Технические науки/6.Электротехника и радиоэлектроника
Байков Д. В., к.т.н. Карасев А. В.
Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева, Россия
Специализированные сигнальные микроконтроллеры для управления
электроприводом переменного тока
Лидирующие позиции в разработке систем управления для
электропривода занимают корпорации, имеющие собственное производство микросхем
и микроконтроллеров. В список входят: Texas Instruments (C2000, ARM +
InstaSPIN-FOC technology), NXP Semiconductors (ARM), Freescale Semiconductor
(MC56F84xxx/56800EX, ARM), STMicroelectronics (ARM), Toshiba Electronics (ARM +
Vector Engine (VE)), Atmel Corporation (AVR/8051), Infineon Technologies (ARM,
8051 + CORDIC and MDU coprocessor units), International Rectifier (8051 + Motion
Control Engine (MCE)), Microchip Technology (PIC), Analog Devises
[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10].
Принципы построения векторных систем управления
электроприводом разработаны еще до появления микроконтроллеров. Требуемые для
её реализации вычислительные ресурсы существенны и просчитаны (50..100 MIPS).
Поэтому приведённый выше список разработчиков можно сократить до трех позиций,
а результат исследования основных характеристик микроконтроллеров для
управления электроприводом представить в таблице.
Основные
характеристики микроконтроллеров для управления электроприводом
|
Параметры |
Texas Instruments Piccolo TMS320F2806x |
Freescale Semiconductor MC56F84xxx |
Toshiba Electronics серии M370 group |
|
Рабочая частота процессора |
90 МГц |
100 МГц |
80 МГц |
|
Векторное управление (FOC) |
Да |
Да |
Да |
|
Автоматическое определение параметров двигателя |
Да |
Нет |
Нет |
|
Разрешение ШИМ (минимальный шаг) |
150 пс |
320 пс |
12,5 нс |
|
Выходные каналы формирования ШИМ |
16 каналов ШИМ (8
высокого разрешения) |
24 канала ШИМ (8 высокого
разрешения) |
Одноканальный
программируемый трехфазный выход ШИМ |
|
Время преобразования АЦП |
Два 8 канальных,
12-разрядных АЦП, 289 нс |
Два 8 канальных, 12-разрядных АЦП,
300 нс |
6 канальный,
12-разрядный АЦП, 2
мкс |
|
Встроенная флэш-память |
До 256 КБ |
До 288 КБ |
До 128 КБ |
|
Аппаратная реализация алгоритма векторного управления |
Нет |
Нет |
Да |
|
Цена, долл. |
6 |
7 |
6 |
Компания Texas Instruments представляет большой
ассортимент микроконтроллеров для систем управления электроприводом. Одним из
последних решений данной компании стала новая серия экономичных 32-разрядных микроконтроллеров
высокой интеграции Piccolo F2806x. В данной серии значительно расширены
возможности математических вычислений не только за счет повышения тактовой
частоты микроконтроллеров до 90 МГц, но и путем добавления нового модуля
операций с комплексными числами VCU. Благодаря этому упрощается
программирование и существенно оптимизируется производительность в приложениях
с управлением в режиме реального времени, необходимые во встроенных системах
связи. Объем флэш-памяти и ОЗУ увеличен, кроме того Piccolo может использовать
новую периферию, такую как USB (с хостом), DMA и модуль захвата высокого
разрешения. Эти усовершенствования открывают дорогу к большому набору новых
возможностей применения. Например, инженеры могут легко добавить к своим
системам любые варианты связи по линии электропередачи, не нуждаясь в
дополнительном микроконтроллере.
Основные достоинства микроконтроллеров серии F2806x:
– Исключительная производительность 32-разрядного
микроконтроллера для управления в реальном времени;
– Широкий выбор объема встроенной флэш-памяти 16-256
КБ;
– Два 8-канальных, 12 разрядных АЦП, до 4,6 млн.
сигналов/с;
– 16 каналов ШИМ (8 высокого разрешения);
– Встроенный ускоритель алгоритмов управления;
– Сравнительно низкая стоимость около 6 долл.;
– Повышенное удобство использования;
– Небольшой размер корпуса;
– Масштабируемая производительность, выбираемые
расширения для математических вычислений и управления;
– Различные отладочные наборы: F2806x controlSTICK за
39 долл. и более расширенная экспериментальная версия F28069 Piccolo
Experimenter Kit за 99 долл.
Кроме того компания Texas Instruments на базе
микроконтроллера F28069 представила совершенно новую технологию управления
трехфазным электродвигателем любого типа – InstaSPIN-FOC (это еще один огромный
плюс, которого нет у конкурентов). Благодаря данной технологии уже не
приходится тратить время на определение параметров электродвигателя (рисунок 1)
и его настройку, запуск и полное управление (изменение скорости и нагрузки), на
это требуются считанные минуты.
Рисунок 1 – Автоматическая
идентификация параметров двигателя
Технология подразумевает реализацию всех функций
управления любым типом трехфазного электродвигателя, синхронным или
асинхронным. Кроме того, исключается необходимость использования механического
датчика ротора, что позволяет уменьшить производственные затраты и повысить
надежность работы электродвигателя. Механический датчик ротора заменяется
программным алгоритмом энкодера FAST (Flux - поток, Angle -угол, Speed -
скорость, Torque - момент), который теперь встроен в ПЗУ 32-разрядных
микроконтроллеров семейства С2000 Piccolo. Встроенный программный алгоритм FAST позволяет
делать точные вычисления для оценки потока, угла, скорости и момента во всех
условиях использования. Производительность и точность программного алгоритма
сравнимы с характеристиками физического энкодера и в большинстве случаев
устраняют необходимость его использования. Реализованный в технологии
InstaSPIN-FOC метод векторного управления, позволяет упростить разработку,
снизить сложность систем, повысить качество решений, КПД двигателя,
производительность и надежность во всем диапазоне скоростей и механических
нагрузок. Замененный программным алгоритмом энкодера FAST механический датчик
ротора снижает стоимость системы и увеличивает ее надежность (увеличение
производимости в жестких условиях работы, электрический шум и наводки,
температура и влажность). Кроме того, использование датчика, например, в
больших тяговых машинах крайне затруднительно и не практично.
Некоторые преимущества технологии InstaSPIN-FOC:
– Сокращение времени разработки систем благодаря почти
полной автоматической идентификации параметров электродвигателя и настройки
управления;
– Одно решение для всех типов синхронных (BLDC, SPM и
IPM) и асинхронных (ACI) трехфазных электродвигателей;
– Отсутствие механического датчика ротора;
– Встроенные режимы запуска и блокировка блока
контроля угла менее чем на один электрический цикл исключают технические
проблемы при запуске электродвигателя, присущие другим бессенсорным методам
управления;
– Высокие рабочие характеристики на низких скоростях в
условиях полного крутящего момента, реверса через нулевую скорость, торможения
и плавного вывода двигателя из режима срыва;
– Более эффективное управление электродвигателем со
встроенным векторным управлением, что позволяет разрабатывать приложения с
ручным или автоматическим ослаблением поля (более высокие скорости вращения)
или ручным увеличением поля (более высокий крутящий момент);
– Программное обеспечение PowerWarp, предназначенное
для повышения эффективности системы. Этот режим работы подразумевает регулировку
тока асинхронного электродвигателя, позволяет снизить энергопотребление и
повысить КПД асинхронных электродвигателей при минимальных нагрузках. Это один
из случаев, когда алгоритм FAST применяется для снижения потерь
электродвигателя на меди, как в статоре, так и в роторе;
Специалистами Texas Instruments на основе фирменной
технологии управления электродвигателем InstaSPIN-FOC было создано новое
полнофункциональное программное решение управления крутящим моментом, скоростью
вращения и направлением InstaSPIN-MOTION (рисунок 2), позволяющее получить
высоко стабильную работу электродвигателя, работающего в динамично меняющихся
режимах, при самой высокой экономичности. Технология InstaSPIN-MOTION сводит
всю процедуру настройки к настройке одиночного параметра двигателя и
отслеживанию, с высокой точностью, требуемого характера вращения во всех
режимах работы, тем самым представляя разработчикам один из самых легких и
эффективных способов получения оптимального бездатчикого управления трехфазным
электродвигателем.
Рисунок 2 – Технология
InstaSPIN-MOTION
Для того чтобы воспользоваться данной технологией
разработчику необходимо подключить электродвигатель к системе InstaSPIN
(отладочный набор + программный комплекс MotorWare). В микроконтроллер
загружается специальное приложение, которое совместно с Host-приложением
выполнит анализ параметров подключенного электродвигателя. По завершению
автоматического определения параметров будет сгенерирован профиль, который в
последующем будет использоваться приложением для управления электродвигателем.
Процесс анализа занимает около 5 минут, а от пользователя требуется ввести в
программе только значения максимального напряжения и тока для конкретного
электродвигателя. В результате создается система, которая может управлять электродвигателем
в диапазоне от статического положения до вращения с любой скоростью в пределах
спецификации. После создания профиля разработчик может управлять
электродвигателем с помощью логического интерфейса, исключая непосредственное
взаимодействие с низкоуровневой аппаратной частью системы. Кроме того,
разработчик может использовать информацию, получаемую системой от двигателя,
для определения условий остановки и перегрузки, что позволяет повысить
безопасность и надежность системы.
Совместно с основными InstaSPIN-MOTION алгоритмами,
встроенными в постоянную память (ROM) 32-разрядных C2000 Piccolo
микроконтроллеров фирмы Texas Instruments, используются SpinTAC компоненты от
фирмы LineStream Technologies, выполняющие оптимальное профилирование вращения,
настройку параметров и подавление нежелательных возмущений, что ускоряет
процесс разработки и позволяет повысить рабочие характеристики в диапазоне
изменяющихся скоростей и загрузок.
SpinTAC компоненты технологии InstaSPIN-MOTION и их
назначение:
– Компонент идентификации (identify) – обеспечивает
оптимальное слежение и подавление нежелательных возмущений, обеспечивает работу
с учетом реальной инерции системы;
– Компонент управления (control) – минимизирует
затраты времени и снижает сложность настройки за счет работы с одним параметром
настройки;
– Компонент управления скоростью вращения (move) –
формирует автоматически оптимизируемый профиль вращения, на основе пусковой
скорости вращения, потребной скорости вращения и системных ограничений по
ускорению, по резким толчкам и характеру вращения;
– Компонент планирования (plan) – быстро формирует
различные состояния вращения (переходы от одной скорости к другой) и связывает
их с логикой состояний.
Обеспечивающее расширенную функциональность управления
электродвигателем программное решение InstaSPIN-MOTION позволяет заложить на
кристалл больший объем практического опыта и может быть использовано как с
датчиковой обратной связью, так и с подключенным InstaSPIN-FOC бездатчиковым
решением.
Некоторые преимущества программного решения
InstaSPIN-MOTION:
– Улучшение рабочих характеристик электродвигателей и
сокращение времени разработки;
– Устранение потребности в использовании неэффективных
прежних методов разработки. Например, определение необходимой скорости вращения
электродвигателя, при использовании других методик, приводит к использованию
упрощенных, негибких режимов, отслеживающих механические напряжения. Ручное
кодирование насыщенных вычислениями режимов требует больших объемов ценной
памяти, обеспечение необходимых рабочих характеристик электродвигателя в широко
изменяющихся условиях работы требует большого количества PI-регуляторов,
настройка которых занимает много времени;
– Упрощение разработки программного кода за счет
обновленной библиотеки функций управления электродвигателем и программного
комплекта MotorWare.
– Полнофункциональные оценочные наборы, позволяющие
продемонстрировать возможности технологии InstaSPIN-FOC и InstaSPIN-MOTION для
управления трехфазными электродвигателями различных типов: DRV8312-69M-KIT –
для управления низковольтным слаботочным двигателем (299 долл.);
DRV8301-69M-KIT – для управления мощными низковольтным двигателем с большим
током управления (299 долл.); TMDSHVMTRINSPIN – для управления высоковольтным
двигателем (699 долл.).
Важным при разработке сложных систем управления
электроприводом также является программирование сложных алгоритмов на языке,
понятном микроконтроллеру. Это возможно при наличии специальных знаний в
области программирования или же требует работы в этом направлении
высококвалифицированного программиста, который может не понимать всех
тонкостей, реализованных инженером схемотехнических решений. Поэтому в
настоящее время многими компаниями ведется работа в том направлении, чтобы
полностью исключить работу программиста. Лидерами являются компании Machworks и
Visual Solutions, представляющие возможность автоматической генерации кода на
языках С/С++ в программах Simulink и VisSim соответственно. Обе имеют
специализированные расширения, обеспечивающие взаимодействие с интегрированной
средой разработки (IDE) компилятора Code Composer Studio (CCS), ориентированные
на семейство микроконтроллеров C2000.
Сгенерировать код для микроконтроллеров компании Texas
Instruments можно с помощью интегрированной среды разработки – Code Composer
Studio (альтернатив нет), включающую в себя удобный редактор, компиляторы
C/C++, ассемблер, линкер, отладчик с множеством средств визуализации,
встраиваемую операционную систему реального времени. При помощи CCS можно
подключать файлы ввода/вывода, что очень удобно при отладке приложения.
Сильным конкурентом Texas Instruments в разработке
систем управления для электропривода является компания Freescale Semiconductor,
которая представила новое семейство цифровых сигнальных контроллеров MC56F84xxx
для систем интеллектуального управления источниками питания и
электродвигателями. Устройства сочетают высокоскоростные аналоговые узлы с
эффективным 32-битным цифровым сигнальным процессорным ядром для обеспечения
точного и достоверного цифрового управления источниками питания и
электродвигателями. Присущие данному семейству производительность, точность,
достоверность и возможности контроля способствуют повышению устойчивости работы
этих типов конечных приложений.
Основные достоинства микроконтроллеров семейства
MC56F84xxx:
– 32-разрядный центральный процессор 56800EX с рабочей
частотой до 100 МГц ( с производительностью 1 операция на такт);
– Широкий выбор объема встроенной флэш-памяти 64-288
КБ;
– Два 8-канальных, 12 разрядных АЦП, до 3,3 млн.
сигналов/с;
– 24 канала ШИМ (8 высокого разрешения), позволяющие
использовать высокую частоту коммутации;
– Выполнение математических операций за один такт, а
также наличие модуля вычислений с плавающей точкой и параллельного переноса,
повышающие производительность и позволяющие создавать быстродействующие контуры
управления;
– Контроллер прямого доступа к памяти (DMA), снижающий
простой ядра и повышающий производительность;
– Четыре аналоговых компаратора с интегрированными
6-разрядными быстродействующими ЦАП, позволяющие идентифицировать аварийные
состояния системы для экстренного отключения выходов ШИМ;
– Блок защиты памяти, повышающий безопасность системы
путем ограничения доступа пользовательского кода к ключевым областям памяти и
периферии, зарезервированной только для системного использования;
– FlexMemory EEPROM для хранения калибровочной
информации при отключении питания контроллера;
В микроконтроллерах компании Freescale Semiconductor на
программном уровне реализован алгоритм векторного управления (рис. 3),
использующий в своей работе бесплатное программное обеспечение FreeMASTER,
представляющее собой сложный инструмент с интуитивно понятной навигацией,
который может быть использован при разработке любых приложений.
Рисунок 3 – Реализация
алгоритма векторного управления компании Freescale
Микроконтроллеры компании Freescale Semiconductor
используют бесплатную интегрированную среду разработки CodeWarrior Development
Studio, выполненную на открытой платформе Eclipse и обеспечивающую наглядный и
автоматизированный процесс быстрого создания самых сложных встраиваемых
приложений.
Еще одним серьезным конкурентом в разработке систем
управления для электропривода является компания Toshiba Electronics,
выпустившая на рынок 32-битный микроконтроллер серии M370 group , построенный
на базе ядра Cortex-M3, предназначенный для управления бесщеточным
электродвигателем постоянного тока. Микроконтроллеры серии M370 group являются
высокопроизводительными, эффективными и компактными устройствами со встроенными
аппаратными функциями управления электродвигателями. Разработанные для
использования с трехфазными бесщеточными двигателями постоянного тока и
асинхронными двигателями, микроконтроллеры удовлетворяют требованиям для
применения в промышленных и бытовых приборах, требующих эффективного и точного
управления насосами, вентиляторами, компрессорами. Интегрированный аппаратный
модуль векторного управления и одноканальный программируемый выход драйвера
гарантируют точность управления и быстрый ответ без дополнительных аппаратных
средств, минимальную загрузку процессора и сокращение времени разработки.
Основные достоинства микроконтроллеров серии M370
group:
– 32-разрядный процессор Cortex-M3 с рабочей частотой
до 80 МГц;
– 8-канальный 16-битный таймер/счетчик;
– Встроенный аналоговый компаратор;
– Одноканальный программируемый трехфазный выход ШИМ;
– Встроенный модуль Vector engine, преимуществом
использования которого является снижение шумов и износа двигателя, постоянство
момента во всем диапазоне скоростей и механических нагрузок;
– 7 линий внешних прерываний;
– Один вход инкрементирующего энкодера;
– Встроенный детектор тактовой частоты, детектор
напряжения питания, схема сброса при подаче питания;
– Встроенный отладочный интерфейс;
– Встроенный регулятор напряжения.
Микроконтроллер обладает технологией PMD3+
(programmable motor drive), разработанной компанией Toshiba, которая включает
трехфазный ШИМ генератор, контроллер «мертвого времени», АЦП, и позволяет полностью
контролировать трехфазный двигатель посредством простой настройки регистров.
Фирма Toshiba использует, в отличие от программной
реализации векторного управления компаний Freescale Semiconductor и Texas
Instruments, собственную концепцию аппаратной реализации алгоритма векторного
управления (рисунок 4)
Рисунок 4 – Аппаратная
реализация алгоритма векторного управления компании Toshiba
Аппаратный встроенный модуль Vector engine управляет
трехфазным токовым входом АЦП, выполняет алгоритм управления Field Oriented
Control (FOC) и генерирует соответствующий ШИМ сигнал для управления
инвертором. Общее время, занимаемое обработкой – примерно 9 мкс (при рабочей
частоте 80 МГц) – это означает, что аппаратный модуль Vector engine дает
существенный прирост производительности, по сравнению с программной реализацией
алгоритма векторного управления, серьезно опережая своих конкурентов.
Таким образом, лидирующую позицию на рынке
микропроцессоров для управления электроприводом заслуженно занимает компания
Texas Instruments со своим "силовым решением" в виде 32-x разрядных
микроконтроллеров собственной разработки семейства C2000 и технологией
InstaSPIN-FOC. Второе и третье место поделили Freescale Semiconductor с
серией микроконтроллеров MC56F84xxx на базе 32-x разрядного ядра 56800EX и
Toshiba Electronics, которая встроила в 32-x разрядный микроконтроллер общего
назначения ARM (ядро Cortex-M3) аппаратный модуль собственной разработки –
специализированный, целочисленный математический сопроцессор – Vector Engine (VE),
который справляется с необходимыми вычислениями.
Представленный обзор позволяет дать детальную оценку
современному состоянию рынка микропроцессоров для управления электроприводом и
может радикально изменить взгляды разработчиков, как на электродвигатели, так и
в целом на системы управления ими.
Литература:
1. Texas Instruments [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://www.ti.com/ . – Загл. с
экрана.
2. NXP Semiconductors [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://www.lpcware.com/ .
– Загл. с экрана.
3. Freescale Semiconductor Inc. [Электронный ресурс]. Режим
доступа: http://www.freescale.com/webapp/sps/site/homepage.jsp?code=MOTORCONTROLHOME&tid=vanMOTORCONTROL . – Загл. с экрана.
4. STMicroelectronics [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.st.com/web/en/home.html
. – Загл. с экрана.
5. Toshiba Electronics [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://www.toshiba-components.com/automotive/MotorControlTechnology.html
. – Загл. с экрана.
6. Atmel Corporation [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://www.atmel.com/applications/automotive/motor_control_systems/
. – Загл. с экрана.
7. Infineon Technologies [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://www.irf.com/product-info/imotion/
. – Загл. с экрана.
8. International Rectifier [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://www.irf.com/product-info/imotion/
. – Загл. с экрана.
9. Microchip Technology Inc. [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://www.microchip.com/pagehandler/en-us/technology/motorcontrol/
. – Загл. с экрана.
10. Analog Devices Inc. [Электронный ресурс].
Режим доступа: motorcontrol.analog.com/en/application-specific-motor-control/segment/mc.html . – Загл. с экрана.