

יישומים אמיתיים ומקריות

סרבו ווייטס

ביצועים גבוהים סרבו מניעים לדרוש סגירה של תת-מיקרו-שנית ושליטה חלקה על טווח מהירות רחב. חברות כמו Delta Electronics ו-Yahoo להשתמש C2000 DSPs כדי ליישם את FOC עם פיצוי קרוע. אפשרויות עיצוב מפתח כוללות שימוש ב- CLA עבור לולאות נוכחיות, ברזולוציה גבוהה PWM (150 ps), וקודדים עם פתרון 23 סיביות על ידי קושחה פחות מ-1% כדי להשיג את ה- krepWM (הוק הראשי של פחות מ-41) כדי להשיג פחות מ-41- 50.

כלי רכב חשמליים

כלי רכב מופנים חייב לספק מאות קילווואט תוך עמידה בדרישות הבטיחות של ASILD. Infineon ו NXP פיתחו בקרת מנוע ייעודי DSPs (למשל, Aurix TC4x) המשלבים הליבה DSP עם מאיצים חומרה עבור אלגוריתמים של FOC. מעבדים אלה להתמודד עם בקרה בזמן אמת תוך הפעלת מחסניות תקשורת מבוססות AUTOSAR, אבחון, ניטור יקר של , וספקי לחץ גבוה של חיישנים.

Drones and Light Weight Robotics

מל"טים קומפקטיים דורשים את בקר הקטן ביותר האפשרי כדי למזער משקל.STM32G4 של STMicroelectronics Integrated a Cortex-M4 DSP הליבה עם FPU וזמני בקרה מוטוריים ייעודיים, הכל בחבילת QFP זעירה.על ידי שימוש ב-Scarless FOC עם צופה מכווץ-Motiding-Moed, להשיג תנופה חלקה ב-RPM עם רכיבים מינימליים.

מגמות עתידיות ב-DSP-based Motor control

מעבדים רב-רלב והטרוגניים

ככל שהאלגוריתמים גדלים מורכבים יותר, רב-רייט DSPs (למשל, TMS320F28388D עם C28x כפול ו- CLA) מאפשרים חלוקת שליטה, בטיחות ומשימות תקשורת.אדריכלות זו מפחיתה את ההתערבות ומשפרת את הדטרמיניזם בזמן אמת. בעתיד, אנו עשויים לראות DSPs המשלבים מאיץ רשת עצבית לגילוי מתקדם ותחזוקת חיזוי.

AI-Assisted Tuning ו- Fault Diagnosis

אלגוריתמי למידת מכונות מתחילים להופיע בקושחה של שליטה מוטורית, פועל על אותה הליבה DSP.לדוגמה, רשת עצבית קטנה יכולה ללמוד את פרמטר המנוע סחף על פני טמפרטורה באופן אוטומטי להתאים את הישגי PI.הטכנולוגיה הזו עדיין מתפתחת, אך תוצאות מוקדמות מ-FLT:0IEEEIREESFLT:1 מציג שיפורים משמעותיים ביעילות ובעוצמה.

Bandgap Semiconductors Drive High Bandwidth control

מתגי כוח GaN ו- SiC מאפשרים מעבר לתדרים מעל 100 kHz, אשר בתורו הביקוש אפילו מהר יותר לולאות הנוכחיות. DSPs עתידיים יצטרכו מהירויות שעון גבוהות יותר, חומרה ייעודית יותר, ומהירה יותר ADCs כדי להמשיך.

מסקנה

תכנון מערכות בקרה מוטוריות בעלות מעבדי DSP הוא משמעת תובענית אך מתגמל הדורשת שליטה של מחשוב בזמן אמת, אלקטרוניקה כוח, עיבוד אותות והנדסה קושחה. על ידי הבנת האתגרים העיקריים - מגבלות בזמן אמת, מורכבות אלגוריתמית, רגישות רעש, צריכת חשמל, ומורכבות פיתוח - מהנדסים יכולים ליישם פתרונות ממוקדים: האצה, עיצוב מבוסס מודל, תאורה, התבוננות, שימוש חסר רגישות ושימוש של דרישות הפעלה וניהול אופטית, כולל יכולות יעילות של יעילות של יעילות וניהול אופטית, וכן פיתוח, כולל ביצועים יעילים יותר, וכן ביצועים תעשייתיים, מערכות יעילות וניהול ביצועים.