3. O PROJETO DE HARDWARE

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1 3. O PROJETO DE HARDWARE Arquitetura Básica de um Sistema de Controle Analógico em Conversores Estáticos: Conversor Estático Transdutores Drivers Circuito de Controle Analógico Adaptado de DISPOSITIVOS PARA O CONTROLE DIGITAL DE CONVERSORES ESTÁTICOS_Prof. Samir H. Mussa e Márcio Ortmann

2 3. O PROJETO DE HARDWARE Arquitetura Básica de um Sistema de Controle Digital em Conversores Estáticos: Conversor Estático Transdutores Drivers Interface Analógica Interface Discreta Digital Dispositivo Controlador Digital Adaptado de DISPOSITIVOS PARA O CONTROLE DIGITAL DE CONVERSORES ESTÁTICOS_Prof. Samir H. Mussa e Márcio Ortmann

3 CONTROLE ANALÓGICO & CONTROLE DIGITAL: Controle Analógico Os sinais envolvidos no processo variam continuamente no tempo; Boa resposta dinâmica; Baixo custo: Compensadores empregam elementos simples, como Ampops, resistores e capacitores; Sensibilidade às variações paramétricas dos componentes empregados (em cascata); Susceptibilidade a ruídos e interferências eletromagnéticas; Pouca verstilidade, onde técnicas de controle mais complexas são impraticáveis ou implicam em circuitos demasiadamente grandes; Controle Digital Os sinais envolvidos no processo são processados em tempo discreto, através de DSCs, MCUs, FPGAs,...; O problema da sensibilidade às variações paramétricas dos componentes empregados, susceptibilidade a ruídos e interferências eletromagnéticas é consideravelmente minimizado, pois poucos elementos analógicos são empregados Grande versatilidade para implementação e ajuste das leis de controle; O ajuste dos parâmetros é feito diretamente por software; Possibilidade de implementação de estratégias de controle complexas; Facilidade para implementação e integração com funções extras: Interface homem máquina (teclados, display,...), Controle supervisório, energização e proteção da estrutura; Limitação da resposta dinâmica: Processo de amostragem e reconstrução do sinal, atrasos de processamento; Custo elevado, quando comparado às soluções puramente analógicas;

4 CONTROLE ANALÓGICO & CONTROLE DIGITAL: CONTROLE ANALÓGICO CONTROLE DIGITAL R f C e(t) R i - + u(t) e(t) T s e(kt s ) u( kt ) u ( k 1) T a e( kt ) s s 1 s a e ( k 1) T 0 s u(kt s ) s 1 K i z Pi() s K p K s s Rf K Ri 1 z Rf C K ( m) a z 0 m K z a1 m 2 T s ( m) m Adaptado de DISPOSITIVOS PARA O CONTROLE DIGITAL DE CONVERSORES ESTÁTICOS_Prof. Samir H. Mussa e Márcio Ortmann

5 Adaptado de DISPOSITIVOS PARA O CONTROLE DIGITAL DE CONVERSORES ESTÁTICOS_Prof. Samir H. Mussa e Márcio Ortmann Dispositivo Controlador Digital Diversas soluções disponíveis: Microcontrolador ( c); DSC (Digital Signal Controller); DSP (Digital Signal Processor); FPGA (Field Programmable Gate Array); Principais Elementos: Processador: Processamento numérico do algoritmo de controle; Velocidade de processamento; Arquitetura; Conversor Estático Drivers Interface Digital Transdutores Interface Analógica Dispositivo Controlador Digital Periféricos (on-chip ou off-chip): Flexibilização da aplicação; Diminuição do esforço do processador (overhead); Integração com o processador, compartilhamento do barramento de memória (on-chip); Redução do Layout e custos e aumento da confiabilidade (on-chip). Conversor A/D; Conversor D/A; Portas de comunicação paralela, serial (SPI, SCI, I2C, etc); Interface para memória externa; Modulador PWM (senoidal, space vector);

6 Adaptado de DISPOSITIVOS PARA O CONTROLE DIGITAL DE CONVERSORES ESTÁTICOS_Prof. Samir H. Mussa e Márcio Ortmann Interface Analógica Adequação/condicionamento dos níveis elétricos provindo dos sensores: Inserção de tensão de offset; Isolação elétrica; Circuitos de proteção analógicos Limitação da banda passante: Prevenção do efeito de aliasing (Teorema de Shannon); Redução dos ruídos de medição; Proteção das entradas analógicas do conversor A/D (circ. grampeador); Conversor Estático Drivers Interface Digital Transdutores Interface Analógica Dispositivo Controlador Digital Sensor de Corrente (efeito hall) 2,5V + k1*ip Interface Analógica C6 8.2n 1,5V + k2*ip R34 1.5k R38 1k IcC R R33 10k LF347 + U3B 7 R35 1k R37 1k BIAS LF347 U3C - + R TL7726 U7 1 AD6 Sensor de Tensão (efeito hall) k1*vp C6 8.2n Max = 3,0V Min = 0,0 V 1,5V + k2*vp Conversor A/D 10 bits Entrada 0~3V R34 1.5k R38 1k IcC R R33 10k LF347 U3B 7 R35 1k R37 1k BIAS LF347 U3C 8 R TL7726 U7 1 AD6

7 Adaptado de DISPOSITIVOS PARA O CONTROLE DIGITAL DE CONVERSORES ESTÁTICOS_Prof. Samir H. Mussa e Márcio Ortmann Interface Discreta Conversor Estático Transdutores Adequação dos níveis elétricos dos sinais de saída do dispositivo controlador (3,3V ou 5V): Sinais PWM; Comando de contactores (proteção); Displays e LEDs de sinalização; Adequação dos níveis elétricos dos sinais de entrada: Sinais de erro dos drivers; Teclado de interface com usuário; Isolação elétrica. Drivers Interface Digital Interface Analógica Dispositivo Controlador Digital Dispositivo Controlador Interface Interface Digital Discreta

8 Adaptado de DISPOSITIVOS PARA O CONTROLE DIGITAL DE CONVERSORES ESTÁTICOS_Prof. Samir H. Mussa e Márcio Ortmann EXEMPLO DE SISTEMA EMBARCADO: Rede Elétrica S 1 S 3 S 5 L Fa R Fa Produtos comerciais de inversor p/ PV: L Fb R Fb C F V F L Fc R Fc S 2 S 4 S 6 Drivers Interface Analógica Interface Discreta Digital CONTROLADOR DIGITAL DSP,DSC,MCU, FPGA, µc, etc... Transformada de Clarke Transformada de Park Estratégia de Controle Modulação Space Vector Filtros FIR PLL DFT Filtros IIR Controladores Digitais

9 EXEMPLO DE SISTEMA EMBARCADO:

10 Adaptado de DISPOSITIVOS PARA O CONTROLE DIGITAL DE CONVERSORES ESTÁTICOS_Prof. Samir H. Mussa e Márcio Ortmann PANORAMA DOS DISPOSITIVOS DE CONTROLE DIGITAL DO MERCADO I) Conceitos básicos dos processadores digitais (revisão); II) Principais famílias de dispositivos empregados atualmente para o controle digital de conversores estáticos; III) Principais fabricantes IV) Principais periféricos empregados em Eletrônica de Potência

11 Adaptado de DISPOSITIVOS PARA O CONTROLE DIGITAL DE CONVERSORES ESTÁTICOS_Prof. Samir H. Mussa e Márcio Ortmann Principais famílias de dispositivos empregados no controle digital de conversores: Microcontroladores; Controladores Digitais de Sinais (DSCs); Dispositivos Lógicos Programáveis (FPGAs).

12 Adaptado de DISPOSITIVOS PARA O CONTROLE DIGITAL DE CONVERSORES ESTÁTICOS_Prof. Samir H. Mussa e Márcio Ortmann CONCEITOS BÁSICOS DE MICROCONTROLADORES (µc ou MCU) Os microcontroladores são, basicamente, microcomputadores em um único chip. Características: Baixo custo; Baixo consumo de energia; Diversas opções de recursos, desempenho e custo; Arquiteturas Von Neumann e Harvard; Diversos fabricantes; Microchip; Texas Instruments; Atmel; ST; Freescale;

13 Adaptado de DISPOSITIVOS PARA O CONTROLE DIGITAL DE CONVERSORES ESTÁTICOS_Prof. Samir H. Mussa e Márcio Ortmann CONCEITOS BÁSICOS DE MICROCONTROLADORES (µc ou MCU) Um Microcontrolador é constituído basicamente de: CPU; Memória; Periféricos: o Pinos de entrada/saída digitais; o Conversores A/D; o Conversores D/A; o Temporizadores e contadores; o Interfaces de comunicação: Interface de comunicação serial SCI (UART); Interface periférica serial (SPI); Barramento inter integrado de circuitos (I2C); Barramento serial universal (USB); Rede de controle de área (CAN); Etc. o Etc Code - Memory Memory Bus Data - Memory Clock Microprocessor Timer/Counter Peripheral Bus Digital In Digital In Analogue In Analogue Out

14 CONCEITOS BÁSICOS DE PROCESSADORES DIGITAIS DE SINAIS (DSC) Microprocessador com características otimizadas para o processamento digital de sinais Características: Unidade multiplicadora em hardware; Unidade de deslocamento lógico em hardware; o Multiplicação ou divisão por 2; DSP Ponto Flutuante Barramentos adicionais para acesso paralelo; Formato numérico: o Ponto Fixo: Dificuldade na programação Baixo custo; o Ponto Flutuante Ponto Fixo 16 bits 24 bits 32 bits Maior precisão (em geral), facilidade de programação; Custo mais elevado IEEE bits Outros

15 CONCEITOS BÁSICOS DE PROCESSADORES DIGITAIS DE SINAIS (DSC) Que tarefas são comuns em algoritmos de processamento digital de sinais??? MACs -> Multiplicações e acumulações Ex1: Filtros FIR; M y( n) a x( n k) k 0 k Ex2: Filtros IIR; M N k k k 0 k 1 y( n) a x( n k) b y( n k) X(n) b0 Σ y(n) Z -1 Z -1 b1 -a1 Z -1 Z -1 b2 -a2

16 CONCEITOS BÁSICOS DE PROCESSADORES DIGITAIS DE SINAIS (DSC) Índices de Performance de DSCs: MMACS Milhões de multiplicações a acumulações por segundo; MIPS Milhões de instruções por segundo; MOPS Milhões de operações por segundo; MFLOPS Milhões de operações em ponto flutuante por segundo Estes índices dão pouca informação sobre a atual velocidade do processador. Não refletem aspectos importantes como tempo de execução, uso de memória e consumo de energia. Dessa forma mostramse pouco relevantes para comparar dispositivos diferentes. É importante ressaltar também que a performance do processador não é o único aspecto para a escolha do dispositivo. Fatores como tamanho físico, ferramentas de projeto, etc, devem sempre ser consideradas. Ex1: DSP Texas TMS320C67x = até 1500 MFLOPS = 1,5 GFLOPS Ex2: DSC Texas TMS320F28335 = até 150 MMACS

17 Medição de Performance de DSPs - Benchmarking: Execução de testes adequados para verificação da performance do processador FFT; Filtros IIR; FIR adaptativo LMS; FIR real;

18 Controladores Digitais de Sinal (DSCs): Basicamente um Processador Digital de Sinal ( DSP) com funções periféricas on chip específicas para o controle digital de conversores; Características de interesse normalmente encontradas: Processadores: 16, 24 ou 32 bit com unidade multiplicadora em hardware; Aritmética em ponto-fixo ou ponto flutuante; Conversor Analógico Digital de múltiplos canais; Temporizadores e módulos específicos para modulação PWM; Fabricantes: Texas Instruments, família C2000; Analog Devices, família ADSP-21XX ; Microchip; Renesas, famílias M16C e Super H (32bits); Freescale, ex: família 56F80x

19 Texas Instruments Processadores :

20 Performance Device Production Sampling Development F2810 C2810 F2811 C2811 R2811 F2812 C2812 R2812 Higher Performance C281x 150 MIPS Flash/ROM/RAM KB Future Lower Cost F2801 C2801 F2802 C2802 F2806 F2808 F2809 New Features C280x 100 MIPS Flash/ROM KB LF2407A LF2406A LF2403A LF2402A LC2406A LF2401A LC2404A LC2403A LC2402A LC2401A C240x 40 MIPS Flash/ROM KB Integration F = Flash C = Custom ROM R = RAM only

21 ezdsp Kits LF2407A, LF2401A, F2812, and F2808 ezdsp board Compiler/Asm/Linker Code Composer Studio (only works with ezdsp) Power Supply USB or Serial Price: $345 - $595 Power Modules DMC550 or DMC1500 from Spectrum Digital Interfaces to EVM, ezdsp or standalone operation Protection features provide convenient s/w development platform DMC1500: 350V 7.5A (1&3 ph; BLDC, ACI, SR) $1749 DMC500: 24V 2.5A (BLDC) $499 Bundles F28xx ezdsp or LF2407 EVM USB or PP+ Emulator Unrestricted version of Code Composer Studio Bundles: $ $2295 Emulators: $1500-$1995 (if purchased separately)

22 Texas Instruments Família C2000 DSCs: TMS320C28X Arquitetura Harvard; Controladores de 32-bit ponto fixo e ponto flutuante; Multiplicação 32x32-bit; Até 150MHz e 300MFLOPS; Compilador linguagem C de alta performance; Diversos periféricos; F283x Ponto Flutuante; F282x Ponto Fixo; F281x Ponto Fixo de alta velocidade; F280x Ponto Fixo de uso geral (incluindo Piccolo) TMS320C24X Arquitetura Harvard; Controladores de 16-bit ponto fixo; Até 40MIPS Diversos periféricos.

23 Texas Instruments Família C2000 (C28x) DSCs:

24 Texas Instruments Code Composer Studio IDE:

25 Texas Instruments Família MSP MCUs: Arquitetura: Von Neumann; 16-bit RISC Baixo Consumo de energia 0.1uA RAM Retenção Diversos periféricos:

26 Microchip MCUs e DSCs: PIC 8-bit: Arquitetura RISC,Harvard modificada; 12,14 e 16 bit de instruções; Pipeline de dois estágios; Diversos periféricos; PIC 16-bit: Duas famílias de MCUs: Alto custo benefício: PIC24F (16 MIPS); Alta performance: PIC24H (40 MIPS); Duas famílias de DSCs: Versatilidade: DsPIC30F (30 MIPS); Alto performance: DsPIC33F (40MIPS) Arquitetura RISC, Harvard modificada; Capacidade para processamento digital de sinais; Diversos periféricos PIC 32-bit: Arquitetura RISC; 80MHz; Multiplicação um único ciclo e divisão em hardware de alta performance; Diversos periféricos

27 Microchip MCUs e DSCs:

28 FPGAs: Kit educacional da Altera que possui um FPGA Cyclone II EP2C35F672C6 e diversos periféricos, dentre eles: CODEC de áudio de 24 bits; Pinos de expansão, chaves e leds; Portas USB, PS/2, Ethernet; Display LCD e de 7 segmentos.

29 A Família de FPGA Cyclone II: Suporte DSP; Pode ser usado sozinho ou como co-processador DSP; Inclui: Até 150 multiplicadores 18x18 (ou 300 multiplicadores 9x9), com operação com ou sem sinal; Até 1,1 Mbit de memória on-chip interna, que podem ser configurados para operar como RAM, ROM e FIFO; Interfaces de alta velocidade para memórias externas; Na sua versão mais compacta possui LEs, bits de memória e 13 multiplicadores, e na versão mais avançada LEs, bits de memória e 150 multiplicadores; Consumo de energia baixo (menos de ½W para 200 MHz);

30 FPGAs:

31 Seleção do Dispositivo de Controle As informações relevantes de operação do Sistema Embarcado devem ser determinadas a fim de estabelecer as características básicas do dispositivo controlador. EX.: Em um projeto de operação de conversores chaveados, as principais características de interesse ao dimensionamento do controlador a ser utilizado são: Número de interruptores a serem comandados nro PWMs Tipo de modulação a ser empregada no comando dos interruptores flexibilidade dos PWMs Frequência de operação do conversor freq. dos PWMs e veloc. de processamento Principais sinais a serem monitorados/controlados nro DIOs e AIOs Pré-análise dos algoritmos a serem utilizados no controle veloc. de processamento

32 Seleção do Dispositivo de Controle As informações relevantes de operação do Sistema Embarcado devem ser determinadas a fim de estabelecer as características básicas do dispositivo controlador. EX.: Em um projeto de operação de conversores chaveados, as principais características de interesse ao dimensionamento do controlador a ser utilizado são: Número de interruptores a serem comandados nro PWMs Tipo de modulação a ser empregada no comando dos interruptores flexibilidade dos PWMs Frequência de operação do conversor freq. dos PWMs e veloc. de processamento Principais sinais a serem monitorados/controlados nro DIOs e AIOs Pré-análise dos algoritmos a serem utilizados no controle veloc. de processamento

33 Seleção do Dispositivo de Controle Realizar um estudo prévio das características básicas dos controladores candidatos: Resolução do Modulador PWM: influencia no controle; * cai com o aumento da frequência Resolução, número de canais e tempo de conversão do A/D: limitantes do controle Tempo de execução das instruções: limitante da banda e da complexidade de controle Capacidade de memória do DSP: limitante das funcionalidades do SE Arquitetura básica do DSP: influencia na complexidade do algoritmo e velocidade process. Ferramentas de hardware e software disponíveis no mercado: time to market

34 Seleção do Dispositivo de Controle Realizar um estudo prévio das características básicas dos controladores candidatos: Resolução do Modulador PWM: influencia no controle; * cai com o aumento da frequência Resolução, número de canais e tempo de conversão do A/D: limitantes do controle Tempo de execução das instruções: limitante da banda e da complexidade de controle Capacidade de memória do DSP: limitante das funcionalidades do SE Arquitetura básica do DSP: influencia na complexidade do algoritmo e velocidade process. Ferramentas de hardware e software disponíveis no mercado: time to market