Масштабируемые микроконтроллеры со сверхнизкой задержкой оптимизируют управление в реальном времени

ысокопроизводительные промышленные и автомобильные приложения требуют управления в реальном времени для быстрого реагирования на входные сигналы датчиков - например, управления электромеханическим приводом или регулировки ширины импульсов на выходе широтно-импульсного модулятора (ШИМ). Микроконтроллеры реального времени (MCU) со сверхмалой задержкой являются ключевыми компонентами таких приложений, обеспечивая вычислительную мощность, необходимую для принятия решений и действий.

Чтобы ускорить разработку и снизить затраты на спецификации, выберите микроконтроллеры реального времени, которые включают встроенные преобразователи данных, флэш-память и настраиваемую логику, а также гибкие интерфейсы ввода-вывода. Кроме того, выберите поставщика MCU, который предоставит полную поддержку в виде эталонных проектов и комплектов для разработки программного обеспечения (SDK).
Цепочка сигналов в реальном времени
Примеры микроконтроллеров реального времени включают членов портфеля Texas Instruments C2000. Микроконтроллеры C2000 имеют то, что компания называет цепочкой сигналов в реальном времени , которая сводит к минимуму время между обнаружением и обработкой, а также время между обработкой и управлением. Для поддержки считывания микроконтроллеры объединяют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и 12- или 16-битные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) с возможностью постобработки.

Для поддержки обработки микроконтроллеры C2000 включают цифровую обработку сигналов с плавающей запятой (DSP) как в одноядерной, так и в многоядерной архитектурах, оптимизированных для сложных математических операций управления в реальном времени, выполняющихся со скоростью миллионов инструкций в секунду (MIPS). Большинство микроконтроллеров C2000 имеют ускоритель закона управления (CLA), 32-разрядный математический ускоритель с плавающей запятой, который помогает в параллельной обработке алгоритмов быстрого управления.

Для управления, заключительного этапа в цепочке сигналов в реальном времени, микроконтроллеры C2000 объединяют гибкие ШИМ с разрешением всего 150 пс. Это обеспечивает высокие частоты переключения, необходимые для оптимизации конструкций с использованием устройств на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN).

Созданные для сверхнизкой задержки, микроконтроллеры C2000 поставляются со встроенной флэш-памятью и настраиваемым логическим блоком, который помогает минимизировать потребность во внешних компонентах, таких как FPGA и сложные программируемые логические устройства (CPLD). Коммуникационный IP поддерживает CAN-FD, LIN и другие интерфейсы для автомобильных и промышленных приложений.

Кроме того, Fast Serial Interface (FSI) TI обеспечивает надежную связь между кристаллами со скоростью до 200 Мбит / с с компенсацией перекоса. Для дальнейшей поддержки промышленных и автомобильных приложений TI предоставляет эталонные проекты и библиотеки программного обеспечения для конкретных приложений, упрощающие управление двигателями или разработку цифровых источников питания.

Масштабируемость и совместимость
Помимо цепочки сигналов в реальном времени, масштабируемость является ключевой особенностью преобразования энергии в реальном времени для автомобильных и промышленных приложений . Традиционный способ управления в реальном времени - использование единого централизованного контроллера. Однако рассмотрим пример многоступенчатой ​​фотоэлектрической системы питания. Ваш централизованный контроллер может исчерпать ресурсы, когда вы добавляете каскады в свою систему для достижения более высоких уровней мощности.

В качестве альтернативы вы можете использовать распределенную архитектуру совместимых микроконтроллеров, подключенных к FSI. Распределенная архитектура может обеспечивать возрастающие уровни вычислительной мощности (в MIPS), а также увеличивающееся количество ШИМ и АЦП, которые вам понадобятся по мере масштабирования вашего приложения. И вы можете добиться такой масштабируемости без ущерба для стоимости, сложности и доступности периферийных устройств.

На рисунке 1 показана распределенная архитектура для управления несколькими силовыми каскадами фотоэлектрической системы. В этой реализации используются два семейства микроконтроллеров C2000. TMS320F28002x начального уровня работает со скоростью 100 MIPS и имеет 12-битное разрешение АЦП, а также 14 каналов ШИМ. Высокопроизводительный TMS320F2838x достигает 925 MIPS и имеет 12- и 16-битное разрешение АЦП, а также 32 канала PWM.

В примере на Рисунке 1 микроконтроллеры F28002x управляют ступенями преобразователя постоянного тока, которые реализуют отслеживание максимальной точки мощности (MPPT), что оптимизирует эффективность фотоэлектрической панели при изменении освещенности, температуры и других условий. Микроконтроллер F2838x управляет инверторным каскадом, который преобразует мощность постоянного тока в мощность сети переменного тока. F28002x и F2838x являются членами портфеля C2000 поколения 3 и, следовательно, совместимы с кодом и периферией.

Эффективность и оптимизация затрат
Новейшим дополнением к портфелю микроконтроллеров реального времени C2000 поколения 3 является семейство TMS320F28003x (рис. 2) , которое обеспечивает высокоэффективное управление в реальном времени при минимизации системных затрат. Члены семьи могут работать в системах электрических и гибридных электромобилей, а также в промышленных приложениях для управления двигателями и цифровой энергии.
F28003x оснащен ядром DSP с частотой 120 МГц и скоростью обработки 240 операций в секунду, что обеспечивает точное управление двигателем и высокую скорость переключения. Интегрированный CLA разгружает задачи, связанные с выполнением сложных алгоритмов управления. Память устройства включает 384 Кбайт флеш-памяти в трех банках флеш-памяти плюс 69 Кбайт SRAM для создания быстрых контуров управления. Кроме того, 16 каналов ШИМ с высоким разрешением обеспечивают точное срабатывание и повышенную гибкость. Среди ресурсов преобразователя данных - три 12-битных 4-MSPS АЦП с возможностями постобработки и порогового значения, два 12-битных ЦАП, восемь каналов сигма-дельта демодуляции и восемь оконных компараторов.

Опции цифровой периферии включают интегрированную связь с CAN-FD и SCI, плитки конфигурируемого логического блока (CLB), которые расширяют существующие периферийные возможности, и высокоскоростную связь с другими устройствами TI с использованием FSI. Совместимые с функциональной безопасностью микроконтроллеры предлагают поддержку требований функциональной безопасности ISO 26262 ASIL B.

Программная поддержка F28003x включает C2000Ware и два SDK. C2000Ware включает драйверы для конкретных устройств и несколько библиотек, охватывающих математику и безопасность, например математическую библиотеку CLA и библиотеку шифрования и дешифрования AES.

Что касается SDK, это DigitalPower SDK. Это единый набор программной инфраструктуры, инструментов и документации, предназначенный для минимизации времени разработки цифровой системы питания на базе микроконтроллера C2000 для различных преобразователей энергии и инверторов, предназначенных для солнечной энергии, телекоммуникаций, серверов, зарядных устройств для электромобилей и промышленных предприятий. -доставка приложений. Кроме того, MotorControl SDK включает программную инфраструктуру, инструменты и документацию, предназначенную для управления трехфазными двигателями в промышленных приложениях. Оба SDK поставляются с копией C2000Ware.

Заключение
Электромобили, промышленные двигатели, роботизированные манипуляторы, ветряные турбины и фотоэлектрические инверторы - все требует точного управления в реальном времени. Микроконтроллеры реального времени C2000 от Texas Instruments имеют оптимизированную сигнальную цепочку в реальном времени, которая помогает вам достичь поставленных целей по мощности и энергоэффективности для современных промышленных систем управления двигателями и цифровых схем управления питанием, а также для автомобильных приложений. Кроме того, вы можете развернуть микроконтроллеры C2000 в гибких распределенных архитектурах, которые могут масштабироваться в соответствии с вашими растущими требованиями к управлению в реальном времени.