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高速RCP技术

传统RCP系统的挑战



传统基于实时操作系统的CPU核运行控制算法,因为CPU性能强大,拥有强大的计算能力, 但同时会因为实时操作系统的指令响应、系统的基础负荷、系统长时间运行的抖动、CPU与FPGA之间总线交互的延迟等问题,导致基于实时操作系统的CPU一般难以运行20K以上的控制代码,因此,其适用于计算负担重、闭环速度要求不高的场合。


随着电力电子开关频率的不断提高,一些基于瞬时值控制等场合,提出了更高的控制速率(>20kHz)要求,传统基于实时操作系统的RCP因为以上原因,很难应用于高速控制应用。

 

高速RCP架构与原理



全新的高速RCP基于ZYNQ SOC 架构如下图所示(CPU和FPGA同一个芯片),利用SOC架构可实现FPGA和CPU之间短至1-2us的传输时间,双核CPU1个CPU核负责通信等1个CPU核专注控制算法运行,同时专注控制算法运行的CPU核采用Bare-metal(裸核)的技术替代实时操作系统的技术,充分利用Bare-metal的无OS Overhead、高确定性的优势,来实现高达50K的控制算法运行。


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高速RCP技术优势



1.  基于ZYNQ SOC 架构,实现超低延时

2.  采用Bare-metal技术,实现高实时性和高确定性


新一代高速RCP架构 VS 传统RCP架构


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RCP架构 低延时测试


控制程序按20us( 50kHz)周期实时运行:


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注:控制程序代码中包含如下程序:

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可以观察得到:

·  控制系统严格按20us周期运行,AI-CPU-DO整个过程用时大约为14.9us,系统有5.1us空余时间片;

·  CPU耗时9us,包含算法运行时间、双核的交互、算法的IO映射等;

·  FPGA->CPU, CPU->FPGA,上传下行和信号更新等基础负担大概用时5.9us。


基于Bare-Metal的高速RCP VS 基于实时OS 的RCP


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高速RCP应用实例



50kHz  有源滤波控制


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•  左图里蓝色设备为MT 1050 RCP控制器,它以20us步长运行APF控制程序

•  左图中的示波器图片可以看到使能滤波后(紫色为使能信号),梯形的电网电流经过补偿变为了正弦波

•  右图是此系统运行时示波器图片,上面曲线为电网电流一个周期,下面曲线为50kHz的PWM波

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