Table of Contents

Чому цифрові сигнальні процесори не допускаються в сучасному дизайні живлення

Системи електропостачання перетворилися далеко за прості лінійні регулятори та аналогові петлі зворотного зв'язку. Сьогодні, джерела живлення комутаторів, безперебійних живлення, зарядних пристроїв, а також інвертори відновлюваної енергії вимагають реального часу обчислення, адаптивного контролю та високоефективності роботи. На самому серці цих складних систем сидить цифровий сигнальний процесор (DSP). На відміну від універсального мікроконтролера (MCU) або польового програмування масиву (FPGA), DSP архітектурно оптимізований для високошвидкісних математичних операцій, які вимагають перетворення енергії, трансформацій, алгоритму та замкненого керування. Ця стаття вивчає унікальні можливості поставлення

Розуміння архітектури DSP для електромереж

DSP - це спеціалізований мікропроцесор, побудований навколо Гарвардської або модифікованої Гарвардської архітектури, з окремими автобусами для програми та пам'яті даних. Цей розділ дозволяє чіпати і читати або писати дані в один годинниковий цикл, різко акселеруючою обчислювальною здатністю. Основні архітектурні функції, які роблять DSPs ідеально підходить для контролю живлення включають:

  • ]Сінгле-цикл мульти-accumulate (MAC) юніти] — незамінний для цифрових фільтрів і контрольних петель, які вимагають багатозастосувань і накопичення в кожному проміжку часу.
  • Hardware кругові глушники — спрощення виконання скінченних імпульсних відповідей (FIR) фільтрів, що поширені в сигналі датчика.
  • Диже доступ до пам'яті (DMA) контролерів — переміщення даних з перевантаження, тому ядро залишається безкоштовним для алгоритму виконання.
  • Multiple аналогово-цифровий конвертер (ADC) — дозволяє одночасному відбору напруги, струму та температурних сигналів.
  • On-chip модуляція пульсової смуги (PWM) — генерує високорозрядні комутації хвиль, необхідні для сучасних етапів живлення.

Ці апаратні блоки працюють разом з тим, щоб виконати алгоритм керування в десятках мікросекундів, що дозволяють переключати частоти від десятків до сотні кілограмів. Для детальних посилань архітектури див. записи додатків з Texas Instruments on C2000 real-time Controllers або Analog Devices на DSP-продуктивності в цифровій потужності.

DSPs проти мікроконтролерів проти ФПГ в силовому контролі

Дизайнери часто обирають між МКУ, ФПГазом, ДСПами для контролю цифрової потужності. Вирішені петлі на швидкості петлі, гнучкості та складності розробки.

Мікроконтролери (МКУ)

Універсальні MCUs (наприклад, серії ARM Cortex-M) є економічно вигідними і легко програмами, але їх арифметичні логічні одиниці (ALUs) зазвичай не мають виділеного обладнання MAC. Хоча деякі сучасні MCU включають розширення DSP, ядро все ще призначений для контрольного потоку, а не інтенсивної математики. Для низько- до середніх груп живлення (наприклад, прості перетворювачі buck на помірних частотах перемикання), MCU може бути глухим.

Польові програмовані ворота Арраї (FPGAs)

FPGAs пропонує найвищу продуктивність, оскільки логіка управління реалізується в паралельному апараті. Однак, розробка FPGA вимагає експертизи в апаратних описах мов (VHDL / Verlog), а вексель вартості матеріалів зазвичай вище. FPGAS виділяється в додатках, що потребують ультра-швидкої петлі часу (<100 ns) або користувацьких схем модуляції, але для більшості промислових і споживчих витрат, додаткові апаратні та зусилля розвитку не обґрунтовані.

Цифрові процесори сигналу (DSPs)

DSPs займає середню основу: вони забезпечують близько-FPGA обчислювальну пропускну здатність для алгоритмів керування при збереженні простоти розробки програмного забезпечення, характерних для MCU. При виділеному модулі MAC та на-чипсихіці дозволяють одностороннім DSP керувати декількома петлями управління, стеками зв'язку (PMBus, I2C, SPI), а також моніторингом системи. Ця інтеграція знижує кількість компонентів і спрощує макет дошки.

Основні алгоритми керування, що реалізовані на DSPs

Реальна потужність DSP стає очевидною при реалізації стратегій контролю, які будуть непрактично з аналоговими ланцюгами або низьким рівнем MCU.

Пропортаційно-ретегральні (ПД) з цифровими розширеннями

Цифрові контролери PID є задньою частиною більшості петель живлення. DSP може виконувати розрахунки PID з антиморозним, похідним фільтруванням, а також отримати розклад в декількох мікросекундах. Можливість регулювання коефіцієнтів у прошивці дозволяє адаптивне тюнінг без зміни апаратного забезпечення.

Попереднє контроль (модельний предикційний контроль – МПК)

MPC використовує модель блоку живлення для прогнозування майбутньої поведінки і вибору оптимальних станів перемикання. Під час обчислювальної інтенсивної, DSPs може вирішувати необхідні проблеми оптимізації в діапазоні мілісекунду для перемикання частот до 20 кГц. MPC забезпечує більш швидке реагування на перехід і меншу загальну гармонічну спотворення порівняно з звичайним PID.

Цифровий фільтр для датчика шуму

Датчики струму реального світу і напруги вводять шум. DSPs впроваджують FIR або нескінченну імпульсну відповідь (IIR) фільтри для очищення сигналів без дрейфта або температури чутливості аналогових фільтрів. Ці фільтри синхронно пускають з ADC відбору, забезпечуючи контрольну петлю бачить чисту зворотну інформацію.

Програмне забезпечення Фаза-блокування Loop (PLL) для інверторів з мережами

У відновлюваних системах енергії, програмне забезпечення DSP на основі PLL синхронізує інвертор з сітку. Процесор відстежує фазу сітки і частоту з високою точністю, що дозволяє безшовні функції з ін'єкційною енергією і сіною опорою.

Реалізація нерухомості: Приклад перетворювача 3-хфазного інвертора

Розглянемо трифазний інвертор 10 кВт для сонячної фотоелектричної системи. DSP отримує відгуки від поточних датчиків на кожній фазі і датчик напруги на автобусі постійного струму. Усередині DSP:

  1. ADC завантажувач — Одночасно захоплює фази струмів і напругу автобуса на 100 кС/с.
  2. Координаційна трансформація — Конвертує стаціонарні α-β-елементи для обертання координат d-q з використанням цифрових PLL та тригонометричних таблиць для перегляду.
  3. Керентний контроль — Два контролери PI (d і q axes) компралюють необхідний вектор напруги.
  4. PWM генерації — DSP розраховує цикли обов’язки для шести вимикачів живлення та навантажує їх у периферію PWM з вставкою в час відключення.
  5. Моніторинг і захист — Овертор, перенапруги, а температурні пороги проходять перевірку кожного циклу.

Всі ці кроки виконуються в 50 мкм, що дозволяє 20 кГц частоті перемикання. Без DSP, досягнення цієї продуктивності буде вимагати декількох компонентів або набагато дорожче ФПГА.

Переваги контролю живлення DSP-Based

Переваги за межами сирої швидкості:

  • ] Гнучкість прошивки — Оновлення параметрів керування або алгоритмів можна розгорнути в полі без апаратних змін.
  • Рудіфікований компонент — DSPs інтегрувати ADCs, DACs, PWMs, інтерфейси зв'язку, розміри та вартість дошки.
  • Висока ефективність — Розширені алгоритми, такі як прогностичне управління та динамічне масштабування напруги, мінімізація втрат комутації.
  • Покращена надійність — Цифрова логіка менш схильна до температурного режиму та старіння компонентів, ніж аналогові еквіваленти.
  • Diagnostics and Telemetry — DSP може записувати історію роботи, події несправностей та результативності для прогнозування технічного обслуговування.

Розглядання дизайну при використанні DSPs

Швидкість годинника і термін виконання

Більшість петель керування живлення повинні завершитися протягом 5-20% періоду перемикання. Для 100 кГц перемикача з інтервалом 10 мкм, ДСП повинен закінчити свої розрахунки в 1–2 мкм. Висока продуктивність ДСП, що працює на 200–600 МГц, може легко зустрітися, але дизайнери повинні враховувати для накладної периферичної конфігурації та переривання обслуговування.

Рішення та синхронізація АЦП

Роздільна здатність ADC безпосередньо впливає на точність та шумопідлоги. 12-бітні ADC є загальними для живлення, що дає 4096 кроків над діапазоном відчуження. Для високоточних додатків (наприклад, зарядки акумулятора), можуть бути необхідні 16-бітні ADC. DSPs може викликати перетворення ADC синхронно з таймерами PWM для вибірки при оптимальному миттєвому (наприклад, долина індуктора струма рифа), поліпшення точності вимірювання.

Розробка прошивки

Розробники зазвичай використовують C / C++ з використанням DSP-специфічних інтегруючих функцій для операцій MAC. Відразкові дебугери та несцилограф-подібні дані експорт (наприклад, через JTAG або послідовно) допомагають налаштовувати петлі керування. Багато постачальників забезпечують довідкові конструкції та бібліотеки програмного забезпечення для загального рівня енергії (грега, приріст, ліхтарик, фасон-зважений повномістний і т.д.).

Майбутні тренди: AI, ML, DSP Evolution

Роль DSPs у джерела живлення розширюється як штучний інтелект та машинне навчання переходить в вбудовані системи. DSP може виконувати легкий нейромережевий інфографічний інтерфейс для прогнозування змін навантаження або деградаційних моделей, що дозволяє проактивувати, а не реактивний контроль. Наприклад, зарядний пристрій може використовувати треновану модель для визначення оптимального профілю заряду на основі віку батареї та температури без втручання людини.

Крім того, інтеграція RISC-V-серій поряд з Arithmetic юнітів DSP є на горизонті, що пропонує єдиний майданчик для управління та загальної обробки. Це дозволить спростити системну архітектуру та зменшити затримки між AI-рішенням та вихідним актуатором.

Ще одна область дігітальна близнюка]] інтеграції: DSP працює швидко модель енергетичного етапу паралельно з фізичною системою. Відмінності між моделеною і вимірюваною поведінкою можуть виявити несправності рано, поліпшення безпеки і часу. Для галузевої перспективи див. .IEEE папір на DSP-на основі цифрових близнюків для силових перетворювачів.

Висновок

Цифрові процесори сигналу перенесли з нішевих компонентів до центральних контролерів у системах з розширеною електропостачання. Їх унікальний суміш швидкісних аерокосмічних, інтегрованих периферійних пристроїв та програмної програми дозволяє дизайнерам будувати менші, ефективні та більш інтелектуальні перетворювачі потужності. Як відновлювана інтеграція енергії, зарядка електромобілів та вимоги до центру даних продовжують рости, DSPs залишаться важливим для зустрічі суворих правил ефективності та вимог надійності. Інженери, які майстерні DSP-підрядного контролю, будуть добре обладнані архітектором електромережами завтра.

Для подальшого читання на вибір цифрового контролю та DSP, зверніться до білого паперу Analog Devices та звітів про застосування Texas Instruments’ C2000 серії керування в режимі реального часу.