New-Tech Magazine | March 2016 edition

שיפור: אלגוריתמים חדשים, מהירים

יותר, מאיצים את המעבדים החזקים

ביותר אל המרב, בשעה שגישת תכנון

model

based

design

מבוססת-דוגמה (

) מאפשרת הפיכה לפרמטרים, ייטוב

MBD

ובדיקה של המערכות עוד לפני בנייתן.

ברור שיעילות האנרגיה בייצור מערכות

אוטומטיות היא בעיה מורכבת, רב-

ממדית. להלן אתגרי מפתח אחדים לתכנון

הכרוכים בייטוב יעילות האנרגיה:

ראשית, הגדלת המוצא של המערכת ו/או

מספר היחידות המעובדות במתקן בשעה.

דבר זה דורש אלגוריתמים חדשים ויותר

מדויקים, המספקים תוצאות בזמן מחשוב

מהיר יותר, מקטינים את זמן מיצוב

הכלים ומאפשרים מהירויות ראשי-כלים

גבוהות יותר.

שנית, פיתוח רכיבים חדשים דוגמת

מעבדים יותר משולבים, חזקים וחוסכי

gate

אנרגיה, בנוסף למניעי שערים (

) חדשים, שניתן לפרוס במערכות

drivers

שוטפות אך הם מתוכננים במיוחד עבור

חדשים בעלי מתח גבוההמשתמשים

IGBTs

SiC

או

GaN

בטכנולוגיה של

שלישית, לעשות את השימוש הטוב

ביותר באנרגיה מעשית באמצעות מדידות

חוסכות אנרגיה במלוא ההינע של המהפך

) או הסרבו, כמו גם להקטין

inverter

(

standby

את ההפסדים במצב הסרק (

תוך שימוש באנרגיית הבלימה של יחידת

ההספק ולבסוף רישות מורחב של מודולי

העיבוד בתוך מתקן הייצור.

יש רכיבים חדשים

Analog

Devices

ל-

המספקים פתרונות עבור האתגרים

הקודמים והופכים את יעילות האנרגיה

המיוטבת למציאות:

מעבדים חזקים אך יעילים (קצב שעון

ADSP

מגה-הרץ) ממשפחת -

240

של

המבוססת על ארכיטקטורת

, בעלת זיכרונות

ARM

Cortex

384

הבזק,

פנימיים גדולים (

) וממשקים גמישים. היחידה

SRAM

האריתמטית בעלת תמיכה של נקודה

צפה מסוגלת לעבד במהירות ובמדויק את

האלגוריתמים מבוססי-הדוגמה בפורמט

- ביט מדויקים,

ADCs

הנתונים הטבעי.

) ומסנני סנכרון

14-

bit ENOB

רבי-ערוצים (

מהירים בעלי קצבי דסימציה ניתנים

לתכנות לשם שחזור זרמים מודגמים

בעלי מיתוג מהיר,

PWM

בצירוף יחידות

מגדילים את דיוק לולאת הסרבו של הזרם.

השילוב המתוחכם של היחידות מקטין

את זמני הכמיסות והמחשוב. שילוב

דיאגרמה מלבנית של יחידת הספק/סרבו מרושתת

איור

ADSP CM40x

דיאגרמה מלבנית של ארכיטקטורת

איור

הזיכרון הגמיש ויחידה לחישוב הרמוניות

)

HAE

harmonic

analysis

engine

הרשת (

מאפשרים אלגוריתמים נוספים, במיוחד

לשם שימוש בקצה הסופי האקטיבי, תוך

לתוך סריג

החזרת אנרגיה מאפיק ה-

ההספק המקומי. הממשקים המתאימים

מבטיחים שילוב קל לתוך הרשתות

מראה

התעשייתיות הקיימות. איור

ADSP

את הדיאגרמה המלבנית של ה--

ADCs

של ה-

740

משפחת ה-

ביט המבודדים שודרגה בעזרת

-16

)14.2

ENOB

רכיבים מדויקים יותר (

ומרווח רעש אות מוגדל. הם מוגדרים על-

פני כל תחום התדרים ועונים לדרישות

הבידוד המוגברות של המתח המודגם עד

ESD

) ו-

surge

וולט. יציבות נחשול (

1250

מבטיחה שלרכיב יהיו חיי שירות ארוכים.

) או

7402(

ניתן להפיק את השעון פנימית

). האות המאופנן

7403(

לספקו חיצונית

המתקבל ניתן להזנה ישירה אל המסנן

ואינו דורש

ADSP

במעבד

sinc

לשם סינון השחזור. קיים גם רכיב

FPGA

בעל אותות מוצא הפרשיים על נתיבי -

), במקרה שאורך העקבה

7405(

LVDS

יוגדל משמעותית.

) שער

drivers

בנוסף, קיימים דוחפי (

מבודדים, המתאימים הן עבור טכנולוגיית

הקיימת, ופותחו

IGBT

וה-

MOSFET

ה-

במיוחד עבור המוליכים למחצה של הספק

SiC

ו-

GaN

פיתוחי מוצרים חדשים במרווח הבידוד

של ממשקים דיגיטליים ויותר ספציפית

LVDS

ו-

USB

CAN

-232

עבור

מיועדים לסוגיית האבטחה של בידוד

הממשק. פיתוחים אלה עונים לדרישות

Visit

analog.com

46% of the electrical energy produced and a motor’s energy consumption

accounts for around 90% of total costs over its entire service life. Electric

motors are the main power units behind almost all automation devices in

our production plants and it is hard to imagine a future without them.

conversion, and signal conditioning. Better prepared signals are fed to

application specific processors, which drive faster servo loops with higher

voltages. Higher voltages in the intermediate circuit require more voltage

proof insulation devices and gate drivers for IGBTs.

Line

Voltage

Factory/Machine

Network

Current

Position and Speed

Motor

Control

Communications-

System Application

Torque

Units/Hours

Automated Machine

Machine/Safety Interface

Motor

Figure 1. Block diagram of a networked power unit/servo.

It is clear that the energy efficiency of manufacturing automation systems

is complex, multidimensional problem.The following ar some key design

challenges involved with optimizing energy efficiency:

Firstly, increasing the system’s output and/or the number of units

processed at the plant per hour. This requires new and more accurate

algorithms, that deliver results in a faster computing time, reduce tool

positioning time, and enable higher tool head speeds.

Secondly, developing new components such as more integrated,

powerful, and energy saving processors, in addition to new gate

drivers, which can be deployed in current systems but are designed

especially for new high voltage IGBTs using GaN or SiC technology.

Thirdly, making the best possible use of energy in practice through

energy saving measures in the entire inverter or servo drive, as well

as reducing losses in standby mode, utilizing the power unit’s brake

energy, and finally extensively networking the process modules within

the production plant.

Analog Devices has new components that provide solutions for the previous

challenges and make achieving optimal energy efficiency a reality:

Powerful, yet efficient, processors (240 MHz clock rate) from the

ADSP-CM40x

family based on the ARM

Cortex

-M4F architecture,

with large internal memories (2 MB flash, 384 kB SRAM) and flexible

interfaces. The arithmetic unit with floating-point support is able to

quickly and accurately process the model-based algorithms in the

native data format. High precision, multichannel, 16-bit ADCs

(14-bit ENOB) and fast sinc filters with programmable decimation

rates for reconstructing

sampled currents, in conjunction with

fast switching PWM units, increase the pr

ecision of the c

urrent

servo loop. The sophisticated integration of the units reduces

The

AD740x

family of the insulated 16-bit

ADCs has been upgraded

with more accurate components (14.2 ENOB) and an increased signal

noise interval.They are specified across the entire frequency range and

meet the increased insulation requirements of the sampled voltage

up to 1250 V. High surge and ESD stability ensure that the component

has a long service life. The clock can be generated internally (

AD7402

)

or applied externally (

AD7403

). The

modulated signal obtained

can be directly fed to the sinc filter in the ADSP-CM40x processor

and does not require an FPGA for the reconstruction filter.There is also

a component with differential output signals on LVDS lanes (

AD7405

should the trace length be increased considerably.

In addition, there are new insulated gate drivers, which are suitable

both for existing MOSFET and IGBT technology, and have been specially

developed for the new GaN and SiC power semiconductors.

New product developments in the isolation space for simple digital

interfaces, and more specifically for USB, CAN, RS-232, and LVDS,

address the safety issue of interface insulation. These developments

fulfill the stricter insulation requirements and are accordingly stable in

the long term.

The new components make it possible to save energy locally. However, the

individual inverter still contains one major loss factor: standby times with-

out energy saving measures needlessly consume large amounts of energy.

Greater and smarter integration of the manufacturing system would allow

proper scheduling of operation times with high levels of activity. The

corresponding energy saving mechanisms could therefore be activated at

times when the power unit is not in use. Constant progress is being made

in terms of networking the individual systems using industrial Ethernet,

and this is replacing fieldbus systems with lower data rates. As such, it is

Peripherals

System Control Blocks

L1 Cache

Cortex-M4

L1 Memory

GPIO (40 or 91)

L3 Memory

Analog Front End

USB FS OTG

(Optional)

Static Memory

Controller

Async Interface

1× EMAC With

IEEE 1588

(Optional)

2× SPORT

2× SPI

3× UART

2× CAN

8× Timer

12× PWM Pairs

4× Quadrature

Encoder

1× TWI/I

JTAG, SWD,

CoreSight™ Trace

PLL and Power

Management

Fault

Management

Event

Control

Security

System

Watchdogs

System Fabric

16 kB

L1 Instruction

Cache

ARM

Cortex

Up to 384 kB

Party Enabled

Zero Wait State SRAM

Up to 2 MB

Flash

(Executable)

Harmonic Analysis Engine

(HAE)

Sinc Filters

Hardware Functions

ADCC

2× ADC

DACC

2× DAC

Figure 2. Block diagram of ADSP-CM40x architecture.

MOTION CONTROL

מוסף מיוחד

New-Tech Magazine l 74