Цифровые технологии управления движением

Встроенные в МУ миниатюрные интеллектуальные элементы должны быть повышенной стойкости к тепловым, вибрационным, электромагнитным и другим воздействиям. Это возможно за счет высокой концентрации и плотной упаковки схем, уменьшения монтажных соединений и использования твердотельных элементов. Перспективные электронные блоки должны быть многофункциональными с широкими коммуникационными возможностями.

Появились силовые электронные приборы – это силовые полевые транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором, коммутируемые теристоры и интеллектуальные силовые модули. Они отличаются высоким быстродействием (с частотой коммуникации до 100 кГц), высоким значением коммутируемых токов и напряжений – до 2400 А и 3300 В, малыми коммутационными потерями с малой управляемой мощностью.

Используются силовые преобразователи в канале управления движением, защите устройств, аварийных режимах и в диагностике неисправностей. В МС полупроводниковые приборы являются базой для создания новых силовых преобразователей, которые являются промежуточным звеном между компьютерным управлением и исполнительными двигателями.

Новая элементная база ЦСУ[8] для выполнения вычислительных функций стали цифровые сигнальные процессоры. Требования к вычислительным устройствам:

Ø высокая скорость вычислений (умножение, суммирование);

Ø цифровая обработка сигналов в реальном времени;

Ø время выполнения команд должно быть известно точно и заранее.

В МС ЦСУ выполняют следующие специальные функции;

Ø решение прямых и обратных кинематических задач;

Ø координированное управление всеми степенями подвижности манипулятора с расчетом синхронизированных во времени сигналов управления;

Ø реализация алгоритмов адаптивного и интеллектуального управления;

Ø фильтрация сигналов о положении, скорости и ускорении поступающих от датчиков обратной связи;

Ø объем данными с компьютером верхнего уровня управления.

Микропроцессоры также как компьютера Pentium компании Intel представляют собой ЦПУ[9], выполненное на одном кристалле, и требуют дополнительной микросхемы для реализации всех вычислительных функций. Эти микропроцессоры плохо приспособлены в выполнению цифровой обработки сигналов. Цифровые сигнальные процессоры (DSP-процессоры) оптимизированы для реализации операций: умножение матриц и манипуляций с графическими изображениями. Эти операции DSP-процессоры производят обработку цифровых сигналов в реальном масштабе времени, выполнение арифметических операций и накапливают результаты за один машинный цикл.

DSP-процессоры выполняют следующие основные операции:

Ø фильтрацию входного аналогового сигнала;

Ø аналогово-цифровое преобразование;

Ø цифровую обработку сигналов по заданному алгоритму в реальном масштабе времени (производительность до операций в секунду;

Ø цифроаналоговое преобразование.

В состав DSP входят ЦПУ, ОЗУ, ПЗУ, последовательно-параллельные интерфейсы, схема обработки прерываний. Гибкая архитектура DSP позволяет достигнуть очень высокую степень параллельной работы. За один цикл DSP семейства ADSP-21 может выполнять следующие операции:

Ø генерация адреса и выбор команды программы;

Ø выполнение двух перемещений данных;

Ø обновление двух указателей адреса;

Ø выполнение вычислительных операций;

Ø передача или прием данных от двух последовательных портов;

Ø обновление регистра таймера.

В современном DSP более 2 Мбит внутренней памяти размещено на 1 см², платы, толщина которой 1,35 мм, потребляемая мощность ~100 мвт.

Программируемые вычислительные матрицы FPGA

Они представляют собой интегральные микросхемы с логическими ячейками программируемых переключателей. Каждая логическая схема состоит из:

Ø блока ввода-вывода соединяющего внутреннюю логику кристалла с выводами корпуса микросхемы;

Ø конфигурируемых логических блоков, реализующих логические и регистровые функции;

Ø блочной памяти;

Ø модулей управления синхронизацией;

Ø трассировочных ресурсов, соединяющих все элементы.

Программирование FPGA осуществляет пользователь. Для этого применяется специальное программное обеспечение, включающее в себя модули текстового и схемного ввода, моделирования, автоматической трассировки, создания и загрузки конфигурационных данных, специальные библиотеки макросов. Разработчик может многократно загружать проект в микросхему и тестировать ее на реальном изделии.

Если разработка идет в большую серию, то используется более эффективная технология микросхем «одиночного» решения ASIC, где жестко завязана программа и их нельзя перепрограммировать как FPGA. Достоинством микросхем ASIC является их надежность, дешевизна, невозможность копирования, малая потребляемая мощность.

Лекция 6.