Procesory DSP i ich zastosowanie w układach napędowych
Proces przetwarzania sygnałów analogowych w technologii cyfrowej przy użyciu procesora DSP
Dariusz Jańczak
Procesory sygnałowe (DSP ang. Digital Signal Processor) najczęściej kojarzone są z systemami telekomunikacyjnymi. Nic dziwnego. Wystarczy rozmontować własny telefon komórkowy i można tam znaleźć jeden, a czasem nawet dwa procesory DSP. Okazuje się jednak, że procesory tego typu znalazły szerokie zastosowanie w układach elektroniki przemysłowej.
Zobacz także
dr inż Krzysztof Tomczuk Przegląd przekształtników do zasilania silników reluktancyjnych
Przekształtnik służy do fizycznego załączania i wyłączania prądów w pasmach fazowych silnika na podstawie sygnałów uzyskanych ze sterownika napędu. Jest to zatem istotny podzespół zbudowany z elementów...
Przekształtnik służy do fizycznego załączania i wyłączania prądów w pasmach fazowych silnika na podstawie sygnałów uzyskanych ze sterownika napędu. Jest to zatem istotny podzespół zbudowany z elementów energoelektronicznych, których odpowiednia konfiguracja umożliwia uzyskanie napędu o zadowalających parametrach, a niektóre z nich umożliwiają nawet częściowy zwrot pobranej energii.
dr inż Krzysztof Tomczuk Wybrane metody sterowania silnika reluktancyjnego przełączalnego (SRM)
W zależności od miejsca zastosowania napędu z SRM oraz od postawionych wymagań, stosuje się różne algorytmy sterowania. Istnieje duży wybór możliwych procedur do zastosowania, od prostych i tanich algorytmów...
W zależności od miejsca zastosowania napędu z SRM oraz od postawionych wymagań, stosuje się różne algorytmy sterowania. Istnieje duży wybór możliwych procedur do zastosowania, od prostych i tanich algorytmów do zaawansowanych procedur sterujących, wykorzystujących kosztowne układy obliczeniowe. W artykule przedstawiono wybrane metody sterowania silnikiem reluktancyjnym przełączalnym.
dr inż. Andrzej Książkiewicz - Astat Sp. z o.o. Wykorzystanie magazynów energii w obiektach przemysłowych i usługowych
Bateryjne magazyny energii stanowią efektywne rozwiązanie problemu niezgodności profili generacji i zużycia w obiektach przemysłowych i usługowych. Zwiększają wykorzystanie energii z instalacji fotowoltaicznych...
Bateryjne magazyny energii stanowią efektywne rozwiązanie problemu niezgodności profili generacji i zużycia w obiektach przemysłowych i usługowych. Zwiększają wykorzystanie energii z instalacji fotowoltaicznych do maksymalnego stopnia, ograniczają moc szczytową, istotnie redukują koszty oraz poprawiają stabilność zasilania, bezpieczeństwo i ciągłość produkcji oraz możliwość pracy w trybie zasilania awaryjnego. Dostępne są jako zewnętrzne rozdzielnice lub kontenery dla większych mocy.
Przyczyniły się do tego ich niewątpliwe zalety, takie jak duża moc obliczeniowa i wbudowane układy peryferyjne. Cechy te pozwalają na implementację złożonych algorytmów. Dzięki temu można zrealizować wyrafinowane metody sterowania układami napędowymi oraz metody wywodzące się z dziedziny przetwarzania sygnałów czy też teorii estymacji.
W efekcie możliwa stała się nawet eliminacja niektórych czujników pomiarowych z układu sterowania. Nie bez znaczenia jest również możliwość implementacji metod adaptacyjnych. Obecnie wytwarzane są specjalne linie procesorów sygnałowych posiadających cechy charakterystyczne dla mikrokontrolerów, co pozwala na bezpośrednie stosowanie w układach napędowych. Dlatego warto przyjrzeć się typowym cechom procesorów DSP oraz innym czynnikom, które przyczyniły się do popularności tej technologii.
Tendencja zastępowania układów elektroniki analogowej technologiami cyfrowymi pojawiła się już kilkadziesiąt lat temu. Procesory sygnałowe (DSP) są aktywnym uczestnikiem tego nurtu. Ich historia sięga lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku, kiedy pojawiły się pierwsze procesory przeznaczone do realizacji metod cyfrowego przetwarzania sygnałów (DSP ang. Digital Signal Processing) [5]. Znamienna jest zbieżność anglojęzycznych skrótów – DSP. Metody powyższe najczęściej służą do przetwarzania sygnałów analogowych, zatem system DSP ma zastępować układ analogowy. W tym przypadku sygnał analogowy (np. sygnał mowy, przebieg mierzonego napięcia) należy zamienić na sygnał cyfrowy, co polega na pobieraniu próbek sygnału analogowego. Proces ten realizuje przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C) i odbywa się on najczęściej w stałych odstępach czasowych, zwanych okresem próbkowania.
Przykładowo dla dobrej jakości sygnałów audio okres próbkowania jest rzędu 20 μs. Sygnał cyfrowy ma postać ciągu liczb równych wartościom chwilowym sygnału ciągłego. Dzięki temu przetwarzanie sygnałów realizowane przez procesor DSP sprowadza się do realizacji algorytmów w formie operacji arytmetycznych na liczbach [1]. Wynikiem przetwarzania jest ciąg liczb, który stanowi sygnał wyjściowy. Jest on ponownie zamieniany za pomocą przetwornika cyfrowo-analogowego (C/A) na sygnał ciągły, a po wygładzeniu kierowany jest do odbiornika analogowego (np. układ sterowania, wzmacniacz i głośnik). Cały proces przetwarzania został przedstawiony na rysunku 1. W przypadku układów napędowych zamiast typowego przetwornika C/A stosuje się generację sygnałów o modulowanej szerokości impulsu (PWM ang. Pulse Width Modulation), która pozwala na wysterowanie półprzewodnikowych elementów mocy.
Atrakcyjność stosowania przetwarzania cyfrowego wynika z wielu zalet, takich jak: dostępność i niska cena wydajnych układów cyfrowych, niski koszt wprowadzania modyfikacji, łatwa implementacja algorytmów adaptacyjnych, możliwość stosowania kompresji danych i łatwość ich przechowywania, duża odporność na zakłócenia, niezmienna stabilność pracy z upływem czasu. Zalety te powodują, że obszar zastosowań przetwarzania cyfrowego realizowanego przez procesory DSP jest bardzo szeroki. Obejmuje aplikacje ogólne (jak: filtracja, analiza widmowa, generacja sygnałów), zastosowania w telekomunikacji, aparaturze medycznej, przetwarzanie obrazów, aplikacje militarne, duży wybór zastosowań przemysłowych oraz w sprzęcie powszechnego użytku.
Cechy procesorów sygnałowych
Cechy procesorów sygnałowych wynikają ze stawianych im zadań. Jedną z podstawowych funkcji DSP jest praca w „czasie rzeczywistym” („na bieżąco”, „on line”). Taki tryb pracy wymaga realizacji całej sekwencji przetwarzania w czasie krótszym niż okres pomiędzy pobieraniem (i wysyłaniem) kolejnych próbek. Okres próbkowania jest istotnym parametrem, a jego wybór zależy od szybkozmienności przebiegów, która ma związek z szerokością ich widma. Realizacja złożonych algorytmów w czasie rzeczywistym wymaga dużej mocy obliczeniowej. Stąd procesory DSP charakteryzuje zestaw realizowanych sprzętowo rozkazów dobranych odpowiednio do realizacji zadań przetwarzania sygnałów oraz wiele rozwiązań przyspieszających prowadzenie obliczeń. Zestaw instrukcji wykonywanych sprzętowo obejmuje podstawowe działania matematyczne (+, –, *), chociaż można spotkać również inne, jak np. 1/x, pierwiastek kwadratowy. Na podkreślenie zasługuje fakt, że mnożenie wykonywane jest przez dedykowaną jednostkę, zwykle w jednym takcie zegara.
Natomiast obliczanie złożonych funkcji matematycznych, np. trygonometrycznych, odbywa się programowo różnymi metodami, np. wywodzącymi się z szeregów potęgowych czy wykorzystującymi tablice umieszczone w pamięci. Wiele potrzebnych procedur matematycznych zawierają biblioteki dostarczane przez producentów procesorów. Najbardziej charakterystyczną dla DSP operacją jest mnożenie z akumulacją: ACC:= ACC + an·xn (gdzie: ACC – zawartość akumulatora, an – współczynnik, xn – wartość próbki). Operacja ta zajmuje często jedynie jeden takt, uwzględniając pobranie argumentów i modyfikację adresów dla kolejnego wykonania. Jest ona podstawą algorytmów realizacji filtrów cyfrowych, wyznaczania splotu i szybkiej transformaty Fouriera (FFT – ang. Fast Fourier Transform). Inne charakterystyczne dla procesorów DSP mechanizmy to szybka reakcja na przerwania, ułatwienia realizacji buforów kołowych, adresowanie z odwróceniem bitowym, szybka realizacja krótkich pętli.
Procesory DSP posiadają najczęściej architekturę akumulatorową lub rejestrową. Słowo rozkazowe jest 16- lub 32-bitowe. Słowo danych jest również 16- lub 32-bitowe, przy czym możliwe jest wykonywanie działań na długich danych, np. 40- czy 64-bitowych. W celu zapewnienia dokładności wyniku wielokrotnych obliczeń, procesory DSP są wyposażone w długi akumulator. Na rynku przeważają procesory stałoprzecinkowe, w których dane reprezentowane są przez liczby całkowite lub stałoprzecinkowe, czyli słowo binarne umownie podzielone na część całkowitą i ułamkową. W obu przypadkach działania matematyczne wykonuje się za pomocą tych samych instrukcji. Zaletą stosowania tych reprezentacji jest szybkość wykonania operacji arytmetycznych i możliwość bezpośredniego korzystania z danych pochodzących z przetworników. Natomiast wadę stanowi uciążliwa konieczność nadzorowania pozycji przecinka podczas działań, takich jak dodawanie liczb o różnych pozycjach przecinka lub mnożenie. Niedogodności tych nie posiadają procesory zmiennoprzecinkowe, które pozwalają na pracę z danymi o dużej dynamice i ułatwiają programiście implementację algorytmów obliczeniowych. Wymagają natomiast zmiany formatu i skalowania przy współpracy z peryferiami, a czas wykonania operacji zmiennoprzecinkowych jest dłuższy. Jednak procesory zmiennoprzecinkowe pozwalają również na wykonanie operacji stałoprzecinkowych.
Przykładem powszechnego w procesorach sygnałowych rozwiązania przyspieszającego prowadzenie obliczeń jest architektura harwardzka, czyli architektura z rozdzieloną magistralą i pamięcią programu oraz danych. Umożliwia ona jednoczesne pobieranie instrukcji i danych. Architektura tego typu bywa organizowana na poziomie pamięci podręcznej. Inne stosowane techniki przyspieszania obliczeń to praca potokowa i równoległa, techniki SIMD, VLIW, stosowanie pamięci podręcznej, praca wieloprocesorowa. Zadania stawiane procesorom DSP wymagają szerokopasmowej wymiany danych z otoczeniem tak, aby umożliwić dużą szybkość przesyłania danych pomiędzy procesorem a przetwornikami A/C i C/A lub innymi peryferiami, czy też pomiędzy procesorami w systemie wieloprocesorowym. Dlatego procesory DSP wyposażone są w rozwinięte układy wejścia/wyjścia np. niezależne porty szeregowe i równoległe, układy DMA, rozwinięty system przerwań, elastyczne układy zarządzania pamięcią. W tabeli 1. porównano podstawowe dane techniczne wybranych procesorów DSP przeznaczonych do zastosowań w energoelektronice.
W związku z ogromną dynamiką rozwoju elektroniki i telekomunikacji, producenci procesorów DSP oferują ułatwienia pozwalające na skrócenie czasu niezbędnego na opracowanie i wytworzenie produktu finalnego. Stąd procesorom DSP towarzyszy rozbudowane środowisko programistyczne, a także rozwinięte oprogramowanie narzędziowe, obszerne dokumentacje i noty aplikacyjne. Proponowane są również moduły uruchomieniowe zawierające procesor DSP wraz z różnymi zestawami układów towarzyszących, jak np. pamięć zewnętrzna, dodatkowe przetworniki A/C i C/A, interfejs JTAG, złącze rozszerzeń. Oprócz programowania w asemblerze możliwe jest tworzenie programów w języku wysokiego poziomu (język C), przy czym dostępne są różne opcje zaawansowanych optymalizacji kodu wynikowego (np. szybkość wykonania, wielkość kodu). Można korzystać z bibliotek procedur efektywnie wykorzystujących zasoby procesora i znakomicie ułatwiających tworzenie oprogramowania. Dostępne są na przykład biblioteki ułatwiające prawidłową konfigurację procesora i wewnętrznych układów peryferyjnych, biblioteki współpracy z peryferiami i wymiany danych w czasie rzeczywistym, procedur przetwarzania sygnałów, wyznaczania FFT, wyznaczania wartości funkcji sinus, cosinus, tangens, pierwiastek kwadratowy, odwrotność i innych. Dostarczane są również biblioteki z procedurami obliczeń stałoprzecinkowych, ułatwiającymi programiście operowanie danymi o różnych liczbach miejsc po przecinku. Procesorom towarzyszą biblioteki z funkcjami umożliwiającymi stworzenie prostego systemu operacyjnego czasu rzeczywistego, niezbędnego w przypadku zaawansowanych aplikacji.
Zastosowanie procesorów DSP w układach napędowych
Znaczny postęp w rozwoju układów napędowych, który dokonał się w ostatnich latach, spowodował pojawienie się wysokosprawnych napędów o korzystnych właściwościach regulacyjnych i energetycznych. Postęp ten był możliwy dzięki rozwojowi technologii oraz dostępności półprzewodnikowych elementów mocy, rozwojowi metod sterowania, a także dużym możliwościom oferowanym przez technikę mikroprocesorową. Sterowanie układami napędowymi jest zadaniem wymagającym, gdyż z jednej strony musi odbywać się w czasie rzeczywistym, a z drugiej, niezbędna jest realizacja złożonych algorytmów. Jak widać potrzebna jest duża moc obliczeniowa oraz szerokopasmowa wymiana danych z otoczeniem. Wymaganiom tym sprostały procesory DSP. Ich wykorzystanie pozwoliło na implementację wyrafinowanych metod sterowania silnikami [11]. Dzięki dużej wydajności obliczeniowej możliwe stało się wykorzystanie w strukturze systemu sterowania nie tylko prostych układów liniowych czy nieliniowych (jak np. regulatory PI czy histerezowe), ale również stosowanie wielokrotnych transformacji współrzędnych oraz realizacja estymatorów (np. strumienia, prędkości kątowej, momentu), pozwalających na rezygnację z czujników. Na rysunku 2. przedstawiono przykładową strukturę realizowanego za pomocą DSP układu sterowania silnikiem indukcyjnym. Przykładem zaawansowanych metod realizowanych przy zastosowaniu procesorów DSP [11] są różne odmiany wektorowego sterowania silnikami indukcyjnymi [4, 9, 10], silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi [6, 8], czy też sterowanie przełączalnymi silnikami reluktancyjnymi [2, 12].
Procesory DSP przeznaczone do zastosowań napędowych, czy szerzej energoelektronicznych, zostały wyposażone w szereg układów peryferyjnych i funkcji [5, 6, 7], takich jak np. generator sygnałów PWM z generacją czasu martwego niezbędnego do zabezpieczenia gałęzi przekształtnika przed zwarciem, wielokanałowe przetworniki A/C, wejście czujnika obrotowo-impulsowego, układ kontroli watchdog, układy licznikowe i zegarowe, układy do komunikacji szeregowej (różnych standardów np. SPI, SCI, CAN), pozwalające na wymianę danych z dodatkowymi układami peryferyjnymi (np. przetworniki A/C, C/A, klawiatura, wyświetlacz, pamięć). Wiele z tych funkcji spotykane było w mikrokontrolerach. Stąd takie specjalizowane procesory DSP często nazywane są mikrokontrolerami sygnałowymi (DSC – ang. Digital Signal Controller), chociaż bywają czasem zaliczane do grupy specjalizowanych mikrokontrolerów.
Procesorom DSP tej grupy towarzyszą biblioteki zawierające procedury realizacji elementów struktury systemów sterowania układami energoelektronicznymi, jak np. regulatory (PI, PID), transformacje układów współrzędnych, estymatory, generatory PWM. Duża moc obliczeniowa DSP pozwala na realizację zadań dodatkowych, jak np. diagnostyka stanu układu napędowego w trakcie normalnej eksploatacji, komunikacja z innymi elementami rozbudowanych systemów. W przypadku złożonych warunków, procesory DSP bywają wspomagane programowalnymi układami logicznymi typu FPGA. Na rynku oferowanych jest szereg różnorodnych systemów DSP, począwszy od układów prostych przeznaczonych do sterowania silnikiem jednego typu, poprzez jednoprocesorowe układy umożliwiające jednoczesne sterowanie dwoma silnikami, aż po wieloprocesorowe systemy czasu rzeczywistego przeznaczone do sterowania złożonymi systemami energoelektronicznymi. Największymi dostawcami procesorów DSP do zastosowań energoelektroniki są: Texas Instruments, Freescale Semiconductor oraz Microchip Technology.
Oprócz zastosowań procesorów DSP do układów napędowych warto wymienić inne aplikacje energoelektroniczne, a szczególnie bardzo dynamicznie rozwijające się systemy zasilania z odnawialnych źródeł energii, takich jak ogniwa fotowoltaiczne i elektrownie wiatrowe. Układy sterowania w tych przypadkach zapewniają wysoką jakość energii dostarczanej do sieci oraz maksymalną moc uzyskiwaną ze źródła przy zmiennych warunkach otoczenia.
Literatura
- Dahnoum N., Digital Signal Processing Implementation using the TMS320C6000 Platform, Prentice Hall, 2000.
- DiRenzo M. T., Switched Reluctance Motor Control – Basic Operation and Example Using the TMS320F240, Application Report SPRA420A, Texas Instruments, 2000.
- Kaźmierkowski M. P., Nowoczesne energooszczędne układy sterowania i regulacji napędów z silnikami indukcyjnymi klatkowymi, W: Polski program efektywnego wykorzystania energii w napędach elektrycznych, Krajowa Agencja Poszanowania Energii, 2004.
- Lepka J., Petr Stekl P., 3-Phase AC Induction Motor Vector Control Using a 56F80x, 56F8100 or 56F8300 Device, Application Note AN1930, Freescale Semiconductor, 2005.
- Proakis J. G., Manolakis D. G., Digital signal processing: principles, algorithms, and applications. Upper Saddle River, N.J., Prentice Hall, 2007.
- Prokop L., Grasblum P., 3-Phase PM Synchronous Motor Vector Control Using a 56F80x, 56F8100, or 56F8300 Device, Application Note AN1932, Freescale Semiconductor, 2005.
- Sikorski A., Porównanie właściwości wektorowych metod regulacji momentu i strumienia maszyny indukcyjnej (DTC i FOC), Zesz. Probl. Masz. Elektr., nr 72, 2005, s. 219-224.
- Simon E., Implementation of a Speed Field Oriented Control of 3-phase PMSM Motor using TMS320F240, Application Report SPRA588, Texas Instruments, 1999.
- Texas Instruments, Implementation of a Speed Field Orientated Control of Three Phase AC Induction Motor using TMS320F240, Literature number: BPRA076, 1998.
- Texas Instruments, Field Orientated Control of Three Phase AC-motors”, Literature number: BPRA073, 1997.
- Toliyat H. A., Campbell S., DSP-Based Electromechanical Motion Control, CRC Press 2004.
- Visinka R., 3-Phase Switched Reluctance (SR) Sensorless Motor Control Using a 56F80x, 56F8100 or 56F8300 Device, Application Note AN1932, Freescale Semiconductor, 2005.
- Witryna http://www.freescale.com
- Witryna http://www.microchip.com
- Witryna http://www.ti.com
