多軸モーター制御 - 展示会 - Teamwork Global Group Limited

多軸モーター制御

伝統的に、産業用モータ制御アプリケーションは、モータ制御に必要な複雑なアルゴリズムを実行するためにマイクロコントローラまたはDSPを使用します。ほとんどの伝統的な産業用ドライブでは、FPGAはマイクロコントローラまたはDSPと一緒に使用されてデータ収集と高速動作保護を実現します。。データ集録、PWM生成、および保護ロジックに加えて、FPGAは伝統的にモータ制御アルゴリズムの実装に大きな役割を果たしていません。

マイクロコントローラまたはＤＳＰを使用してモータ制御アルゴリズムを実施する方法は、独立した速度で動作する複数のモータ（多軸モータ制御）には容易には拡張されない。 Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGAは、単一の装置を使用して多軸モータードライブと統合および統合することができます。コントロール

制御は2つの部分に分けられます。一部は、フィールド指向制御（FOC）アルゴリズム、速度制御、電流制御、速度推定、位置推定、およびPWM生成を実行するために使用されます。他の部分には、速度プロファイル、負荷特性、プロセス制御、および保護（フォルトとアラーム）が含まれます。 FOCアルゴリズムの実装は時間が重要であり、非常に高いサンプリングレート（マイクロ秒の範囲）で、特に低い固定子インダクタンスを持つ高速モータで実行する必要があります。これにより、FOCアルゴリズムをFPGAに実装することがより有利になります。プロセス制御、速度プロファイル、およびその他の保護は高速な更新を必要としないため、より低いサンプルレート（ミリ秒単位）で実行でき、内蔵のCortex-M3サブシステムでプログラムできます。

トランジスタのスイッチング期間は、駆動において重要な役割を果たす。 FOCループ実行時間がスイッチング周期よりはるかに短い場合は、ハードウェアモジュールを再利用して2番目のモータの電圧を計算することができます。つまり、このデバイスは同じコストでより高いパフォーマンスを発揮できます。

（1）モータ制御IPモジュール。図3は、このセクションで説明し、IPコアとして提供されている、センサーレスのフィールド指向制御アルゴリズムを示しています。

●PIコントローラ。比例積分（PI）コントローラーは、システムパラメーターを制御するためのフィードバックメカニズムです。これには、コントローラの動的応答を制御する2つの調整可能なゲインパラメータ（比例定数と積分ゲイン定数）があります。 PIコントローラーの比例成分は比例ゲイン定数と誤差入力の積で、積分成分は累積誤差と積分ゲイン定数の積です。これら二つの成分は一緒に加えられる。データ値が制御不能に増加するため、PIコントローラの統合フェーズによりシステムが不安定になる可能性があります。この制御されていないデータの増加は積分彩度と呼ばれ、すべてのPIコントローラーの実装には、コントローラーの出力が制限されるようにするための凍結防止メカニズムが含まれています。 MicrosemiのPIコントローラIPモジュールは、ブレ防止に彩度保持アルゴリズムを使用しています。このモジュールには、初期出力値を設定するための追加機能もあります。

•フィールド指向制御（FOC）。 FOCは、トルクと磁化の電流成分を個別に決定して制御することによって、モータに最適な電流を供給するアルゴリズムです。永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）では、回転子は磁化されている。したがって、モータに供給される電流はトルクのみに使用されます。 FOCは計算集約型のアルゴリズムですが、Microsemiのモータ制御リファレンスデザインはデバイスリソースを最適に使用するために構築されています。 FOCアルゴリズムには、Clarke、Park、逆Clarke、および逆Park変換が含まれます。

●角度推定。 FOCへの1つの入力は回転子角度です。回転子角度の正確な決定は低電力消費を保証するために不可欠です。位置と速度を決定する物理センサーを追加すると、システムのコストと信頼性が高まります。センサーレスアルゴリズムはセンサーを排除するのに役立ちますが、計算量を増やします。 Microsemiは、センサレス制御用に2つの角度計算アルゴリズムIPモジュールを提供しています。1つはLuenbergerオブザーバに基づいており、もう1つは直接逆起電力計算に基づいています。同社はまた、ホールセンサーとエンコーダーをベースにした別のリファレンスデザインも提供しています。

●PLL。 PLLは信号の同期に使用され、インバータの角度推定やグリッド同期など、多くの用途に役立ちます。

●レートリミッター。レートリミッタモジュールは、システム変数または入力に対するスムーズな変更を実装できます。例えば、モータ制御システムでは、モータが要求する速度が突然変化すると、システムが不安定になる可能性があります。そのような状況を回避するために、速度制限モジュールを使用して初速度から所望の速度に移行させる。速度制限モジュールは、変化速度を制御するように構成することができる。

●空間ベクトル変調。空間ベクトル変調モジュールはDCバスの利用率を改善し、トランジスタスイッチからの短いパルスを排除します。トランジスタのオン/オフ時間はパルス幅よりも長いため、短いパルスは誤ったスイッチング動作を引き起こす可能性があります。

●三相PWM生成。すべての計算の終わりに、三相モーター電圧が利用可能です。これらの電圧は、インバータ内のトランジスタのスイッチング信号を生成するために使用される。 PWMモジュールは、デッドタイムや遅延時間の挿入などの高度な機能を備えた6つ（3つのハイサイドと3つのローサイド）のトランジスタのスイッチング信号を生成します。プログラム可能なデッドタイム挿入機能は、インバータピンの壊滅的な短絡を回避するのに役立ちます。プログラム可能な遅延時間挿入機能により、ADC測定をPWM信号生成と同期させることができます。このモジュールは、Ｎ − ＭＯＳＦＥＴのみからなるインバータ、またはＮ − ＭＯＳＦＥＴとＰ − ＭＯＳＦＥＴの両方を含むインバータで動作するように構成することができる。

（2）SoCでFPGAデザインをデバッグします。一般に、マイクロコントローラでデザインをデバッグする方が、FPGAでデバッグするよりも比較的簡単です。 SoCでは、マイクロコントローラの高速デバッグの利点を維持しながら、FPGAの高性能を利用できます。 Microsemitech SmartFusion 2 SoCFPGAのマイクロコントローラサブシステムとFPGAアーキテクチャは、AMBAAPBまたはAXIバスを介して互いに通信できます。これにより、テストデータをFPGAファブリックに注入したり、FPGAファブリックからデータをデバッグしたりして、ランタイムおよびリアルタイムデバッグ用に内部データを視覚化することができます。ファームウェアコードはシングルステップで実行でき、ブレークポイントをコードに設定してFPGAレジスタデータを解析できます。

SmartFusion2 SoCFPGAベースの多軸モーター制御ソリューションはUSB経由でホストPCに接続され、グラフィカルユーザーインターフェース（GUI）と通信してモーターの起動/停止、モーター速度値と他のシステムパラメータの設定、最大4つの描画を行います。モーター速度、モーター電流、ローター角度などのシステム変数（図4）。

（3）生態系。 Microsemiは、前述のモータ制御機能を含む豊富なIPライブラリを提供しています。これらのモジュールは簡単にカスタマイズでき、Microsemiデバイスに移植できます。これらのモジュールはLiberoSoCソフトウェアのSmartDesignツールを使用してグラフィカルに設定および接続できます。これらのIPブロックを使用すると、設計者はFPGAにモータ制御アルゴリズムを実装するのに必要な時間を大幅に短縮できます。

これらのIPモジュールは、最大30,000 r / min、200 kHzのスイッチング周波数で動作するモータでテスト済みです。

産業用通信プロトコル

産業用ネットワークの傾向は、より高速なネットワーク通信を使用することによってポイントツーポイント通信に取って代わることです。このような高速通信を実現するには、より高い帯域幅をサポートする必要があります。これは、モータ制御アルゴリズムを同時に処理するマイクロコントローラやDSPにとっては容易ではありません。ほとんどの場合、各モータコントローラとの通信を処理するために追加のマイクロコントローラまたはFPGAが使用されます。一般的に使用されているイーサネットベースのプロトコルは、PROFINET、EtherNet / IP、およびEtherCAT規格です。他のプロトコルにはCANとModbusがあります。この場合にSoCを使用する利点は、単一のFPGAプラットフォームで複数の産業用イーサネットプロトコル規格をサポートすることです。

エンドシステムの目標に応じて、IPとプロトコルスタックを（通信用に）再利用するか、ハードウェア（FPGA）とソフトウェア（ARMCortex-M3サブシステム）の機能を慎重に区別することで、システムのコストを最適化できます。

MicrosemiのSmartFusion2 FPGAは、マイクロコントローラサブシステムの一部として、CAN、高速USB、およびギガビットイーサネットモジュールを内蔵しています。高速SERDESモジュールは、シリアルデータ転送を含むプロトコルを実装するために使用されます。

安全性

SmartFusion2 SoCFPGAデバイスには、いくつかのデザインとデータセキュリティ機能があります。 DPA認定の改ざん防止機能や暗号化機能などの設計セキュリティ機能は、顧客の知的財産の保護に役立ちます。 SoCFPGAデバイスには、ECCハードウェアアクセラレータ、AES-128/256、SHA-256サービスなどのデータセキュリティ機能も含まれています。データセキュリティのために、EnforcTIPSuiteおよびCodeSEALソフトウェアセキュリティコンポーネントを使用することができます。 EnforcTIPには、セキュリティ層をハードウェアに効果的に移動させるカスタマイズ可能なカーネル（ネットリストとして）が含まれています。 CodeSEALはファームウェアに対策を挿入し、単独で使用することも、EnforcITの機能強化として使用することもできます。

実装プロトコルの柔軟性により、設計者は複数のセキュリティ層を使用して中央監視コントローラから入力される情報を認証できます。

信頼性

複数の市場にわたるセキュリティ標準の成長は、高い信頼性に対する要求を駆り立てます。 SmartFusion2は、高可用性、セキュリティ、およびミッションクリティカルなシステムのニーズを満たすように設計されています。以下は、SmartFusion2 SoCFPGAが提供する信頼性機能の一部です。

（1）シングルイベントアップセット（SEU）免疫ゼロFITレート設定。高信頼性動作にはSEU耐性ゼロFITレートのFPGAコンフィギュレーションが必要です。SmartFusion2アーキテクチャは、フラッシュメモリを使用してルーティングマトリックスおよびロジックブロックで使用されるトランジスタをコンフィギュレーションするため、アルファまたは中性子放射に対する耐性があります。 SRAMベースのFPGAは、海抜1k〜4kのFIT（time-failure）率を持つことができます。これは、海抜5,000フィートではるかに高くなります。高信頼性アプリケーションは20未満のFITレートを受け入れることができるため、SmartFusion 2はこれらのアプリケーションに最適です。

（2）EDAC保護 SmartFusion2デバイスは、マイクロコントローラサブシステム（MSS）メモリ内のシングルイベントロールオーバーエラーを防ぐエラー検出訂正（EDAC）コントローラを備えています。

（3）外部設定機器がありません。多数のFPGAを含む複雑なシステムでは、外付けデバイスを使用すると信頼性が低下します。電源投入時には、FPGAのコンフィギュレーションに時間がかかり、複数のFPGAデバイスを使用するアプリケーションで設計が複雑になります。 SmartFusion2 SoC FPGAはデバイス内にコンフィギュレーションメモリを内蔵しています。これはデバイスの電源が入ったときにそれをオンにするという追加の利点を提供します。

（4）軍用温度クラスの装置。 SmartFusion2 SoCFPGAデバイスは軍用温度条件で完全にテストされています。軍用グレードのデバイスには、暗号化アクセラレータへのアクセスを可能にするセキュリティ機能とデータセキュリティ機能を備えた10Kと150Kのロジックユニットがあります。

総括する

Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGAは、いくつかの高度に最適化されたモータ制御IPブロックと実績のあるリファレンスデザインを使用して、工業デザインのTCOを削減するいくつかの機能を提供します。マイクロコントローラから移行するお客様は古いコードの一部を再利用することができ、FPGA設計者はFPGAファブリックとARMCortex-M3サブシステムを活用して、モータ制御モジュールと通信モジュールを同時に配置できる効率的なアーキテクチャを作成できます。単一の装置で。 ARM Cortex-M3マイクロコントローラサブシステムの存在により、パフォーマンスとコストを最適化しながら柔軟な設計とインテリジェントなパーティショニングが可能になります。マイクロコントローラサブシステムは実行時にデータを注入して記録し、FPGAデザインのデバッグを高速化します。 SmartFusion2プラットフォームは、産業用通信プロトコルを実装するための幅広いオプションも提供します。また、設計およびデータセキュリティのための複数のセキュリティ機能、および高い信頼性要件を満たす機能も提供します。 SmartFusion2デバイスファミリは、顧客が最小限のTCOで産業用ソリューションを開発するのを支援する強力なエコシステムサポートによって支えられています。