Разработка электропривода. Часть 1. Вводная

В этой части цикла, посвященного разработке электропривода, мы сосредоточимся на его электронной составляющей. Рассмотрим топологии силовых узлов AC/DC, DC/DC и DC/AC электропривода, подбор электронных компонентов, а также ключевые нормативные стандарты, которых необходимо придерживаться при проектировании. Отдельный раздел будет посвящен выбору вычислительной платформы для управляющей платы — FPGA, DSP, SoC и другие варианты. Кроме того, затронем вопросы функциональной безопасности (safety) в электронике и требования к безопасной работе электропривода.

Вступление

План, что и говорить, был превосходный: простой и ясный, лучше не придумать. Недостаток у него был только один: было совершенно неизвестно, как привести его в исполнение.

«Алиса в Стране чудес» Льюис Кэрролл

Коллеги, приветствую! Надеюсь, эта статья найдёт отклик у единомышленников, и сообщество разработчиков электроприводов и силовой электроники в СНГ будет продолжать расти. Присоединяйтесь к нашему Telegram-каналу!

Настоящая статья родилась на стыке трех ключевых факторов: длительного опыта в разработке систем управления электродвигателями, активного взаимодействия с иностранными заказчиками в сфере разработки силовой электроники и электроприводов на заказ, а также искреннего желания сделать эти сложные технологии более открытыми и доступными для широкого круга инженеров.  

Все страньше и страньше - вскричала Алиса

Глава 2. Море слез

1. Основные узлы электропривода

Коллеги, начнем с серии международных стандартов IEC 61800, серия определяет требования к системам силовых электроприводов с регулируемой скоростью (Adjustable Speed Electrical Power Drive Systems), охватывая все уровни — от структуры и номинальных характеристик до безопасности, электромагнитной совместимости и энергоэффективности. Документы IEC 61800-1 и -2 описывают общие требования и параметры для низковольтных электроприводов, IEC 61800-3 устанавливает нормы ЭМС, а IEC 61800-4 распространяет спецификации на высоковольтные системы (1–35 кВ). Стандарты IEC 61800-5-1, -5-2 и -5-3 регламентируют электрическую, функциональную и компонентную безопасность (включая SIL/PL и требования к энкодерам). Раздел IEC 61800-7 определяет профили коммуникации и интерфейсы приводов (CiA 402, CIP Motion, PROFIdrive, SERCOS) и их сопоставление с промышленными сетями (EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP и др.). IEC TS 61800-8 описывает параметры звена DC и силового сопряжения, а IEC 61800-9-1/9-2 задают методологию и показатели энергоэффективности приводных систем. В целом серия IEC 61800 формирует единую нормативную основу для разработки, интеграции и оценки производительности систем регулируемого электропривода (таблица 1.1).

Таблица 1.1.  Серия международных стандартов IEC 61800.

Система силового электропривода с регулируемой скоростью (PDS, Power Drive System) (рисунок 1.1) по IEC 61800 состоит из функциональных модулей, обеспечивающих преобразование, управление и подачу энергии на электродвигатель. Основным элементом является CDM (Complete Drive Module) — полный модуль привода, включающий силовые каскады преобразования (AC/DC, DC/DC, DC/AC), систему управления, измерения и защиты. В упрощенной архитектуре применяется BDM (Basic Drive Module) — базовый модуль привода без встроенного контроллера (платы управления), требующий внешнего управляющего устройства. В составе PDS также присутствует электродвигатель, формирующий с CDM или BDM замкнутый контур регулирования скорости и момента. В зависимости от конфигурации, система может быть реализована как интегрированный привод (в одном корпусе) или как распределенная модульная структура с общей шиной DC и внешним управлением (рисунок 1.2).

В последующих разделах будет рассмотрена типовая архитектура электропривода, основанная на комбинации силовой платы и платы управления. Будут проанализированы наиболее распространенные топологии силовых каскадов, применяемые в таких системах (AC/DC, DC/DC, DC/AC), а также микроконтроллерные/процессорные/FPGA решения, используемые производителями для реализации управляющих функций, цифровой обработки сигналов и коммуникационных интерфейсов.

2. Модуль силовой части электропривода (power board)

Силовая часть электропривода на верхнем уровне включает три основных звена: AC/DC, DC/DC (в 90% слуачаях нету в промышленных электроприводах, только DC-link) и DC/AC, объединённые общей шиной DC. Узел AC/DC выполняет функцию выпрямление и коррекцию коэффициента мощности (ККМ/PFC)/AFE, DC/DC-конвертор стабилизирует напряжение и/или повышает/понижает уровни напряжения при необходимости, а DC/AC-инвертор формирует трехфазное напряжение (вспоминаем первую часть про SVPWM/DPWM) для питания электродвигателя. На рисунке 2.1 показаны типовые узлы преобразователей — с промежуточным звеном DC и матричные AC/AC-конверторы, используемые в промышленности. В последней источником питания служат аккумуляторные батареи или топливные элементы, работающие в архитектуре общей DC-link.

Говоря про силовую электронику будем использовать концепцию модульной архитектуры PEBB. PEBB (Power Electronic Building Block) — это концепция силовой электроники, предложенная для стандартизации и унификации элементов систем преобразования энергии. Основная идея PEBB заключается в том, что любой преобразователь — от простого инвертора до многоуровневого активного фронтэнда — может быть собран из типовых строительных блоков с определенным функциональным, электрическим и интерфейсным стандартом. В концепции PEBB силовой модуль может выполняться как полумост (half-bridge) (рисунок 2.2) или как полный мост (full-bridge) (рисунок 2.3), то есть в виде стандартных силовых ячеек, из которых затем формируют более сложные топологии (рисунок 2.4). 

Далее рассмотрим архитектуры силовых преобразователей электроприводов с точки зрения решений, применяемых в промышленной автоматизации и автомобильной отрасли.

AC/DC (выпрямитель)

Эволюция трехфазных AC/DC-выпрямителей (rectifier) последовательно прошла три ключевых этапа: сначала применялись пассивные трехфазные диодные выпрямители (рисунок 2.5), формирующие нелинейный ток с высоким THD (30-50%), ограниченным cosφ и жёстко зависящим от амплитуды сети уровнем DC-шины; управление в таких схемах отсутствовало. Следующим шагом стали трёхфазные активные PFC-топологии (Vienna Rectifier, 3-phase Boost PFC), где используется PWM и регулирование токов в dq/αβ-координатах, улучшения cosφ до ≈1, снижения THD до 5–10 % и стабилизации DC-напряжения, но при этом сохраняется односторонний поток энергии (рисунок 2.6). Финальным этапом стало появление AFE (active front end) — трехфазного двухуровневого управляемого выпрямителя, который благодаря векторному управлению обеспечивает двунаправленную передачу энергии, раздельное управление активной и реактивной мощностью, низкий THD (<3–5 %) и полный контроль уровня DC-шины, что делает его стандартом в современных трехфазных силовых системах (рисунок 2.7).

PFC/KKM

Трёхфазный PFC (power factor correction)/ККМ(корректор коэффициента мощности) (рисунок 2.6) без AFE обычно реализуется в форме Vienna Rectifier или трехфазного boost-PFC, где управление выполняется только в одном направлении — от сети к DC-шине. В таких схемах силовые ключи работают в режиме коррекции входных токов, заставляя их следовать синусоидальной форме и быть пропорциональными мгновенному напряжению каждой фазы, тем самым повышая коэффициент мощности и снижая гармоники по сравнению с обычным трехфазным диодным мостом. Vienna-топология использует комбинацию диодов и управляемых ключей, что уменьшает потери и сложность управления, но при этом позволяет удерживать стабильное напряжение на DC-link и обеспечивать низкий THD. Такие трёхфазные PFC применяются в зарядных устройствах, сервоприводах и промышленной силовой электронике, когда требуется высокая эффективность, низкое искажение сети и отсутствие необходимости в обратной подаче энергии.

AFE

Активный фронтенд (AFE, Active Front End/AIC, Active Infeed Converter, IEC TS 62578) представляет собой полностью управляемый трехфазный мост на базе IGBT/SiC MOSFET/GAN транзисторов, выполняющий функцию двунаправленного преобразователя AC/DC в составе электропривода. Управление AFE реализуется по принципу векторного (DQ) управления током с синхронной привязкой к сетевому напряжению посредством PLL, что обеспечивает поддержание коэффициента мощности, близкого к единице, и подавление гармоник входного тока. Через звено постоянного тока (DC-link) AFE соединен с инвертором DC/AC, формирующим ШИМ-напряжение регулируемой частоты для питания ACIM/PMSM. В режиме рекуперации поток мощности инвертируется: инвертор преобразует механическую энергию в электрическую, заряжая DC-шину, а AFE, работая в инверторном режиме, возвращает энергию обратно в сеть с управляемым синфазным током (зачем рассеивать тепло на тормозном резисторе, если можно вернуть в сеть). Такая конфигурация обеспечивает двунаправленный обмен энергией, стабилизацию DC-шины, активное демпфирование сетевых помех и реализацию функций торможения без внешних резисторов. 

- А как по-белорусски будет вперед?

- Уперад…

- А назад?

- А у белорусов нет слова «назад». Если нам надо, то мы разворачиваемся и уперад.

Беларуская шутка (как синоним работы AFE электропривода, возврат энергии в сеть)

DC/DC (конвертор)

В электроприводах с питанием от батареи, топливного элемента или суперконденсаторов двунаправленный DC/DC-преобразователь (рисунок 2.8) управляет возвратом энергии из инвертора в накопитель при рекуперации и стабилизирует потоки мощности в прямом и обратном направлениях (пример DC/DC VP5000). Для батарей наиболее типичен синхронный buck-boost DC/DC, позволяющий работать как понижающим звеном при тяге, так и повышающим при рекуперации, обеспечивая высокий ток заряда и точный контроль шины DC. В системах fuel cell (FC) применяется двунаправленный Dual Active Bridge (DAB), который сглаживает нелинейность и динамические просадки напряжения FC. Для суперконденсаторов используются высокотоковые bidirectional buck-boost или CLLC топологии DC/DC, обеспечивающие минимальные потери, работу на больших токах и высокую цикличность. Таким образом, двунаправленные DC/DC-звенья формируют интерфейс между DC-link, рекуперацией и различными типами накопителей, обеспечивая стабильность шины DC и управление обменом энергии в обоих направлениях.

DC/AC (инвертор)

Инвертор электропривода (DC/AC inverter) представляет собой полностью управляемый трехфазный мост на базе IGBT, SiC MOSFET или GaN транзисторов, формирующий ШИМ-напряжение (SVPWM, DPWM) регулируемой амплитуды и частоты для питания PMSM и ACIM. Векторное управление (FOC) реализуется в DQ-координатах: токи статора последовательно преобразуются преобразованиями Кларка и Парка, после чего развязанные регуляторы каналов Id и Iq обеспечивают раздельное управление потокосцеплением и электромагнитным моментом. Инвертор питается от DC-шины. В режиме рекуперации он работает как активный выпрямитель: механическая энергия преобразуется в электрическую, формируя отрицательную мощность на DC-шине, которая далее возвращается в источник питания, направляется в двунаправленный DC/DC или рассеивается на тормозном резисторе.

Матричный конвертор для ЭД (AC/AC)

Современные AC/AC приводные системы (рисунок 2.10) начинают использовать косвенные матричные конверторы (Indirect Matrix Converter, IMC), поскольку эта архитектура позволяет реализовать прямое преобразование без электролитического DC-link-конденсатора — элемента, который в классических инверторах DC/AC остаётся главным ограничителем ресурса из-за нагрева, высокого ESR/ESL и деградации электролита. В матричных структурах существуют две основные вариации: прямой матричный конвертор (Direct Matrix Converter, DMC) с 9 двунаправленными ключами и непосредственной коммутацией фаз, и IMC, представляющий собой управляемую связку активного выпрямителя и инвертора без накопительного звена. На практике именно IMC становится доминирующим решением благодаря более простой реализации безопасной коммутации, расширенным диапазонам модуляции и повышенной надёжности при отказе от большого конденсатора. 

Автомобильная промышленность

В автомобильных системах электропривод выступает основным элементом тягового контура, где управление потоком энергии и динамикой машины задается через инвертор и электронные системы управления. В рамках статьи посмотрим на FCEV и  BEV.

FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) 

FCEV - это электромобиль на водородных топливных элементах (рисунок 2.11), где электроэнергия вырабатывается в процессе электрохимической реакции водорода и кислорода. Взаимодействие топливного элемента с тяговым инвертором реализовано через многоуровневую силовую архитектуру, обеспечивающую согласование динамики источника и нагрузки. Стек топливных элементов является медленным источником, он не способен мгновенно отдавать большие скачки тока без деградации каталитического слоя и падения напряжения. Поэтому между стеком FC и инвертором всегда располагается высокочастотный изолированный DC/DC-конвертер. Инвертор, со своей стороны, является быстро меняющейся нагрузкой, потребляющей импульсные токи с высокими динамическими градиентами при изменении тягового момента двигателя. Чтобы защитить стек от резких нагрузок, в шину введен буферный накопитель — LiFePO₄(LFP)/Li-ion аккумулятор, подключенный через двунаправленный DC/DC.

 BEV (Battery Electric Vehicle)

BEV - это электромобиль с аккумуляторным питанием (рисунок 2.12), где энергия хранится в LiFePO₄(LFP)/Li-ion аккумуляторах и подается на инвертор для питания тягового электродвигателя. Если рассматривать всю энергетическую цепочку — от производства водорода посредством электролиза до его сжатия, охлаждения, хранения и последующего преобразования в электрическую энергию для движения автомобиля — суммарный КПД водородного транспорта составляет около 20–30 % (у бензинового ДВС 15-20 %). Для электромобилей с аккумуляторами типа LFP общий КПД достигает 70–80 %, что делает их примерно в 2–3 раза эффективнее по использованию энергии, чем водородные аналоги. Капитальные ��атраты на строительство водородной заправочной станции составляют от примерно €330 000 до €5 000 000 в зависимости от типа и условий эксплуатации. Эти расходы значительно выше, чем стоимость даже коммерческих зарядных станций для электромобилей. При этом инфраструктура EVSE может быть реализована вплоть до домашнего уровня, что делает развитие электротранспорта очевидным направлением для автомобильной отрасли. Уже существуют зарядные станции, обеспечивающие заряд за 5 минут, а с появлением твердотельных аккумуляторов (SSB) эпоха двигателей внутреннего сгорания фактически подойдет к завершению. Водород сохранит нишу вероятно в тяжелом транспорте (FCEV) и авиации, инверторы на топливных элементах (Fuel cell inverter) найдут применение. 

Выбор электроники для электропривода 

Обзор электроники в данном разделе представлен с точки зрения базовых узлов, необходимых для реализации FOC. 

IGBT/SiC MOSFET/GAN

Выбор элементной базы для силового электропривода определяется требованиями к энергетической эффективности, надежности при циклических тепловых нагрузках и обеспечению электромагнитной совместимости (EMC/EMI) в условиях высокоскоростной коммутации трехфазного инвертора. Ключевым элементом силового тракта являются полупроводниковые ключи — IGBT, SiC MOSFET и GaN (Renesas/Transphorm), определяющие динамические параметры (dv/dt, di/dt), коммутационные потери, тепловую стабильность и требования к драйверам. Наиболее распространенными поставщиками силовых модулей и дискретных компонентов являются Infineon (де-факто стандарт индустрии в automotive/industrial), Wolfspeed (лидер по SiC MOSFET и диодам с минимальными коммутационными потерями), ROHM (широко применяемые SiC MOSFET и SiC Schottky Barrier Diodes в тяговых инверторах), а также Onsemi, STMicroelectronics и др. Для тяговых инверторов высокомощного класса (400–800 В DC-link) наиболее целесообразно применение SiC MOSFET Infineon/Wolfspeed благодаря высокой допустимой температуре кристалла и низкими коммутационными потерями. В приводах низкой и средней мощности продолжают использоваться IGBT-решения Infineon, Onsemi и ST, когда ключевым фактором остается стоимость и коммутационная частота до 8–16 кГц. GaN-структуры применяются преимущественно в высокочастотных DC/DC ступенях или маломощных электроприводах, где критичны минимизация паразитных ёмкостей, высокие частоты коммутации (>100 кГц) и низкие коммутационные потери, однако для тяговых инверторов пока ограничены напряжением и тепловой стабильностью. Выбор типа транзистора определяет архитектуру драйверов, требования к изоляции, компоновке, структуру EMI-фильтрации и стратегию управления скоростями переключения.

Изолированные драйвера затвора

Силовые ключи требуют точного управления затвором (рисунок 2.13) с обеспечением высоких скоростей переключения, гальванической изоляции с высоким CMTI (Common-Mode Transient Immunity) и встроенных механизмов защиты — DESAT с быстрым реагированием на короткое замыкание, Miller clamp для подавления паразитных включений при высоком dv/dt, soft-turn-off для контролируемого снижения энергии аварийной коммутации. Среди производителей драйверов затвора ключевыми являются Texas Instruments и Analog Devices  — их линейки (TI UCC/ISO серия, AD ADuM/ADuMxxx-isoPower/iCoupler) обеспечивают высокую помехоустойчивость, выдерживают экстремальные CMTI и доступны в вариантах, соответствующих требованиям функциональной безопасности (SIL/IEC 61508, ASIL/ISO 26262). Broadcom остаётся эталоном в сегменте опторазвязанных и опто-дифференциальных драйверов (серии ACPL/HCPL), применяемых в средне- и высоковольтных инверторах (600–1700 В), где критична изоляционная прочность, низкий джиттер и устойчивость к dv/dt-индуцированным ошибкам. Дополнительно используются решения Infineon (EiceDRIVER 1ED/2ED), Silicon Labs, ROHM и STMicroelectronics, выбираемые в зависимости от топологии инвертора, требуемой изоляции (оптическая, трансформаторная), допустимых паразитных индуктивностей и стратегии управления скоростями переключения.

АЦП

В промышленной и автомобильной силовой электронике ключевую роль в измерительных цепях играют АЦП (аналого-цифровой преобразователь) с высокой точностью, низким уровнем шума и минимальными задержками преобразования, поскольку они определяют точность фазных токов, напряжений. Analog Devices традиционно является технологическим лидером благодаря широкому спектру прецизионных SAR и высокопроизводительных ΔΣ АЦП, обеспечивающих одновременную выборку, низкий input-referred noise (шум, приведенный ко входу) и предсказуемые задержки конверсии, что критично для SiC/IGBT-инверторов. Texas Instruments занимает второе место по распространенности охватывают основные требования приводов, предлагая высокую скорость выборки и варианты с интегрированной гальванической изоляцией для HV-систем. Broadcom применяется преимущественно в специализированных измерительных трактах на базе изоляционных сигма-дельта модуляторов (рисунки 2.14-2.15) (семейства ACPL-C79x/C87x), формирующих поток данных MDAT с тактированием MCLK. Такая архитектура обеспечивает безопасную передачу измерительной информации в силовых инверторах, где первостепенное значение имеют изоляция и помехоустойчивость. Сигма-дельта модуляторы AD7403/AD7405 от Analog Devices, обеспечивающие высокое SNR и стабильность при работе с SiC-инверторами. Texas Instruments предлагает AMC1306/AMC1106, ставшие стандартом для токовых шунтов. Novosense активно развивается в сегменте cost-effective решений — серии NSI130x.

3. Модуль управления электропривода (control board)

Структура модуля управления представлена на рисунке 3.1. Модуль из состоит интерфейсного блока, I/O блока, блока LCD/HMI/LED (сервисная и конфигурационная часть), энкодерного блока и блок контроллера (чипа/кристалла) (MCU/DSP/MPU/SoC/FPGA), блока ADC (может быть выносным) и блок safety (будет рассмотрен в следующем разделе).

Дополнительно введем следующие определения: систему без MMU (memory management unit - блок управления памятью) будем называть микроконтроллерной системой (MCU), а систему с MMU — процессорной системой (в дальнейшем также могут использоваться сокращения MPU — Microprocessor Unit или просто процессор). Если же микросхема, помимо основного процессора, содержит выраженные сопроцессорные подсистемы, такие как FPGA, PRU, NPU или GPU, то такую систему будем обозначать как SoC (System-on-a-Chip - система на кристалле). DSP - Digital Signal Processor/цифровой сигнальный процессор. 

Интерфейсный блок обеспечивает поддержку промышленных сетей на физическом уровне — Ethernet, CAN и RS-485. EtherCAT (ESC) работает поверх Ethernet и реализуется либо внешним ASIC, либо через ESC IP-ядро в FPGA. PROFINET-RT и PROFINET-IRT также используют физику Ethernet: RT может быть реализован на Linux, bare-metal или RTOS, тогда как IRT требует FPGA, специализированного ASIC или TI Sitara с PRU/ICSS. SERCOS III, POWERLINK, CC-Link IE и EtherNet/IP (CIP over Ethernet) — также Ethernet-ориентированные протоколы. DeviceNet (CIP) и CANopen используют CAN, Modbus RTU и PROFIBUS DP — RS-485 (DP-V0/DP-V1 обычно реализуют на MCU, DP-V2 — на FPGA или ASIC). На уровне физики всё достаточно структурировано, но выше по стеку OSI начинается настоящий “зоопарк” протоколов и реализаций. Этому и последующим блокам будет посвящены отдельные статьи. 

Блок работы с энкодерами — это такой же “зоопарк” разнообразных интерфейсов и протоколов прикладного уровня, обеспечивающих получение точной информации о положении. В промышленности встречаются EnDat-2/3, Hiperface DSL, резольверы, Sin/Cos, инкрементальные A/B/Z, SSI, BiSS-C/Line, а также проприетарные форматы Mitsubishi, Sanyo Denki, Yaskawa, Tamagawa и др. Дополнительно применяются сетевые варианты — CANopen (CiA 406), IO-Link и прочие. 

Блок HMI (LCD/Кнопки/LED) — это узел, обеспечивающий локальную конфигурацию и отображение состояния/диагностики электропривода, установленного в шкафу управления или непосредственно на объекте. Написание софта для HMI это прикладная часть embedded-системы. Для MCU-платформ обычно используют графические библиотеки уровня lvgl, emWin, uGFX, TouchGFX. Для MPU-решений, особенно под embedded Linux, наиболее распространен подход на основе Qt. Аппаратные интерфейсы подключения дисплеев включают SPI, MIPI DSI, I²C и другие — выбор зависит от требуемого разрешения и пропускной способности. Работа ведётся с framebuffer-устройством и выводом ключевых параметров конфигурации и текущих рабочих статусов электропривода.

Блок safety - необходим для выполнения требований IEC 61880-5-2, реализация отличается от производителя к производителю, может быть отдельной платой (PCB), может быть в составе либо платы управления, либо в составе силового модуля. Пример реализации STO (safe torque off) от TI (SIL 3 и PLe/Cat.3). Более подробно в разделе 4. 

Блок ADC — это узел измерения токов и напряжений, обеспечивающий оцифровку сигналов для контуров управления электроприводом. Чаще всего он интегрирован в состав самого привода, но при необходимости может выполняться как внешний модуль. Блок содержит аналоговые фронтенды, фильтры, схемы защиты и высокоточные АЦП, формируя достоверные данные для FOC-алгоритмов и диагностических функций.

Блок I/O подсистемы — это модуль привода для работы с внешними аналоговыми и дискретными сигналами. Он включает AI/AO (±10 V, 0–10 V) для задания скорости/момента и телеметрии, а также DI/DO для команд управления и сигнализации. Модуль обеспечивает гальваническую изоляцию, базовую защиту входов и фильтрацию аналоговых каналов. В ряде случаев поддерживает высокоскоростные дискретные входы/выходы. 

Блок контроллера — это вычислительный модуль, выполняющий основные алгоритмы управления электродвигателем. Помимо базовых функций регулирования тока, скорости и положения, он может включать встроенные средства логики или PLC (ПЛК)-функционал для выполнения пользовательской автоматизации. Поддержка WEB интерфейса/FS/обновление ПО/security (IEC 62443, CRA)/софт для HMI и т.п.

Чтобы лучше понять, как на практике создаются электроприводы и на каком аппаратном обеспечении они реализуются, обратимся к открытым источникам (таблица 3.1 и рисунки 3.3-3.4). 

Таблица 3.1 Примеры решений с информацией в открытом доступе, которые используют игроки рынка электроприводов.

В области ПЧ сегодня доминируют решения на базе MCU, тогда как в сервоприводах и сервоусилителях чаще применяются SoC-платформы (FPGA совместно с процессорным ядром) либо комбинации FPGA для контура управления электродвигателем и MPU для задач верхнего уровня — веб-интерфейса, обновления ПО, промышленных сетей и т.п. Ключевым этапом на старте проекта является определение требуемой производительности ПЧ или сервоусилителя (рисунок 3.5) и перечня алгоритмов управления ЭД, которые предстоит реализовать.

Для быстрого старта работы с ЭД, чип вендоры предлагают свои библиотеки для управления ЭД, далее в таблице 3.2 рассмотрены основные чип вендоры и сделан сравнительный анализ библиотек для управления ЭД.

Таблица 3.2 Примеры чип вендоров обладающие библиотеками управления ЭД. 

У большинства производителей микроконтроллеров есть поддержка BLDC и PMSM, а вот с ACIM, SRM (switched reluctance motor/вентильный реактивный двигатель/ВРД)  ситуация сложнее — такую поддержку предлагают далеко не все чип вендоры и далеко не для каждого safety чипа. Кроме того, важно уточнять, для каких конкретно микроконтроллеров и/или DSP реализована работа с ACIM. Производители микроконтроллеров поставляют sensorless FOC-библиотеки для электроприводов в виде статической .a библиотеки и набора заголовочных файлов .h.

Основное ограничение микроконтроллеров — невозможность эффективно реализовать сложные инверторные топологии, например многоуровневые инверторы или косвенный матричный преобразователь (Indirect Matrix Converter). Для сервоприводов цикл управления слишком короткий, и производительность микроконтроллера не позволяет приблизиться к уровню FPGA (для примера, у Kollmorgen: токовый контур — 1,28 мкс, скоростной — 62,5 мкс, позиционный — 250 мкс). Дополнительно возникают сложности с поддержкой абсолютных энкодеров: SSI, BiSS, EnDat 3, Hiperface DSL и т.д.

Основное преимущество микроконтроллера (MCU) и/или DSP в задачах управления электродвигателями — оптимальный баланс между вычислительной мощностью, стоимостью, простотой разработки и наличием специализированных периферий и библиотек для управления электродвигателями.

Если вы разрабатываете систему со сложной топологией силовой части (рисунок 3.6) — будь то многоуровневый инвертор с AFE/PFC, продвинутый DC/DC-конвертер, или нужна высокая динамика как в сервоприводах и высококлассных ПЧ — имеет смысл выбирать платформы на базе SoC/MPSoC, где сочетаются FPGA и процессорные или микроконтроллерные ядра. Такие решения обеспечивают необходимую вычислительную производительность, гибкость алгоритмов и поддержку промышленных сетей (EtherCAT, PROFINET, CC-Link, EtherNet/IP). Также обращайте внимание на возможность реализации поддержки абсолютных энкодеров (SSI, BiSS, EnDat, Hiperface DSL и др. - у большинства в описании будет упоминаться только FPGA) и наличие сертификации по функциональной безопасности (SIL 3/4, ASIL C/D) у производителя. Подобная архитектура позволит надолго сохранить запас по производительности и адаптироваться к обновлениям в таких протоколах, как EnDat, PROFINET и т.п.

Если в проекте используется относительно простая топология силовой электроники, например двухуровневый инвертор, и при этом требуется поддержка SIL 3/ASIL D и промышленных сетей (EtherCAT, PROFINET, CC-Link, EtherNet/IP) из коробки, то наиболее практичный выбор — решения Texas Instruments. В большинстве случаев, когда в системе нет FPGA или SoC/MPSoC, разработчики останавливаются именно на TI (линейки TMS320/TMS570, AM243x/AM64x и др.). Это объясняет, почему TI широко применяются не только в VFD и сервоприводах, но и в PLC (программируемый логический контроллер) — благодаря PRU (как альтернатива реалтайма FPGA), поддержке промышленных сетей и гарантированному уровню функциональной безопасности. Главным преимуществом TI является готовая поддержка промышленных сетей в экосистеме. Однако в качестве альтернативы также можно рассмотреть решения от NXP (S32K), Infineon (AURIX) — они обладают развитой экосистемой для управления электродвигателями и обеспечивают требуемый уровень функциональной безопасности, но поддержка промышленных сетей остается за вами.

Дополнения к выводам раздела: платформы Infineon XMC4800 и GD32H75Exx — хороший выбор, если отсутствуют требования по функциональной безопасности (т.к. есть ESC). Решения TI имеют ряд лицензионных ограничений, например по PROFINET: сам TI не предоставляет собственных сетевых стеков — в экосистеме используются решения партнеров, которые, как правило, имеют ограничение по времени работы. При этом EtherCAT у TI функционирует без ограничений. Поэтому, выбирая TI, нужно учитывать необходимость приобретения коммерческих стеков промышленных сетей либо рассматривать opensource-варианты. На текущий момент EtherCAT превосходит PROFINET IRT по производительности, поэтому именно EtherCAT стал стандартом для сервоприводов. Выбор FPGA здесь не случаен — реализацию EtherCAT slave чаще выполняют в FPGA для сервоприводов, а не с использованием отдельных ASIC ESC. Так, например, Beckhoff предлагает IP-ядра EtherCAT Slave Controller (ESC) для Intel (Altera) и AMD (Xilinx) FPGA. Также поддержка ESC появилась и для Lattice и Microchip FPGA. Hilscher выпускает специализированные чипы с выделенными ядрами для поддержки широкого спектра промышленных сетей. Такие протоколы, как EtherCAT, PROFINET, CC-Link и EtherNet/IP, чрезвычайно сложны, и без участия в соответствующих организациях — EtherCAT групп, PI, CLPA, ODVA — или сотрудничества с их партнерами, самостоятельная разработка и тестирование встроенного ПО для них практически невозможны.

Если требуется возможность работы без оглядки на требования к локации, рекомендую присмотреться именно к AMD (Xilinx), т.к для них есть “братья-близнецы” от FUDAN, BMTI, CETC58 и есть автомобильного класса AMD Zynq 7000 XA SoC, пример решения без привязки к локации. 

4. Функциональная безопасность (safety) электропривода.

SIL и ASIL — это уровни функциональной безопасности, определяющие, насколько надёжно система должна предотвращать опасные состояния отказа. SIL (Safety Integrity Level) используется в промышленности (рисунок 4.1) по стандарту IEC 61508, а ASIL (Automotive Safety Integrity Level) — в автомобильной отрасли по ISO 26262. Эти уровни задают требования к архитектуре, диагностике, вероятности отказов, качеству ПО и оборудования. Они нужны для того, чтобы гарантировать, что система (электропривод, PLC, автомобильный ECU) остается безопасной даже при аппаратных ошибках, сбоях ПО или внешних воздействиях, минимизируя риск для людей.

Далеко не все сервоприводы и ПЧ  имеют какой-либо уровень SIL, и тем более не SIL2/SIL3. Типовые ПЧ и сервоприводы обеспечивают только управление ЭД и базовые защитные функции (OCP, OVP, OPP и т.п.). OCP, OVP, UVP, OPP, SCP и OTP — это аббревиатуры различных цепей защиты. Эти аббревиатуры расшифровываются как Overcurrent Protection (OCP) - защита от перегрузки по току, Overvoltage Protection (OVP) - защиту от перенапряжения, Undervoltage Protection (UVP) - защиту от пониженного напряжения, Overpower Protection (OPP) - защиту от перегрузки по мощности, Short-Circuit Protection (SCP) - защиту от короткого замыкания и Over-Temperature Protection (OTP) - защиту от перегрева. SIL в приводах нужен, чтобы гарантировать безопасное отключение энергии и предотвратить опасные движения двигателя даже при сбоях контроллера или ПО. Безопасные функции (STO, SS1, SLS и др.) защищают оператора, обеспечивают контролируемое поведение механики и позволяют машине пройти обязательную сертификацию по IEC 61800-5-2, ISO 13849 и IEC 62061. 

IEC 61508 описывает полный жизненный цикл разработки системы безопасности по V-модели (рисунок 4.2) — от требований и архитектуры до реализации, тестирования, верификации и валидации — и задаёт методологию, по которой должен быть разработан электропривод, чтобы достигать уровней SIL. ISO 13849 не описывает процесс разработки, а оценивает готовую функцию безопасности машины (например STO/SLS) через уровни PL (Performance Level) и категории архитектуры. Поэтому IEC 61508 отвечает на вопрос как разрабатывать привод и его электронику по V-модели, а ISO 13849 — какой уровень производительности должна обеспечивать конечная функция безопасности. В итоге: IEC 61508 — про процесс и SIL для электронных частей, ISO 13849 — про PL для функций машины, и оба стандарта используются вместе в промышленных электроприводах.

Функции безопасности электропривода (которые были упомянуты выше STO, SLS и т.п.) — это встроенные в привод функции контроля безопасной остановки, скорости и позиционирования. Они включают базовые механизмы, такие как безопасное снятие момента (STO - Safe Torque Off), контролируемая остановка с торможением (SS1 - Safe Stop 1 /SS2 - Safe Stop 2), безопасное управление тормозом (SBC - Safe Brake Control/SBT - Safe Brake Test/SDB - Safe Dynamic Brake), а также расширенные функции безопасной скорости и положения: контроль ограниченной скорости (SLS - Safe Limited Speed/SSR - Safe Speed Range/SSM - Safe Speed Monitor), положения (SLP - Safe Limited Position/SLI - Safe Limited Increments/SCA - Safe Cam), направления движения (SDI - Safe Direction) и ускорения (SAR - Safe Acceleration Range/SLA - Safe Limited Acceleration). Эти функции позволяют гибко обеспечивать безопасную работу привода при любых сценариях — от простой аварийной остановки до сложного мониторинга движения — сохраняя или отключая управление движением согласно требованиям. Полное описание в IEC 61800-5-2.

Например SIL-ориентированный проект сервоусилителя включает определение safety-функций привода (например, STO, SS1, SLS), анализ рисков и установление целевого SIL-уровня, формирование архитектуры с дублированием или аппаратным разделением, внедрением диагностики токовых цепей (рисунок 4.3), ШИМ-каскада, датчиков и цепей обратной связи; проведение FMEA/FMEDA с расчётом метрик PFH, SFF и диагностического покрытия; разработку аппаратной части с контролируемой безопасной реакцией, а также ПО с требованиями и тестированием по IEC 61508-3; последующую верификацию, интеграционные тесты и формирование полного safety решения для сертификации (рисунок 4.4) у независимого органа.

Safety — это прежде всего про процесс разработки: если применить принцип Парето, около 20% времени уходит на написание кода, а примерно 80% — на документацию, анализы, верификацию и подтверждение соответствия. Если сравнить трудозатраты, то проект без требований SIL может занимать условно X часов, а при необходимости достижения уровня SIL3 объем работ увеличивается как минимум в четыре раза. Типичные диапазоны увеличения трудозатрат при переходе к разработке по стандартам функциональной безопасности обусловлены ростом объема документации, формальных процедур и требований к независимой верификации. Для систем уровня SIL 1/ASIL A увеличение обычно составляет +30–80%, для SIL2/ASIL B — примерно в 2–3 раза, а для SIL3/ASIL C/D трудозатраты возрастает уже в 3–6 раз за счет строгих требований к архитектуре, анализам и тестированию. На уровне SIL4 рост может достигать восьми и более раз. Такой разброс отражает реальную практику индустрии, где основной вклад дает именно процесс, а не объём кода. Более подробно safety для электроприводов будет рассмотрено отдельно. 

И в самом деле надо было вылезать. В луже становилось все теснее от всяких птиц и зверей, упавших в нее. Там были Робин Гусь, Птица Додо, Попугайчик Лори, Орленок Эд и всякие другие удивительные существа. Алиса поплыла вперед, и все потянулись за ней к берегу.

Глава 2. Море слез

Заключение

А дальше будет ещё интереснее. В следующих частях разберём sensored (датчиковое) и sensorless (бездатчиковое) FOC (векторное управление с ориентацией на поле) для PMSM и ACIM, покажем, чем они отличаются на практике и какие подводные камни встречаются при реализации. Коснемся Field Weakening Control (управление ослаблением поля), MTPA, V/f, DTC и других алгоритмов, которые позволяют электродвигателю работать быстрее, мощнее и эффективнее. Если вы хотите углубиться в реальный управление электродвигателями — не пропустите продолжение.