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不再需要FPGA,用4个Cortex M4内核!

Spintrol 来源:Spintrol 2023-01-03 15:02 次阅读

针对当数字电源应用对控制器提出的高算力需求,旋智科技(Spintrol)创新性地提出,使用多颗多核MCU处理器ARMRISC-V内核),通过采取合适的多处理器间通信同步控制机制(Inter Process Communication, IPC),同样可以实现比肩传统FPGA+DSP架构的高算力,并且,这样的多MCU控制模块的开发平台及控制架构更统一,更灵活;控制模块的成本更低,物料单一化带来的优势也非常明显。同时,在旋智包含IPC机制的多处理器设计中,也仍然可以使用电力电子MBD威廉希尔官方网站 。

MCU的计算性能,对于数字电源控制,特别是高频ACDC数字电源的控制至关重要。旋智科技凭借高性能的双核MCU产品系列,创新地应用多MCU芯片(共计4-8个CPU内核)协同计算威廉希尔官方网站 ,陆续将推出满足高性能数字电源控制的多种方案,涵盖高频单相/三相有源整流器及功率因数矫正电路(PFC)、数字有源滤波器(APF)及并网光伏、储能逆变器等高性能应用。

相比DCDC电源和离网DCAC逆变电源,ACDC数字电源类产品由于有并网需求,涉及的控制功能也更多,主要包括:电网锁相,电网谐波分析,电网和负载的谐振抑制,高带宽电流、电压环路控制,电网阻抗识别等

这些功能需要涉及多种数学计算,主要包括:数字锁相环(PLL),快速傅里叶变换(FFT),FIR/IIR数字滤波器,零极点环路补偿器(2p2z/3p3z compensator),滞环控制器(Hysteresis Controller),比例谐振控制器(proportional resonant controller),重复控制器(Repetitive Controller),自适应滤波器(Adaptive Filter)等

在以碳化硅(SiC)及氮化镓(GaN) MOSFET为代表的快速开关器件大规模应用的趋势下,数字电源的效率和性能也达到了新的高度。这些新器件的特性,对电源控制MCU的算力也提出了新的要求,SiC及GaN器件的PWM开关频率可以轻松达到40kHz至数百kHz,为了充分发挥SiC及GaN器件的高频开关优势,数字电源的控制频率最好也能达到与功率器件PWM开关频率同频,甚至成倍提高的更高频率。这就要求MCU的算力相比当前产品成倍增加,计算时间大幅缩短。

然而,对于工业级MCU来说,由于工作环境、实时性及可靠性的限制,其CPU主频目前难以达到消费级CPU的2-3GHz水平,因此,行业通常采用FPGA+DSP等混合平台,通过将部分算法在FPGA中硬件化,来实现较高的数字控制频率,例如,业内常用FPGA来实现高频率电流控制,例如滞环电流控制(Hysteresis Current Control)等,DSP执行PLL等电网状态计算和系统控制,但是,FPGA+DSP的成本较贵,还需要专门的数字硬件工程师、开发环境和仪器来开展VHDL或verilog开发测试,除此以外,器件采购的选择相对MCU产品来说也少很多。

我们以数字有源滤波器(APF)开发为例,APF是一种用于并网条件下,主动补偿二极管不控整流等非线性负载产生的网侧高频谐波电流、提高功率因数、改善电网质量的设备。该类产品汇集了多项电网适应算法及高频高带宽电源控制的要求,因此可算是集数字电源控制威廉希尔官方网站 之大成的典型应用之一。通常,APF设计采用FPGA+DSP+ARM的控制器架构,控制器总成本在数百元以上,且开发复杂。本设计中,我们采用2颗旋智双核Cortex M4F处理器,共4个高主频计算内核,可实现64kHz PWM开关频率的380V两电平SiC APF控制,在本控制软件中,生成补偿谐波参考电流信号和高带宽电流环控制的计算耗时仅10us左右,对60次及以下的负载谐波电流抑制率达到95%以上,此方案的控制器成本仅几十元,并且由于有2颗MCU芯片,同样也具有多IO、多ADC通道、多外设的优势。

旋智的有源滤波器方案也支持MBD设计方式,使用MATLAB软件,可以有效地对系统仿真不同电网状况和负载条件下的系统特性,进行显式的针对性设计和测试验证,并自动生成控制代码。

以下实例模型中,MCU1及MCU2方框内的控制策略生成的代码分别并行运行在2颗双核Cortex M4F处理器上

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本设计中APF补偿 380V 3kW变频器进网电流的实验波形如下

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审核编辑 :李倩

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原文标题:不再需要FPGA,用4个Cortex M4内核!--旋智高算力数字电源方案

文章出处:【微信号:Spintrol,微信公众号:Spintrol】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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