Дорошин В.В.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОНТРОЛЛЕРОВ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

         Санкт-Петербургский Государственный Университет Информационных Технологий, Механики и Оптики

В этой работе осуществляется сравнительный анализ микроконтроллеров, цифровых сигнальных процессоров и ППВМ, используемых сегодня в качестве контроллера для построения цифровых систем управления прецизионным электроприводом. В заключение сделаны выводы о целесообразности применения тех или иных решений в зависимости от условий поставленной задачи.

Ключевые слова: прецизионный электропривод, управляющий контроллер, цифровая система управления.

This work is devoted to comparative analysis of MCUs, DSPs and FPGAs, currently being used as controller in precision electric drive digital control systems. In concluding part there are made conclusions about suitability of different solutions depending on conditions of a faced problem.

Keywords: precision electric drive, drive controller, digital control system.

На сегодняшний день в области управления электроприводом сложилась твердая тенденция использования цифровых систем управления вместо аналоговых систем. Это объясняется тем, что цифровые системы управления (ЦСУ), построенные на базе однокристальных цифровых вычислительных устройств, обладают рядом одновременно недостижимых для аналоговой техники качеств[1], таких как:

1. малые массогабаритные показатели;
2. низкое энергопотребление;
3. высокая гибкость создаваемого решения;
4. высокое быстродействие.

Ядром цифровой системы является контроллер, который может быть представлен одним из следующих устройств:

1. Микроконтроллер (МК)
2. Цифровой сигнальный процессор (ЦСП)
3. Программируемая пользователем вентильная матрица (ППВМ)

Среди представленных выше вариантов микроконтроллеры являются в большинстве случаев самым дешевым решением (многие модели стоят менее доллара США). Это объясняется большим количеством конкурирующих производителей, выпускающих решения с использованием своих или лицензированных архитектур, а также достаточно долгой историей развития и совершенствования. Тактовые частоты современных МК достигают сотен мегагерц, а встроенные объемы памяти – мегабайт, что, теоретически, позволяет реализовывать любые алгоритмы управления. Также отличительным достоинством является очень низкое отношение энергопотребления к тактовой частоте (100-200 мкА/МГц)[2][3]. МК, как правило, обладают широким набором периферии, включая АЦП, ЦАП, блоки ШИМ, коммуникационные интерфейсы, что позволяет отказаться от внешних специализированных ИМС. Однако, применение МК в ЦСУ ограничено ввиду отсутствия поддержки чисел с плавающей точкой на уровне ядра, использование которых необходимо для обеспечения высокой точности вычислений. При использовании МК приходится выбирать между быстродействием и точностью, так как при программной эмуляции поддержки производительность значительно падает (в зависимости от архитектуры, падение может составлять до 4-х порядков по сравнению с целочисленной арифметикой). Наиболее известные представители архитектур этого семейства вычислительных устройств: AVR компании Atmel, PIC от Microchip, 8051 от Intel, Cortex-M от ARM.

Этой проблемы лишены цифровые сигнальные процессоры, так как они  по умолчанию поддерживают операции над числами с плавающей точкой. Их стоимость уже несколько выше (единицы-десятки долларов США), энергопотребление новейших моделей так же очень мало (200мкА/МГц), а тактовые частоты достигают в некоторых случаях гигагерц. К минусам относится слабый набор периферийных устройств, хотя стоит отметить что в новых моделях процессоров производители уделяют все больше внимания встроенной периферии. Лидером на рынке ЦСП является компания Texas Instruments, которая представлена семейством TMS320[4]. Однако, на сегодняшний  все большее распространение набирают альтернативные решения на базе ядра Cortex-M4 от ARM. Уже начаты поставки процессоров компании Freescale, к концу года предполагается начало поставок процессоров от NXP[4] и ST Microelectronics[2], в которых будет присутствовать ядро CM4 (с поддержкой чисел с плавающей точкой и SIMD-инструкций на уровне ядра) для обеспечения алгоритмов управления и ядро CM0 для организации каналов связи с внешним оборудованием. В состав периферии входят модули USB и Ethernet[2], что значительно расширяет сферу применения без увеличения стоимости конечного оборудования. Таким образом, такой вариант обеспечивает высокую производительность в купе с широкими коммуникативными возможностями.

Среди представленных вариантов  ППВМ обладает наиболее высокой производительностью. Это обеспечивается за счет высоких тактовых частот (до гигагерц), возможности конфигурации под конкретную задачу и, самое важное, за счет возможности распараллеливания операций, что в некоторых случаях позволяет выполнять операции быстрее, чем при использовании обычных процессоров. Во многих ПЛИС на сегодняшний день представлена встроенная оперативная память SRAM, широкий набор аппаратных блоков умножения частоты, а также блоков ускорения арифметических операций, что позволяет реализовывать любые алгоритмы управления с жесткими требованиями к скорости реакции. Также могут быть реализованы практически любые коммуникационные интерфейсы для подключения к промышленным сетям без дополнительных преобразователей (например, EtherCAT). К недостаткам относится значительно более высокое энергопотребление (300+ мкА/МГц)[5], чем у ЦСП и МК, повышенные требования к стабильности источников питания, заметно более высокая стоимость (от 15 долларов США), отсутствие встроенных блоков АЦП и ЦАП.

Подводя итоги, стоит отметить, что:

1. В системах, где постоянные времени объекта велики (десятки миллисекунд), или где нет высоких требований к быстродействию и точности, может быть целесообразно использовать МК в качестве контроллера. Это позволит снизить стоимость конечного оборудования при массовом производстве, а также уменьшит энергопотребление системы в целом.
2. В подавляющем большинстве задач применение ЦСП является необходимым и достаточным. При выборе контроллера из данной категории стоит обратить внимание на новые разработки (CM4, двухъядерные процессоры), так как благодаря пониженному энергопотреблению и низкой стоимости такие устройства могут применяться при разработке малопотребляющих выносных устройств. Использование распространенных коммуникационных интерфейсов (ethernet) позволяет применять такие контроллеры в составе внутренних сетей предприятий без дополнительного оборудования.
3. Для систем жесткого реального времени в некоторых случаях имеет смысл использовать ППВМ (постоянные времени объекта исчисляются десятками микросекунд). Так как в области управления электроприводом подобные задачи являются редкостью, энергопотребление и конечная стоимость могут не рассматриваться как важный критерий при выборе, особенно в случаях, когда ЦСП не могут обеспечить требуемый уровень быстродействия.

Литература:

1. Научно-технический журнал «Известия вузов. Приборостроение». СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2006.
2. ST Microelectronics, www.st.com
3. NXP Semiconductors, www.nxp.com
4. Texas Instruments, www.ti.com
5. Altera Corporation, www.altera.com