Tại sao các bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số không thể truy cập được trong thiết kế cung cấp điện hiện đại

Hệ thống cung cấp điện đã tiến triển vượt xa các quy định tuyến tính đơn giản và các vòng phản hồi tương tự. Ngày nay, các nguồn cung cấp điện chuyển đổi, nguồn cung cấp điện không gián tiếp, bộ điều khiển pin, và bộ điều khiển tái tạo, cần thiết tính toán thời gian thực, điều khiển thích ứng, và hoạt động phản hồi cao cấp. Tại trung tâm của các hệ thống tinh vi này, nằm trong bộ xử lý tín hiệu số (DPPP. Không giống như một bộ điều khiển vi vi xử lý pin, hoặc một hệ thống tự động lập trình tự lập (FGGGG), một hệ thống điều khiển thời gian thực tế là tối ưu cho các hoạt động toán học nhanh chóng mặt đòi hỏi sự chuyển đổi năng lượng cao, thay đổi và kiểm soát các bài viết tắt của các chi tiết điện tử. Khả năng lượng này sẽ tăng lên, các khả năng điều khiển và các thuật toán học, và các thuật toán học có khả năng điều khiển các biến đổi các biến đổi các biến đổi, và các thuật toán học, và các thiết lập trình tự động điện tử, và các thuật toán, và các thuật toán, các biến đổi đổi các biến đổi các thiết kế tiếp theo đó

Hiểu kiến trúc điện năng của máy DP

Một bộ vi xử lý đặc biệt được xây dựng chung quanh một cấu trúc Harvard hoặc được sửa chữa, với xe buýt riêng cho chương trình và bộ nhớ dữ liệu. Sự khác biệt này cho phép chip lấy hướng dẫn và đọc hoặc viết dữ liệu trong một chu kỳ đồng hồ, tính toán nhanh chóng. tính toán một cách đáng kể. tính năng kiến trúc làm cho các cấu trúc thiết kế lý tưởng cho việc kiểm soát nguồn cung cấp điện bao gồm:

  • Đơn vị nhân (MAC) ) — thiết yếu cho bộ lọc kỹ thuật số và vòng điều khiển cần thiết cho phép nhân và tích lũy trong mỗi thời gian mẫu.
  • Bộ lọc bộ đệm vòng tròn ) — đơn giản hóa việc thực hiện phản ứng xung lực hữu hạn (FIR) bộ lọc thường dùng trong điều chỉnh tín hiệu cảm biến.
  • Truy cập bộ nhớ phân vùng [DMA] bộ điều khiển ) — tắt chuyển động dữ liệu tải nên lõi vẫn miễn phí để thực hiện thuật toán.
  • Giao diện tương tự như số học chuyển đổi ) — cho phép đồng thời mô phỏng điện áp, hiện tại và nhiệt độ.
  • Trên xung-chip-width chaution [PWM:1) — tạo ra các dạng chuyển đổi sóng có độ phân giải cao cần thiết cho giai đoạn năng lượng hiện đại.

Những khối phần cứng này hoạt động cùng nhau để thực hiện một thuật toán kiểm soát trong mười phần triệu phần giây, cho phép chuyển tần số từ mười đến hàng trăm khertz. Để tham khảo chi tiết về kiến trúc, xem các ghi chú ứng dụng [FLT: 0] Texs T kinh nghiệm trên C2000 bộ điều khiển thời gian thực hoặc [FL:] Bài viết tắt của thiết bị ghi chú về thiết bị máy phát âm trên trình diễn [FL:] trong công nghệ số [FL:].

DPS đấu với vi điều khiển chống lại. FPGAs trong việc kiểm soát nguồn điện

Các nhà thiết kế thường chọn giữa các thiết kế của MCUs, FPGAs và DPs để kiểm soát điện số.

Vi điều khiển (MCUs)

Hệ thống định vị đa năng (v. d., AM Cortex-M) có hiệu quả chi phí và dễ dàng cho chương trình, nhưng đơn vị số học của họ (ALUs) thường thiếu phần cứng MAC. Trong khi một số phần cứng kiểu MCUs hiện đại bao gồm phần mở rộng DP, lõi vẫn được thiết kế để điều khiển dòng chảy hơn là tính toán tích hợp. Đối với nguồn cung cấp điện phức tạp trung bình (v. d., chuyển đổi đơn giản ở tần số vừa), một MCU có thể đủ.

Cổng có thể đo điện tử (FPGAs)

FPGAs cung cấp hiệu suất cao nhất vì khả năng điều khiển logic được thực hiện trong phần cứng song song. Tuy nhiên, phát triển FPGA đòi hỏi sự chuyên môn về ngôn ngữ mô tả phần cứng (VDL/Verilog), và dự luật giá vật liệu thường cao hơn. FPGA xuất sắc trong ứng dụng cần vòng lặp siêu nhanh lần (H100 n) hoặc kế hoạch tùy chỉnh, nhưng đối với hầu hết các nguồn cung cấp điện công nghiệp và tiêu dùng, các công cụ phụ và phát triển không hợp lệ.

Bộ xử lý tín hiệu số (DPs)

Trình nền chính giữa: chúng cung cấp các tính toán gần như FPGA thông qua các thuật toán điều khiển trong khi giữ lại sự dễ dàng phát triển phần mềm tiêu biểu của MCUs. Các đơn vị đa năng và ngoại vi phụ cho phép một hệ thống DP đơn để quản lý nhiều vòng điều khiển, chồng giao tiếp (PM, I2C, SPI) và hệ thống giám sát. Việc tích hợp này giảm thành phần và bố trí bảng mô phỏng.

Thuật toán mã hoá điều khiển lõi được thực hiện trên hệ thống DP

Sức mạnh thực sự của một máy DP trở nên rõ ràng khi thực hiện các chiến lược kiểm soát tiên tiến mà sẽ không thực tế với các mạch điện tương tự hoặc thấp cấp MCUs.

Tăng cường đối xứng-Cấp bênh-D hoạt động (PID) với tăng cường số

Bộ điều khiển biểu đồ tần xuất số là cột sống của hầu hết các vòng cung cấp điện. Một hệ thống DP có thể thực hiện tính toán biểu đồ tần xuất với chống gió, lọc dẫn, và được lên kế hoạch trong vài phần triệu giây. Khả năng điều chỉnh hệ số trong phần mềm công ty giúp điều chỉnh thích nghi mà không thay đổi phần cứng.

Điều khiển dự đoán (điều khiển dự đoán - MPC)

MPC sử dụng một mô hình của giai đoạn điện để dự đoán ứng xử tương lai và chọn trạng thái chuyển đổi tối ưu. Trong khi tính toán cao, DP có thể giải quyết các vấn đề tối ưu hóa cần thiết trong phạm vi mili giây để chuyển tần số thành 20 kHz. MPC cung cấp phản ứng nhanh hơn và sự méo mó hệ thống điều hòa thấp hơn so với thông thường PID.

Bộ lọc số cho phép từ chối nhiễu cảm biến

Bộ lọc hiện tại và bộ cảm biến điện thế thực hiện giao thức điện thế. DS thực hiện phản ứng FIR hay vô hạn (IIR) bộ lọc để làm sạch các tín hiệu, không có độ nhạy của bộ lọc tương tự. Những bộ lọc này chạy đồng bộ với mẫu ADC, bảo đảm vòng điều khiển thấy dữ liệu phản hồi trong sạch.

Vòng lặp Giai đoạn Phần mềm (PL) cho Điểm Đảo Hình Lưới

Trong hệ thống năng lượng tái tạo, phần mềm dựa trên hệ thống định vị sẽ đồng bộ hoá bộ chuyển mạch. Các thiết bị xử lý theo dõi mạng lưới và tần số với độ chính xác cao, cho phép tiêm điện và hỗ trợ lưới điện không thể tách rời.

Sự bùng nổ thực tế: một ví dụ nghịch đảo 3Phase

Hãy xem xét một bộ đảo 3 phần của hệ thống quang điện mặt trời. DP nhận phản hồi từ các cảm biến hiện tại trong mỗi giai đoạn và bộ cảm biến điện áp trên xe buýt DC. bên trong hệ thống DP:

  1. Mẫu — Đồng thời ghi nhận các dòng hải lưu và điện áp xe buýt ở mức 100 kS/s.
  2. Sự biến đổi — Chuyển đổi tĩnh Găn-Găn để xoay tọa độ d-q bằng các bảng tìm kiếm và lượng giác số
  3. Điều khiển — Hai điều khiển PT (d và q trục) tính toán véc- tơ điện áp cần thiết.
  4. Thế hệ PWM — The DP tính toán chu kỳ nhiệm vụ cho sáu công tắc điện và nạp chúng vào ngoại vi PWM với việc chèn thời gian đã chết.
  5. Việc sắp xếp và bảo vệ — Quá trình hiện thời, quá nhiều nhiệt độ và ngưỡng nhiệt độ được kiểm tra mỗi chu kỳ.

Tất cả các bước này thực hiện dưới 50 GL, cho phép một tần số chuyển đổi 20 kHz. mà không có hệ thống DP, sẽ cần nhiều thành phần hoặc một FPGA đắt hơn nhiều.

Lợi thế của việc kiểm soát nguồn điện DP-Basted

Lợi ích sẽ kéo dài hơn cả tốc độ sống:

  • Tính linh hoạt ) — Cập nhật để điều khiển tham số hoặc thuật toán có thể được triển khai trong lĩnh vực mà không cần thay đổi phần cứng.
  • Số thành phần đã được ghi đè — DPs tích hợp ADC, DACs, PWMs và giao diện giao tiếp, thu nhỏ kích cỡ và chi phí.
  • hiệu suất cao ) — Các thuật toán cấp cao như khả năng điều khiển dự đoán và tăng cường điện áp năng lượng thấp hơn giảm thiểu việc chuyển đổi.
  • [FLT: 0] Sự đáng tin cậy ) — Lập luận kỹ thuật số ít dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ trôi dạt và tuổi già của thành phần hơn là tương đương.
  • Những người theo thuyết bất khả tri và khả năng dự đoán ) — Các DIS có thể ghi chép lịch sử hoạt động, sự kiện lỗi và dữ liệu hiệu quả để bảo trì dự đoán.

Thiết kế xem xét các mục tiêu khi sử dụng các thiết bị tìm kiếm

Đồng hồ chạy nhanh và giờ hành quyết

Đa số vòng cung cung cấp điện phải hoàn tất trong vòng 5–20% của giai đoạn chuyển đổi. Đối với một bộ chuyển đổi 100 kz với một thời gian 10 , hệ thống DP phải hoàn thành tính toán trong 1–2 GS. Các hệ thống DP cao cấp hoạt động với 200–600 MHz có thể đáp ứng dễ dàng, nhưng các nhà thiết kế phải tài khoản cho chi phí của cấu hình ngoại vi và làm gián đoạn phục vụ.

Độ phân giải và đồng bộ ADC

Độ phân giải ADC trực tiếp tác động đến sàn nhiễu. Độ phân giải 12 bit là phổ biến cho nguồn cung cấp điện, cung cấp 4096 bước trên phạm vi cảm biến. Đối với ứng dụng cấp cao (v. d. sạc pin), 16- bit ADC có thể cần thiết. DP có thể kích hoạt sự đồng bộ hoá ADC với PWM để lấy mẫu tại thời điểm tối ưu (v. d., thung lũng của các gợn sóng hiện tại), tăng độ chính xác.

Môi trường phát triển phần mềm vững chắc

Các nhà phát triển thường sử dụng C/C++ với chức năng đặc trưng nội dung riêng cho thao tác MAC. Những người gỡ lỗi thời gian thực và xuất khẩu dữ liệu giống oscillocop (v. d., qua JTAG hay nối tiếp). Nhiều nhà cung cấp bộ tham khảo thiết kế tham chiếu và thư viện phần mềm cho các hệ thống năng lượng chung (buck, thúc đẩy, bay ngược, chuyển tiếp toàn bộ cầu giai đoạn, v. v. v.)

Treds: Al, ML, và thuyết tiến hóa của hệ thống DP

Vai trò của các thiết bị cung cấp điện đang mở rộng như trí thông minh nhân tạo và máy học tập chuyển vào các hệ thống nhúng. Một hệ thống thần kinh nhỏ có thể thực hiện việc dự đoán các thay đổi tải hoặc biến đổi thoái hóa, cho phép hoạt động thay vì kiểm soát phản ứng. Ví dụ, bộ ắc quy có thể sử dụng một mô hình được đào tạo để xác định hồ sơ sạc tối ưu dựa trên tuổi pin và nhiệt độ không có sự can thiệp của con người.

Hơn nữa, sự kết hợp giữa RISC-V cùng với đơn vị số học của hệ thống này đang ở trên đường chân trời, cung cấp một nền tảng thống nhất cho cả kiểm soát lẫn xử lý chung. Nó sẽ đơn giản hóa cấu trúc hệ thống và giảm hiệu lực giữa việc ra quyết định và hoạt động.

Một lĩnh vực khác là sự kết hợp số học [FLT: 1]: một mô hình nhanh của giai đoạn điện song song với hệ thống vật lý. Sự khác biệt giữa hành vi mô phỏng và đo lường có thể phát hiện lỗi sớm, tăng độ an toàn và thời gian lên. Để xem ) giấy trên máy tính của cặp song sinh dựa trên số DP [FLT] cho những người đổi đạo [FLT].

Kết luận

Các bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số đã chuyển từ các thành phần phụ sang trung tâm điều khiển trong hệ thống cung cấp điện cao cấp. Sự pha trộn độc đáo của chúng về số học, ngoại biên tích và lập trình cho phép các nhà thiết kế xây dựng những thiết kế nhỏ hơn, hiệu quả hơn, và nhiều bộ điều khiển năng lượng thông minh hơn. Khi sự tích hợp năng lượng tái tạo, điện chuyển đổi phương tiện điện, và nhu cầu điện lực trung tâm tiếp tục phát triển, các thiết yếu tố này sẽ còn hoạt động với các quy tắc hiệu quả và yêu cầu đáng tin cậy hơn. Các kỹ sư về việc sử dụng thiết kế dựa trên thiết kế dựa trên cơ bản điều khiển DPP sẽ được trang bị điện tử ngày mai sẽ được trang bị tốt hơn.

Để đọc thêm về kiểm soát và lựa chọn DP, hãy tham khảo các giấy tờ trắng có sẵn tại [FLT: 0] thiết bị ghi và báo cáo ứng dụng Texas Ins Insments' C22000s-time control series .