מאת: ראלף ברגמן, Xilinx. אלגוריתמי בקרה הולכים ומתפתחים, ובמקביל מתפתחות גם הפלטפורמות עליהן הם מופעלים.
על-פי הערכות, צורכים המנועים החשמליים יותר מ-50% מכלל החשמל המופק כיום. זהו אמנם נתון מדהים, אך לא ממש קשה להאמין לו כשרואים את השגשוג של המנועים החשמליים בעולמנו המודרני. בנוסף, לא מפתיע לגלות שמופעל לחץ בכל הרמות לשיפור היעילות שבה נוטלים המנועים החשמליים עבודה פיסית. בקרב יצרניות המוליכים למחצה מהווה התחום של בקרה תעשייתית הזדמנות שניתן לנצלה באמצעות מגוון הולך וגדל של פתרונות בקרה. זאת ועוד, המנועים אינם ייחודיים ביישומים התעשייתיים – גם בתחום ההתקנים המסחריים והביתיים אנו רואים מספר הולך וגדל של מנועים חשמליים, דבר המוביל לעלייה בביקוש לפתרונות בקרה יעילים יותר ויותר.
אל מול מספרם ההולך וגדל של היישומים עבור מנועים קיימת עלייה מקבילה של המגוון הרחב של המנועים החשמליים הזמינים, וכתוצאה מכך גם של רמת מורכבותם של פתרונות הבקרה. כאשר מדובר במנועים “פשוטים”, ניתן לממש בקרה באמצעות מיקרו-בקרים זולים של 8 ביט, אבל אנו עדים כיום לעלייה בביקוש לאלגוריתמי בקרה מתוחכמים גם בתחום היישומים הבסיסיים יותר, מתוך שאיפה להפיק את מירב היעילות אפילו מהמנועים הזולים ביותר.
שגשוגם של המיקרו-בקרים תרם לקידום הגישה של “תוכנה בלבד” כלפי בקרת מנועים. גישה שבה קיים שילוב מלא של התקנים היקפיים רב-תכליתיים כדוגמת ממירי אנלוג לדיגיטל (ADCs) ומאפנני רוחב פולס (PWMs), מה שמאפשר לממש פתרון בקרה ב”לולאה סגורה” בהתקן יחיד. עם זאת, יישום זה, שמטבעו הוא כזה העובד “בזמן אמת”, מציב דרישות מופרזות מהביצועים המוגבלים של מיקרו-בקרים בסיסיים, במיוחד עם העלייה במורכבותו של אלגוריתם הבקרה. אחד הפתרונות לכך הוא להעביר חלק מהעומס של כמה מתפקודי המחשוב הכבדים לחומרה ייעודית, בצורה של FPGA. היתרון של פתרון זה טמון בכך שהוא מאפשר פיתוח של אלגוריתמי בקרת המנוע מבלי להצריך שינויים בחומרה הבסיסית. בנוסף, הוא תומך בביצוע דטרמיניסטי גם כאשר המורכבות של האלגוריתם גדלה. כאשר המיקרו-בקר מיושם כליבת עיבוד “רכה” בתוך ה-FPGA, ניתן לשמור גם על גישה של שבב יחיד (איור 1).
הרעיון של גישת ה”תוכנה בלבד” בבקרה הולך ומתפתח, במיוחד ביישומים המשתמשים במנועי DC “נטולי מברשות” (BLDCs) ובמנועים סינכרוניים עם מגנט קבוע (PMSMs). אחת הטכניקות שהפופולריות שלהן הולכת וגדלה, תודות ליתרונות היעילות שלה, היא ה-Field Oriented Control, או FOC. זוהי גישה אלגוריתמית טהורה לבקרת מנועים וככזו יש לה דרישות עיבוד גבוהות במיוחד. עם זאת, אלה מתאזנות אל מול החיסכון האפשרי באנרגיה שהיא מסוגלת להניב לאורך מחזור חייו של המנוע.
שיטת FOC, הקרויה גם “בקרה וקטורית”, היא הרחבה של שיטת הבקרה PID (נגזרת פרופורציונלית-אינטגרלית), שבה השדה המגנטי שמחולל הסטטור משתנה כדי לשלוט במהירות, בשטף המגנטי ובמומנט של המנוע. כיוון שמדובר בגישת בקרה עתירת מחשוב, היא נמצאת מעבר ליכולות של רוב המיקרו-בקרים הרב-תכליתיים הזולים, מה שמוביל לעלייה במגוון המיקרו-בקרים הספציפיים ליישום שמוציאות יותר ויותר יצרניות. לעתים קרובות משתמשים ההתקנים הללו בבלוקי חומרה ייעודיים כדי להשיג את רמת הביצועים הנדרשת. הבעיה עם גישה זו היא שרף הביצועים נקבע, בפועל, על-ידי החומרה, מה שמציב מגבלה על האפשרות לשיפורים עתידיים. לעומת זאת, האימוץ של גישת ה-FPGA יאפשר לא רק להכיל את בלוקי האצת החומרה הייעודיים אלא גם להגדילם ולשפרם באיטרציות עתידיות (איור 2).
איור 1: זיילינקס מציעה מגוון של IP ייעודיים עבור יישומי בקרת מנוע
איור 2: FPGA מספק פתרון חד-שבבי גם עבור יישומי בקרת המנוע המורכבים ביותר
ריבוי בקרות
מגמה נוספת בתחום בקרת המנועים היא מיזוג: השימוש בהתקן אחד לצורך בקרה של כמה מנועים, ולעתים קרובות כמה מנועים בעלי טופולוגיות שונות. כשמדובר במיקרו-בקרים רב-תכליתיים תוביל מגמה זו לדרישות גבוהות מדי מביצועי התוכנה, אך כאשר מדובר ב-FPGA, הדבר היחיד שמגביל אותו הם משאבי החומרה. לדוגמה, באמצעות השימוש בבלוקי האנלוג-לדיגיטל החדשים של זיילינקס, ההתקנים מסדרה Xilinx Series 7 FPGA, ניתן ליצור תת-מערכת אוטונומית לגמרי של בקרת מנוע ב-FPGA במחיר נמוך.
בנוסף לשאיפה לשלוט בכמה וכמה מנועים מסוגים שונים, היצרניות מעוניינות להוסיף חיבוריות רשת לפתרונות הבקרה שלהן. בשל הצורך הקיים לתמוך בכך, ליכדה זיילינקס כוחות עם חברת QDesys במטרה לפתח פתרון אבני בניין IP מתוחכם עבור בקרת מנועים התומכת בסכמות אפנון מתקדמות, ובבקר FOC עם חיישנים או בלעדיהם. הפתרון מציע שני ממשקי 10/100/1000 real-time Ethernet התומכים בפרוטוקולי EtherCAT, ProfiNet, Powerlink, SERCOSII ובכמה פרוטוקולים ותיקים יותר. בנוסף הוא מספק הרכשת נתוני סיגמא-דלתא אנלוגית מרובת ערוצים לצורך מדידת זרמי הסטטור ומתחי האפיק של המנוע, עם מחסום בידוד בין רכיבי ההספק לרכיבי הבקרה. שני גשרי הספק תומכים בתצורות מעורבות של מנועי מגנט קבוע (PSMS, BLDC, מנועי צעד).
השימוש באלגוריתמי בקרת מנוע מתוחכמים יותר יכול לסייע להקטנת עלות הבעלות הכוללת עבור מגוון יישומי מנוע מסחריים ותעשייתיים. בנוסף, הוא יכול להוביל לחיסכון באנרגיה, אשר מתרגם לצמצום פליטות הפחמן הדו-חמצני. התכנון החדשני והגמישות של ה-FPGAs החדשים יאפשרו ליצרניות להשיג זאת בדרך כדאית מבחינה כלכלית.
