Algorytmy sterowania w FPGA
Sterowanie elektronicznych przekształtników energii jest skomplikowanym zagadnieniem, wymagającym zastosowania zaawansowanych metod analogowo-cyfrowego przetwarzania sygnałów. Nasze systemy sterowania są oparte o nowoczesne układy programowalne FPGA. Od dawna zajmujemy się opracowywaniem systemów przetwarzania sygnałów do przekształtników energoelektronicznych w oparciu o te układy. Jednostki arytmetyczno-logiczne (ALU) naszych rdzeni obliczeniowych są dostosowane do obliczeń wykorzystywanych w sterowaniu przekształtników różnego rodzaju. Rdzenie dostosowane do obliczeń wektorowych pozwoliły nam m.in. na opracowanie stabilnych i odpornych na zakłócenia sieciowe algorytmów sterowania prostowników aktywnych typu Active Front End (AFE).
Opracowany przez nas rdzeń obliczeniowy składa się z trzech warstw sprzętowych:
- Układy najniższego poziomu odpowiadają za ochronę przekształtnika przed przekroczeniem dopuszczalnych parametrów pracy w przypadku niepoprawnego zachowania algorytmu sterowania. Pozwala to na łatwe projektowanie nowych algorytmów bez ryzyka uszkodzenia urządzenia energoelektronicznego.
- Główny blok cyfrowego przetwarzania sygnałów (DSP). Specjalne jednostki arytmetyczno-logiczne tego bloku realizują cyfrowe przetwarzanie sygnałów pomiarowych i zaawansowane obliczenia algorytmu sterowania. Jednostki te są zoptymalizowane specjalnie pod kątem algorytmów wykorzystywanych w sterowaniu przekształtników energoelektrobicznych. Zapewnia to niski koszt potrzebnego układu FPGA (o małej liczbie zasobów logicznych) a jednocześnie bardzo szybką, równoległą i potokową realizację obliczeń. Podczas realizacji algorytmu sterowania, programista ma dostęp do zaimplementowanych w sposób optymalny typowych transformat i przekształceń matematycznych, występujących w algorytmach sterowania przekształtników. Oferujemy rdzenie programowane w postaci mikrokodu (assemblera) a także rdzenie programowane bezpośrednio na poziomie języka opisu sprzętu VHDL (co wymaga większych umiejętności jednak daje też szersze możliwości). Dla dowolnych potrzeb opracowujemy odpowiednią konstrukcję rdzenia obliczeniowego.
- Układ sterowania nadrzędnego. Opisany powyżej blok realizujący przetwarzanie sygnałów i algorytm sterowania jest zarządzany przez nadrzędny kontroler. W naszych rozwiązaniach używamy procesora typu soft-rdzeń, rdzenie, implementowanego wewnątrz układu FPGA, programowanego w języku C. Procesor ten obsługuje interfejsy zewnętrzne (czujniki pomiarowe związane z procesem technologicznym, interfejsy do komunikacji z innymi systemami i użytkownikiem) oraz zarządza pracą algorytmu sterowania poprzez przekazywanie odpowiednich parametrów.
Modulator, dostępny jako jedno z urządzeń najniższego poziomu, pozwala na wybór dowolnej liczby sterowanych przyrządów półprzewodnikowych dużej mocy oraz realizację dowolnych strategii modulacji (tzw. PWM patterns).
Cyfrowe układy ochrony tranzystorów mocy dają szerokie możliwości obsługi sygnału błędu pochodzącego od sterownika tranzystora - m.in. umożliwiają sekwencyjne wyłączanie tranzystorów w przypadku przekształtników wielopoziomowych.
Liczba jednocześnie próbkowanych kanałów pomiarowych pozostaje praktycznie nieograniczona. Raz przygotowany system sterowania może zostać użyty w wielu typach przekształtników. Koszt układu programowalnego zależy przy tym od potrzebnych funkcji systemu sterowania. Moc obliczeniowa jest także praktycznie nieograniczona. W przypadku braku mocy obliczeniowej, możliwe jest zrównoleglenie obliczeń w wiekszym stopniu, kosztem zastosowania droższego i większego układu FPGA. Raz zaimplementowany system nie ma ograniczeń typowych dla rozwiązań mikroprocesorowych.
Licencje
W oparciu o prezentowaną architekturę rdzenia obliczeniowego oferujemy realizację kompletnego systemu sterowania na potrzeby dowolnego przekształtnika energoelektronicznego.
Rdzenie obliczeniowe mogą zostać nabyte na zasadzie licencjonowania. Dla dowolnego przekształtnika oferujemy przygotowanie odpowiedniego rdzenia obliczeniowego a także opracowanie kompletnego systemu sterowania (układu elektronicznego), wraz ze schematami i obszerną instrukcją obsługi. Dla dowolnego zastosowania wybieramy odpowiednią precyzję obliczeń, moc obliczeniową, wielkość układu FPGA oraz wiele innych aspektów.