FCL

Алгоритм контроля тока Fast Current Loop: лучше и доступнее, чем мы думали

В начале 2018 года TI выпустила вторую версию FCL со следующими обновлениями: расширена полоса пропускания контура управления; появился бесплатный программный инструмент для анализа частотной характеристики (software frequency response analysis,SFRA); появились новые недорогие отладочные инструменты, в том числе с динамометром; добавлена поддержка управления двумя осями (двумя двигателями) с помощью одного процессора C28x (CPU)
1188
В избранное

В июне 2017 года я опубликовал статью, в которой рассказывал о беспрецедентном быстродействии системы управления с контролем тока на базе микроконтроллера семейства C2000™, использующего программную библиотеку fast current loop (FCL). Ранее решения с аналогичным быстродействием менее 1 мс можно было построить только с помощью специализированных интегральных схем (ASIC) или ПЛИС, с параллельной обработкой данных.

На момент выхода предыдущей статьи библиотека FCL из программного пакета DesignDRIVE C2000 предназначалась для отладочного набора C2000 DesignDRIVE Development Kit for Industrial Motor Control (TMDXIDDK379D). При этом для оценки быстродействия системы управления требовался осциллограф и динамометр.

В начале 2018 года TI выпустила вторую версию FCL со следующими обновлениями:

  • расширена полоса пропускания контура управления;
  • появился бесплатный программный инструмент для анализа частотной характеристики (software frequency response analysis,SFRA);
  • появились новые недорогие отладочные инструменты, в том числе с динамометром;
  • добавлена поддержка управления двумя осями (двумя двигателями) с помощью одного процессора C28x (CPU).

Увеличение полосы пропускания

Самое важное из перечисленных обновлений – это расширение полосы пропускания. По этому показателю мы смогли превзойти результаты предыдущего эксперимента, в котором система управления, использующая FCL, опередила традиционный контроллер без FCL на 3 кГц. Достижения новой версии FCL представлены на рис. 1. При проведении испытаний мы создавали различные системы управления с заданной полосой пропускания и измеряли запас по фазе. Сравнив результаты, можно убедиться в тотальном превосходстве FCL по сравнению с традиционными решениями.

В каждом из этих тестов использовалась ШИМ с частотой 10 кГц, датчики тока на базе усилителя INA240, низковольтный трехфазный инвертор BoosterPack с нитрид-галливыми ключами (GaN). Выбранный датчик тока позволил измерять токи в обмотках двигателя при смене полярности два раза за период ШИМ. Результаты, показанные на рисунке 1, получены с помощью метода двойной выборки (частота опроса 20 кГц). Для определения положение вала использовался инкрементальный энкодер.

Как правило, полоса пропускания определяется в точке с запасом по фазе 45 градусов, чтобы гарантированно исключить проблемы со стабильностью. Если сравнить результаты, представленные на рис. 1, то окажется что в точке 45 градусов (пунктирная красная линия) контроллер, использующий FCL, обеспечивает пропускную способность около 5 кГц, тогда как для контроллера без FCL этот показатель не превышает 2 кГц.

Сравнение полосы пропускания контроллера, использующего FCL, и традиционного контроллера без FCL

Рис. 1. Сравнение полосы пропускания контроллера, использующего FCL, и традиционного контроллера без FCL

Подробную информацию о проведении испытаний можно найти в документе “Performance Analysis of Fast Current Loop (FCL) in Servo Drives Using SFRA on C2000™ Platform.”

Бесплатная программа SFRA для частотного анализа

Итак, как вы будете измерять частоту и фазу при использовании FCL в ваших разработках? Один из вариантов – обратиться к бесплатному инструменту SFRA, который входит в состав программного пакета powerSUITE. SFRA позволяет измерять усиление с разомкнутым контуром, а также строить график частотного отклика цифрового контроллера с замкнутым контуром, используя только программное обеспечение. С помощью соответствующих программных библиотек для C2000, вы сможете выполнять измерения и строить графики в приложении для ПК. Это позволяет быстро и легко оценивать полосу пропускания цифрового контура управления, запас усиления и запас по фазе.

Теперь этот инструмент входит в состав FCL. На рис. 2 показан пример графиков частотной характеристики, построенных с помощью SFRA.

Интерфейс бесплатной утилиты SFRA

Рис. 2. Интерфейс бесплатной утилиты SFRA 

Но мне нужен двигатель и контролируемая нагрузка для измерения отклика!

Это действительно так. При выполнении измерений потребуется динамометр и сопутствующее аппаратное обеспечение. Как правило, это дорогое оборудование. Но не в этот раз! Вы можете повторить наши опыты с помощью отладочного набора LP379D-BPGAN-DYNO-BNDL, который включает контроллер C2000 Delfino™ (LAUNCHXL-F28379D), два трехфазных инвертора GaN (BOOSTXL-3PHGANINV), двухмоторный динамометр (2MTR-DYNO) (рис. 3).

Бюджетный отладочный набор для тестирования производительности системы управления

Рис. 3. Бюджетный отладочный набор для тестирования производительности системы управления

Предлагаемый набор стоит менее 600 долларов. Это именно тот комплект оборудования, который позволил получить результаты, представленные на рис. 2. Платы инверторов BoosterPack, входящие в набор, имеют встроенные датчики тока и, следовательно, обеспечивают двойную выборку тока за период ШИМ.

Если вам требуется быстро оценить эффективность работы FCL, то данный набор будет именно тем, что нужно. Он также служит отличным инструментом для тестирования ваших собственных решений, например, при управлении скоростью или положением.

Мы также проверили FCL в связке с набором DRV8305N three-phase motor drive BoosterPack evaluation module (BOOSTXL-DRV8305EVM) со встроенными датчиками тока. В этом случае ток измеряется с помощью шунтов, размещенных в плечах инвертора, поэтому в течение периода ШИМ выполняется только одна выборка. Этот набор также идет в комплекте с двухмоторным динамометром (рис. 4).

Недорогой отладочный набор для оценки производительности систем управления

Рис. 4. Недорогой отладочный набор для оценки производительности систем управления

Поддержка двух осей

Еще одним улучшением новой версии FCL стала поддержка одновременного управления двумя двигателями с помощью микроконтроллера C28x. Мы решили задействовать второй экземпляр FCL для управления нагрузкой. В полученном решении используется согласованная работа измерительных АЦП, алгоритма FOC и алгоритма управления ШИМ.

В нашем случае второй экземпляр FCL применялся для работы в качестве нагрузки, но в реальных приложениях он может быть использован для управления второй осью. Проведя испытания, Вы сможете убедиться, что обе петли управления с FCL обеспечивают одинаковую полосу пропускания, соответствующую рис. 1.

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
2MTR-DYNO
2MTR-DYNO
Texas Instruments
Арт.: 1203923 ИНФО PDF
Доступно: 1 шт. от: 1 руб.
Выбрать
условия
поставки
Two 60 Vdc High quality Teknic servo motor with built-in encoder Teknic M-2310P-LN-04K motors for InstaSPIN-FOC Evaluation Module
2MTR-DYNO от 1 шт. от 42381,80
1 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
BOOSTXL-DRV8305EVM
BOOSTXL-DRV8305EVM
Texas Instruments
Арт.: 1938491 ИНФО PDF
Доступно: 8 шт. от: 1 руб.
Выбрать
условия
поставки
DRV8305N 3-Phase Motor Drive BoosterPack Evaluation Module
BOOSTXL-DRV8305EVM от 1 шт. от 7878,04
8 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TMDXIDDK379D
TMDXIDDK379D
Texas Instruments
Арт.: 2084775 ИНФО PDF
Поиск
предложений
C2000 DesignDRIVE Development Kit for Industrial Motor Control
TMDXIDDK379D
-
Поиск
предложений
LAUNCHXL-F28379D
LAUNCHXL-F28379D
Texas Instruments
Арт.: 2209633 ИНФО PDF
Доступно: 10 шт. от: 3840 руб.
Отладочный комплект LAUNCHXL-F28379D для разработки промышленных приводов.
LAUNCHXL-F28379D 3840,00 от 2 шт. 3460,00 от 5 шт. 3200,00 от 11 шт. 3040,00 от 23 шт. 3020,00
10 шт.
(на складе)

Сравнение позиций

  • ()