Acest articol prezintă diverse soluţii utile proiectanţilor bunurilor de larg consum, şi a echipamentelor de climatizare privind controlul motoarelor. Scopul articolului de faţă este de a defini diferitele categorii de control al dispozitivelor existente, să explice criteriile de selecţie ce ar putea fi folosite şi în final, să recomande ce tip de produs se potriveşte cel mai bine variatelor tipuri de motoare
Categorii de Soluţii de Control Digital
Există trei categorii principale de microprocesoare digitale folosite pentru controlul motoarelor.
Microcontrolerele [ MCU ]: Un procesor digital înalt integrat constituit dintr-o Unitate Centrală de Procesare (CPU), memorie integrată (embedded) şi un număr de module de control periferice precum timere şi convertoare analog / digitale.
Procesoarele de Semnal Digitale [ DSP ]: Un procesor digital ce utilizează un înalt grad de corespondenţe, optimizat pentru operaţii matematice rapide. DSP-urile încorporează uzual hardware specializat pentru implementarea eficientă a filtrelor digitale, operaţii matriciale şi transformări repetate. De asemenea, includ memorie embedded şi module periferice.
Controlere Hibride: Un pas evolutiv în dezvoltarea procesoarelor ce utilizează puterea de calcul asociată DSP-urilor, seturi de instrucţiuni prietenoase, modurile de adresare şi suportul de limbaj de nivel înalt specific microcontrolerelor. În acest caz, termenul “hibrid” este folosit numai pentru a descrie funcţionalitatea unităţii centrale combinate DSP-MCU şi nu procesul de fabricaţie folosit.
Figura 1 ilustrează “amalgamul” de microcontrolere şi DSP-uri ce “dau naştere” unui controler hibrid. Reţineţi că figura 1 reprezintă o singură unitate centrală ce are capabilitaţi atât DSP cât şi MCU.
Din păcate, nu există o singură topologie de unitate centrală care să reprezinte o reţetă pentru toate aplicaţiile de control al motoarelor. În paragrafele următoare dorim să arătăm cum microcontrolerele se potrivesc mai bine pentru anumite aplicaţii în timp ce controlerele hibride sau DSP-urile sunt de preferat în altele. În unele cazuri, topologia apropiată este subiectivă, iar selecţia procesului este determinată de alţi factori precum periferia integrată disponibilă pe un anumit dispozitiv.
Criterii de Selecţie a Soluţiilor de Control Digital
1. Costul. Chiar dacă există suprapuneri importante în ceea ce priveşte costul microcontrolerelor şi a DSP-urilor, microcontrolerele au un avantaj reprezentat de dimensiunea mai mică a unităţii centrale şi a numărului mai mic de magistrale interne rezultând o arhitectură mai simplă decât cea a DSP-urilor sau a controlerelor hibride.
Un exemplu de sistem de control al motorului “low cost” bazat pe arhitectura MCU este prezentat în figura 2 unde este utilizat microcontrolerul de 8 pini 68HC908QT4 pentru a comanda un motor asincron de curent alternativ în 2 faze utilizând algoritmul de control “volţi per hertz”.
Cu toate astea, dintr-o perspectivă sistemică, alţi factori duc adesea la obţinerea unor soluţii ieftine prin folosirea DSP-urilor sau a controlerelor hibride. De exemplu, algoritmi sofisticaţi de filtrare pot fi implementaţi într-un hibrid pentru a extrage informaţiile provenite de la motor ce pot elimina astfel costurile cu senzorii din sistemele de control al motoarelor. Alt factor de luat în considerare îl reprezintă costul procesorului din sistemul de control al motorului (în special al sistemelor motoarelor de putere) ce reprezintă un procent din costul total al sistemului; acesta este, tipic, foarte mic, proiectantul putând diminua rapid costurile generale.
2. Siguranţa în funcţionare. În timp ce fiabilitatea DSP-urilor, a controlerelor hibride sau a microcontrolerelor este aceeaşi pentru toate scopurile practice, se poate spune că DSP-urile sau controlerele hibride pot creşte semnificativ siguranţa în funcţionare a sistemelor de control a motoarelor din mai multe motive:
– a. Reducerea numărului de componente. Sporirea capabilităţilor matematice a DSP-urilor sau a hibridelor poate duce la implementarea structurilor de filtrare în timp real ce pot extrage ori recrea semnalele de răspuns cerute care altfel ar necesita utilizarea unor senzori de detecţie scumpi. Nu numai senzorii înşişi reprezintă pericole pentru scăderea fiabilităţii; cablările, conexiunile generează adesea probleme mult mai mari.
– b. Adaptabilitatea. Odată cu trecerea timpului, poate apărea în cadrul sistemelor de control al motoarelor uzura şi chiar distrugerea componentelor mecanice; evident, acestea vor duce la pierderea controlului câtă vreme algoritmul de control se bazează pe caracterisiticile neînvechite ale componentelor sistemului. Implementarea unor regulatoare cu autoreglare sau a unor controlere adaptive faţă de un model de referinţă într-un DSP sau hibrid, pot adesea extinde viaţa sistemului, făcându-l mai fiabil de-alungul unor dificile condiţii de operare.
– c. Îmbunătăţirea diagnosticării. Vitezele mari ale DSP-urilor sau controlerelor hibride nu numai că permit un sistem de monitorizare îmbunătăţit; acestea, printr-un sistem sofisticat de monitorizare pot fi mai bune decât microcontrolerele.
3. Uşor de folosit: Din nou, datorită ofertei foarte variate de DSP-uri şi microcontrolere, există o suprapunere importantă din punct de vedere al complexităţii arhitecturilor interne. Ca regulă generală, microcontrolerele sunt mai uşor de înţeles şi de folosit de către cea mai mare parte a inginerilor proiectanţi. Un motiv este istoria mare a microcontrolerelor combinată cu arhitectura simplă şi a seturilor de instrucţiuni.
4. Performanţa: În general, DSP-urile şi controlerele hibride depăşesc microcontrolerele în aplicaţiile embedded de control al motoarelor. Controlerele moderne ce folosesc calcule matriciale cu variabile de stare, sisteme de suprafaţă orientate şi controlere vectoriale fără senzori ce utilizează estimatoare de flux avansate sunt doar câteva din multele aplicaţii care beneficiază de puterea procesoarelor DSP-urilor sau a hibridelor. Alţi algoritmi de control, deşi destul de simpli pentru a lucra pe un sistem cu microcontroler, pot de asemenea beneficia de lărgimea de bandă foarte mare a DSP-urilor sau hibridelor care lucrează la o frecvenţă de eşantionare înaltă rezultând astfel o creştere a performanţelor motorului.
Pe de altă parte, înainte de a abandona opţiunea de a lucra cu microcontrolere, trebuie să vă asiguraţi de toate cerinţele aplicaţiei de putere: dacă un algoritm de control al motorului implică procesarea unui semnal digital, mulţi ingineri vor spune automat că este nevoie de un DSP.
Dar amintiţi-vă că un microcontroler poate de asemenea să realizeze procesări de semnale digitale … doar că necesită mai mult timp. Mulţi producători de drivere de motoare au raportat că dintre produsele lor, doar aproximativ 10% din ele sunt dedicate algoritmilor de control al motorului, restul de 90% sunt dedicate funcţiilor precum manevrări input/output, domeniul comunicaţiilor, comenzilor de derivare etc. Acestea toate sunt exemple de funcţii care se potrivesc foarte bine atât setului de instrucţiuni ale microcontrolerelor cât şi hibridelor.
5. Densitatea Codului şi Eficienţa Compilatorului: Aceasta este o topică foarte aprig disputată ce include câţiva factori. În general, microcontrolerele generează un cod mai “strâns” decât cel al DSP-urilor pentru aplicaţiile de control al motoarelor. Dacă este preferată folosirea unui DSP într-o aplicaţie, eficienţa codului poate fi îmbunătăţită prin selectarea unui dispozitiv ce dispune de un spaţiu software, de controlul orientat al instrucţiunilor şi compilatoare optimizate. În general, controlerele hibride reprezintă o reală alternativă la tradiţionalele DSP-uri când este vorba despre densitatea codului în aplicaţiile embedded. Cu un hibrid, nu vei sacrifica performanţa DSP-ului pentru a obţine o anumită densitate a codului şi o eficienţă a compilatorului specifică microcontrolerelor. De exemplu, unităţile centrale 56F800 şi 56F800E ale controlerelor hibride conţin controlul orientat al instrucţiunilor, modurile de adresare al microcontrolerelor şi o zonă de memorie program, în timp ce se menţine paralelismul şi rapiditatea capabilităţilor matematice ale DSP-urilor.
Figura 3 corelează multe aplicaţii populare cu diverse tehnologii de comandă a motoarelor disponibile astăzi. Pentru cazurile unde există o bună potrivire [aplicaţie – tehnologie folosită], se recomandă cu uşurinţă cel mai potrivit microprocesor. În multe cazuri însă, nu poate fi declarat un câştigător net atât datorită multiplelor tipuri de procesoare ce pot îndeplini sarcina cât şi datorită existenţei altor factori ce dictează alegerea unui anumit tip de procesor. De exemplu, dacă o aplicaţie în coordonate foloseşte o comandă distribuită, atunci utilizarea câte unui microcontroler pentru fiecare axă poate fi cea mai bună alegere. Pe de altă parte, dacă este aleasă o schemă de comandă centralizată, un DSP sau un hibrid, ar putea fi mai indicate pentru controlul tuturor motoarelor şi coordonarea mişcării între toate axele.
Astăzi, există pe piaţă multe produse de comandă a motoarelor ce utilizează interesante şi unice soluţii tehnologice pentru o aplicaţie dată. Ca rezultat, multe aplicaţii pot utiliza un motor sau un procesor ce nu sunt indicate în figura 3. Trebuie să fim conştienţi că figura 3 reprezintă opinia autorilor cu privire la tendinţele generale din piaţa echipamentelor de control al motoarelor şi trebuie văzută mai de grabă ca un ghid decât ca o limitare pentru o aplicaţie particulară.
Despre Autori:
Dave Wilson este “Field Technical Specialist la Motorola’s Semiconductor Product Sector”, din Milwaukee, Wisconsin. În ultimii 10 ani, domnul Wilson a asistat atât la definirea multor procesoare de control al mişcării produse de Motorola cât şi la furnizarea suportului tehnic pentru clienţii care utilizează asemenea produse.
Ross Bannatyne este managerul departamentului “Distribution market segment for the Americas region for 8 & 16-Bit Products Division of Motorola’s Semiconductor Product Sector”, din Austin, Texas. Domnul Bannatyne a publicat două cărţi despre utilizarea microprocesoarelor şi microcontrolerelor în aplicaţiile de control.
rbannatyne@austin.rr.com
Dave Wilson & Ross Bannatyne,
Motorola Semiconductor Products Sector