¿Control de motores moderno?
El método de control de transformación vectorial de motores asíncronos se ha desarrollado rápidamente desde que fue propuesto en la década de 1970. La idea principal de esta teoría es simular el motor asíncrono como un motor de CC y controlar el componente de corriente de excitación y el componente de corriente de par respectivamente mediante transformación de coordenadas, obteniendo así las mismas buenas características dinámicas de regulación de velocidad que el motor de CC. Este método de control ya está maduro y comercializado, con una calidad de producto estable. Debido a que este método utiliza transformación de coordenadas, tiene altos requisitos de rendimiento para el controlador, como velocidad de cálculo y potencia de procesamiento. En los últimos años, académicos nacionales y extranjeros han investigado mucho sobre las deficiencias del control de conversión vectorial, como la estructura compleja del sistema, la no linealidad y el impacto de los parámetros del motor en el rendimiento del sistema.
En 1985, el profesor Depenbrock de Alemania propuso un nuevo método de control, el sistema de control de par directo del motor asíncrono. Es el resultado de la investigación mencionada anteriormente. No requiere transformaciones de coordenadas y no se basa en modelos matemáticos del rotor, lo que lo hace teóricamente atractivo. En condiciones de laboratorio también se produjo un prototipo con indicadores de rendimiento bastante altos. Sin embargo, todavía quedan algunos problemas sin resolver, como el observador de par y la fluctuación de velocidad a baja velocidad, que no se pueden comercializar. La mayoría de los sistemas actualmente en el mercado que afirman lograr un control directo del par combinan la orientación del flujo con el control directo del par, utilizando control de transformación vectorial de orientación del flujo a bajas velocidades y control directo del par a altas velocidades. O observe el flujo del rotor mientras calibra el sistema de control de par directo. En primer lugar, es difícil determinar el momento de un cambio suave en este enfoque. Actualmente, médicos de universidades alemanas están estudiando este tema. En segundo lugar, si se utiliza el control vectorial direccional del flujo a baja velocidad, o se utiliza el método de observación del enlace del flujo del rotor, todavía depende de los parámetros del rotor. En otras palabras, mientras haya un componente del flujo del rotor en él, seguirá siendo sensible a los parámetros del rotor. No puede reflejar las ventajas del control directo del par. Parece que el control directo completo del par está aún lejos de su comercialización.
Además, la introducción de la tecnología de control de estructura variable de modo deslizante basada en la teoría de control moderna, el control de desacoplamiento no lineal utilizando la teoría de la geometría diferencial y el control adaptativo de referencia del modelo ha mejorado el rendimiento del sistema. Sin embargo, estas teorías todavía se basan en modelos matemáticos precisos de objetos. Algunos requieren una gran cantidad de sensores y observadores y tienen estructuras complejas, y otros aún no pueden deshacerse de la influencia de la no linealidad y los cambios de los parámetros del motor. Es necesario explorar más a fondo las formas de resolver los problemas anteriores.
Si analizamos la historia del desarrollo de la industria del motor, casi todos los avances importantes son un avance teórico. Pero ahora que algunos sistemas de comunicación modernos están maduros, no es fácil proponer teorías que hagan época. Por lo tanto, en el desarrollo futuro, las teorías de control existentes deberían combinarse a largo plazo para aprender de las fortalezas de cada una, o introducir teorías y métodos de otras disciplinas en el control motor y adoptar un enfoque interdisciplinario para resolver los problemas anteriores. En los últimos años, la investigación sobre control inteligente ha sido muy activa y se ha aplicado en muchos campos. Los ejemplos típicos incluyen el control difuso, el control de redes neuronales y el control basado en sistemas expertos. Dado que el control inteligente no requiere modelos matemáticos precisos de los objetos y es muy robusto, muchos académicos han introducido métodos de control inteligente en la investigación de sistemas de control de motores y predijeron que la próxima década marcará el comienzo de una nueva era de la electrónica de potencia y el control de movimiento. El más maduro es el control difuso, que tiene la ventaja de no depender del modelo matemático preciso del objeto controlado, superar la influencia de factores no lineales y ser muy robusto a los cambios de parámetros del objeto controlado. El control difuso ha logrado resultados satisfactorios en sistemas de control de velocidad AC DC y servosistemas. Sus aplicaciones típicas incluyen: controlador difuso para control de velocidad de motores; aplicación de lógica difusa en el modelo de motor e identificación de parámetros; control óptimo de la eficiencia de motores asíncronos basado en lógica difusa; investigación sobre inversores inteligentes basados en lógica difusa, etc. En los últimos años, cierta literatura ha discutido la introducción de sistemas expertos o de control de redes neuronales en sistemas de control de par directo de motores asíncronos, y se cree que se lograrán resultados prácticos en un futuro cercano.
2 Aspectos del controlador
Con un buen método de control, necesitas un controlador que pueda implementarlo. La alta confiabilidad y el buen rendimiento en tiempo real son requisitos básicos para los sistemas de control. Inicialmente, el control de motores utilizaba circuitos analógicos con componentes discretos. Posteriormente, con el avance de la tecnología electrónica, se utilizaron circuitos integrados e incluso circuitos integrados para aplicaciones específicas.
La mayoría de estos circuitos son circuitos híbridos analógico-digitales, que no solo mejoran la confiabilidad y la antiinterferencia, sino que también acortan el ciclo de desarrollo y el costo, y reducen el tamaño, por lo que se desarrollan rápidamente.
Como aspecto importante del ASIC (circuito integrado de aplicación específica), casi todos los fabricantes de semiconductores en los países industriales avanzados pueden proporcionar ASIC de desarrollo propio para el control de motores. Por lo tanto, existen muchos tipos y especificaciones de circuitos integrados específicos de aplicaciones de control de motores, y los datos del producto y de la aplicación son muy ricos. Pero al mismo tiempo, debido a que no existen estándares unificados entre los fabricantes, los productos están extremadamente dispersos y constantemente surgen nuevos productos. Para satisfacer las necesidades de un diseño, a menudo se necesita mucha energía y tiempo para recopilar y organizar información. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, los desarrollos en el control de motores son cada vez más diversos y complejos. Por lo tanto, es posible que en ocasiones no se cumplan los requisitos de rendimiento cada vez más exigentes. En este momento, puedes considerar desarrollar tu propio chip de control específico para el motor. Los conjuntos de puertas programables en campo (FPGA) pueden ser una solución. Como dispositivo de desarrollo, FPGA se puede modificar fácilmente muchas veces. Para hacer una analogía simple, FPGA se compara con ASIC al igual que EEPROM se compara con ROM producida por máscara. Porque el nivel de integración de FPGA es muy grande. Una FPGA tiene al menos varios miles de puertas equivalentes y hasta decenas o cientos de miles de puertas equivalentes. Por lo tanto, una FPGA puede implementar una lógica muy compleja, reemplazando circuitos compuestos por múltiples circuitos integrados y componentes discretos. Utiliza un lenguaje de descripción de hardware (VHDL o VerilogHDL) para diseñar el sistema, abandonando el método tradicional desde el circuito de puerta hasta todo el sistema. Adopta tres niveles de descripción de hardware y un estilo de diseño de arriba hacia abajo (a partir de la descripción de la función del sistema) y puede mezclar y simular los tres niveles de descripción para facilitar el diseño de circuitos digitales. Los niveles específicos y su introducción son los siguientes: el primer nivel es una descripción del comportamiento, principalmente una descripción funcional, que se puede utilizar para la simulación funcional; el segundo nivel es una descripción RTL, principalmente una descripción de expresiones lógicas, y el tercer nivel es una simulación; Descripción del nivel de puerta, es decir, una descripción del circuito de puerta básico y la simulación de nivel de puerta correspondiente. Finalmente, se genera la tabla de red a nivel de puerta y luego se utilizan herramientas especiales para generar puntos de código de programación FPGA y se puede realizar la programación FPGA. Después de una producción de prueba exitosa, si se requiere una producción en masa, el chip ASIC se puede personalizar de acuerdo con el diseño FPGA para reducir costos. Actualmente existen artículos sobre viabilidad en esta área y los lectores interesados pueden consultarlos.
La aparición de los circuitos integrados ha tenido un profundo impacto en el control motor. Ha promovido en gran medida el desarrollo de la industria del control de motores y todavía existe un gran mercado. Sin embargo, desafortunadamente, los fabricantes nacionales de circuitos integrados no pueden ocupar la participación que les corresponde en este mercado. Con el desarrollo de la tecnología, especialmente hoy en día, cuando las tendencias digitales son muy populares, la gente no estará satisfecha con permanecer en la era de la combinación analógica y digital.
La mayoría de los convertidores de frecuencia habituales en el mercado actualmente están controlados por microcontroladores. Los productos de la serie 8096 se utilizan ampliamente. Sin embargo, la capacidad de procesamiento de las microcomputadoras de un solo chip es limitada, especialmente en los sistemas de control de transformación vectorial. Debido a la gran cantidad de datos a procesar y a los elevados requisitos de precisión y tiempo real, los microcontroladores ya no pueden cumplir los requisitos. Por eso la gente piensa naturalmente en los procesadores de señales digitales (DSP). En los últimos años, el rendimiento de varios DSP integrados de un solo chip ha mejorado enormemente y cada vez más software y herramientas de desarrollo son cada vez mejores. Sin embargo, los precios cayeron significativamente. En la actualidad, los productos de gama baja están cerca del nivel de precios de las computadoras de un solo chip y tienen un rendimiento de alto costo. Por lo tanto, los dispositivos y la tecnología DSP son más fáciles de usar y el precio es aceptable para los usuarios. Cada vez más usuarios de microcontroladores están comenzando a elegir dispositivos DSP para mejorar el rendimiento del producto. Ha llegado el momento de que los dispositivos DSP reemplacen a los microcontroladores de alta gama. Y con la amplia popularidad del DSP en todos los ámbitos de la vida, pronto se resolverá la contradicción entre la oferta y la demanda de talentos profesionales.
En comparación con los microcontroladores, los dispositivos DSP tienen un mayor nivel de integración. DSP tiene una CPU más rápida, mayor memoria, un generador de velocidad de baudios incorporado y un búfer FIFO. Proporciona un puerto serie síncrono de alta velocidad y un puerto serie asíncrono estándar. Algunos convertidores analógicos a digitales integrados en el chip y circuitos de muestreo y retención pueden proporcionar salida PWM. Lo que es aún más diferente es que los dispositivos DSP son dispositivos RISC y la mayoría de las instrucciones se pueden completar en un ciclo de instrucción. Mediante la tecnología de procesamiento paralelo, se pueden completar varias instrucciones en un ciclo de instrucción.
DSP adopta una estructura Harvard mejorada con espacios de datos y programas independientes, lo que permite el acceso simultáneo a programas y datos. El multiplicador de hardware de alta velocidad incorporado y la canalización de múltiples etapas mejorada permiten que los dispositivos DSP tengan capacidades de computación de datos de alta velocidad. El microcontrolador es una computadora con un sistema de instrucción complejo (CISC) y la mayoría de las instrucciones requieren de 2 a 3 ciclos de instrucción para completarse. El microcontrolador adopta una estructura de Neumann. Se accede a los programas y datos en el mismo espacio, y solo se puede acceder a las instrucciones o datos por separado al mismo tiempo. La ALU solo puede realizar sumas y la multiplicación requiere implementación de software, por lo que requiere muchos ciclos de instrucción y es lenta. Por lo tanto, las diferencias estructurales hacen que el dispositivo DSP ejecute una instrucción de 8 a 10 veces más rápido que un microcontrolador de 16 bits, y complete una operación de multiplicación y suma de 16 a 30 veces más rápido. En pocas palabras, los dispositivos DSP tienen sólidas capacidades informáticas, mientras que los microcontroladores tienen sólidas capacidades de procesamiento de transacciones. Los dispositivos DSP también proporcionan conjuntos de instrucciones altamente especializados que aumentan la velocidad de las operaciones de filtrado y FFT. Además, los dispositivos DSP proporcionan una interfaz JTAG (JointTest Action Group), que tiene métodos de desarrollo más avanzados y es más conveniente para pruebas de producción en masa.
Para hacerse con la cuota de mercado de control de motores, los principales fabricantes de DSP han lanzado sus propios circuitos de control DSP integrados específicos para motores. Por ejemplo, Texas Instruments, que representa el 45% de la cuota de mercado de DSP, ha lanzado un DSP dedicado para controladores de motores: el TMS 320 c 24 x (la ROM en chip TMS 320 f 24 x se puede borrar). El nuevo TMS 320 c 24 DSP utiliza el núcleo del DSP de punto fijo T320C2xLP16-bit de TI e integra un administrador de eventos de control de motor, que presenta un control electrónico óptimo de la dirección del motor. El dispositivo utiliza la tecnología central DSP reutilizable de TI para demostrar la capacidad única de TI para crear soluciones DSP para una variedad de aplicaciones mediante la integración de un núcleo DSP y sus periféricos digitales y de señal mixta en un solo chip. Como la primera serie DSP dedicada de controladores de motores digitales, el TMS320C24x puede admitir dirección de motor, generación de comandos, procesamiento de algoritmos de control, intercambio de datos y monitoreo del sistema. Al agregar muchos factores, como un núcleo DSP integrado, un administrador de eventos de controlador de motor optimizado y un diseño A/D de un solo chip, se puede proporcionar una solución de control de motor digital de un solo chip. El TMS320C240 de esta serie incluye un núcleo DSP de 20MIPS, un administrador de eventos, dos interfaces seriales, un par de convertidores analógicos a digitales de 10 bits, un sistema de E/S digital de 32 bits, un temporizador de vigilancia y un monitor de voltaje y una memoria flash de 16K caracteres (tipo TMS320F240). Confíe en la compatibilidad para lograr actualizaciones del sistema. La codificación de TMS320C240 es compatible con las series de DSP TMS320Clx, TMX320C2x, TMS230C2xx y TMS320C5x de TI. Utiliza las herramientas de desarrollo de software DSP de punto fijo del TMS320 y el soporte de simulación JTAG, lo que permite a los desarrolladores en el campo de los controladores de motores actualizar fácilmente desde microcontroladores a nuevos DSP. La empresa American Analog Devices (AD) no se queda atrás. Coopera con la famosa empresa Intel para producir la serie ADMC3xx de DSP dedicados al control de motores, y su rendimiento no es muy diferente al de TI. También está diseñado en base al núcleo DSP de punto fijo ADSP2171 de 16 bits de AD. Además, integra un generador PWM trifásico (16 bits) y un conversor analógico a digital. Otros fabricantes de DSP conocidos incluyen Motorola y NEC. Otro beneficio de utilizar un ASIC de motor basado en DSP es que reduce los requisitos de periféricos como los sensores. Los algoritmos complejos pueden lograr el mismo rendimiento de control, reducir costos, tener una alta confiabilidad y favorecer la confidencialidad de las tecnologías patentadas.
A veces, el sistema requiere más interacción persona-computadora, impresión y otros controles, que un DSP no es capaz de realizar. En este momento, puede utilizar el microcontrolador para manejar transacciones y el DSP para manejar operaciones. Sin embargo, esto no sólo aumenta la carga de sincronización y comunicación entre los dos procesadores, sino que también empeora el rendimiento en tiempo real del sistema y extiende el tiempo de desarrollo del sistema.
En este caso, Tricore es una buena manera de resolver el problema al concentrar las capacidades de los microprocesadores, microcontroladores y procesadores de señales digitales en un solo chip, resolviendo así la mayoría de los problemas de ingeniería en un solo chip.