NI CompactRIO 범용 인버터 컨트롤러(GPIC)로 시간과 리소스 절약

내용

개요

트랜지스터 기술의 성능 가속화와 가격 개선 및 결합된 전력 스위칭 장치 효율의 지속적인 제고는 전통적 및 신재생 에너지 소스에 대한 에너지 효율적인 전력 변환 시스템의 급속한 증가를 불러왔습니다. 이러한 효율 요건의 증가로 인해 전력 시스템 설계자들은 전통적인 설계와 분석 툴/기법에 무거운 부담을 지우는 전력 전자 장치와 첨단 제어 시스템 개념을 사용해야만 했습니다.

GPIC 적용 분야

내쇼날인스트루먼트는 다양한 용도에 사용하는 상업적 디지털 에너지 제품의 설계, 시제품화와 배치를 개선하기 위해 FPGA 기반의 전력 전자 제어를 위한 새로운 시스템 수준의 방법론과 플랫폼을 제공합니다.


그림 1. 전형적인 전력 변환 애플리케이션

 

GPIC가 적합한 전력 전자 컨트롤 애플리케이션의 일부 예시:

  • 유니티 스케일 에너지 스토리지 시스템(양방향 AC>DC>AC 컨버터)
  • 중전압에서 고전압까지의 모터 드라이브와 펌프(단방향이나 양방향 AC>DC>AC 컨버터)
  • 전기 및 하이브리드 전기차량, 자동차, 기차, 농업 장비(양방향 DC>AC 인버터)
  • 그리드-타이드 솔라 인버터(단방향 DC>AC 인버터)
  • 풍력 터빈 파워 컨버터(단방향 AC>DC>AC 컨버터)

주요 이점

임베디드 컨트롤러와 사용자 프로그래머블 FPGA와 결합된 높은 수준의 소프트웨어 툴(NI LabVIEW, LabVIEW FPGA 및 LabVIEW 실시간 모듈과 NI Multisim 소프트웨어)은 전력 전자 제어 애플리케이션에 대한 제어 알고리즘의 신속한 개발과 테스팅을 가능케 합니다. 소프트웨어 환경과 하드웨어 구성부품 간 탄탄한 통합은 차세대 FPGA 기반 디지털 에너지 변환 시스템의 대량 상업 배치에 이르는 비용효과적, 저위험 경로를 제공합니다. NI 단일 보드 RIO 범용 인버터 컨트롤러(GPIC)는 다음과 같은 비즈니스 목표를 달성하기 위한 직접적인 경로를 제공합니다.

수익성

임베디드 시스템을 위한 완전 맞춤 방식의 컨트롤러 보드 설계에는 평균적으로 12~13개월이 소요됩니다( 2012년 임베디드 시장 연구 결과 기반). 그러나, NI CompactRIO GPIC를 이용하는 경우, 전력 전자 제어에 필요한 모든 I/O와 최신 FPGA 및 실시간 프로세서 기술을 갖춘 기성품 보드를 활용함으로써 엔지니어링 비용과 위험을 줄일 수 있습니다. 소프트웨어와 하드웨어를 사용자 지정함으로써, 귀하는 귀하의 설계를 정확한 요건에 맞도록 맞춤화할 수 있는 능력을 유지하면서 동시에 기성품 플랫폼의 장점을 취할 수 있습니다.

내쇼날인스트루먼트는 GPIC에 최신 칩세트와 기술을 포함하기 위해 Xilinx, Freescale, Linux, Intel과 같은 선도적인 기술업체들과 전략적 제휴를 유지함으로써 최신의 고품질 기술을 보증합니다.

또한, NI의 대량 생산 능력과 수 년 간의 제조 경험을 활용하여 맞춤형 하드웨어 설계 비용을 줄이고 제품 신뢰성을 높일 수 있습니다. 유연한 물량 기반 가격 정책을 이용하여, NI는 귀하가 수익 마진 요건을 만족시킬 수 있도록 희망하는 컨트롤러 보드 가격 범위를 맞출 수 있습니다.

GPIC 하드웨어는 전력 전자 제어 알고리즘의 신속한 개발과 인증을 위한 LabVIEW 그래픽 시스템 설계 툴과 탄탄하게 통합됩니다. LabVIEW 그래픽 시스템 설계 툴체인을 이용하기 때문에 귀하는 설계 효율을 높여 완전한 임베디드 설계와 관계된 시간과 위험을 줄일 수 있습니다. LabVIEW는 모든 제품 개발 단계를 위한 통합된 그래픽 시스템 설계 환경을 제공합니다. 이것은 설계, 테스트와 배치의 모든 단계에 걸쳐 동일한 컨트롤 소스 코드를 사용할 수 있음을 의미합니다. 

FPGA 장점

FPGA는 재구성가능한 게이트-어레이 로직 회로의 매트릭스를 가진, 재프로그램이 가능한 가장 높은 수준의 실리콘 보드입니다. DSP와는 달리 FPGA는 특정 세트의 지침이나 하드웨어에 내장된 처리장치에 의해 제약을 받지 않습니다. 사전 구축된 논리 블록과 프로그래머블 라우팅 리소스를 사용하여, 귀하는 특정한 전력 전자 제어 애플리케이션에 이들 보드를 구성할 수 있습니다. 과거에는, FPGA에서 DSP 애플리케이션(PWM 인버터 컨트롤 알고리즘 등)을 시행하는 것이 동일한 애플리케이션을 DSP에서 시행하는 것보다 훨씬 더 많은 노력을 필요로 했습니다. 여기에는 FPGA 보드 프로그래밍을 위한 하드웨어 기술 언어(HDL)의 많은 지식이 요구되었습니다. 또한 FPGA와의 인터페이스를 위한 맞춤형 I/O 보드를 설계해야 할 필요도 있었습니다.

GPIC는 전력 전자 제어에 필요한 모든 I/O를 갖추고 LabVIEW FPGA 그래픽 환경을 이용하여 프로그램할 수 있는 기성품 보드를 제공함으로써 이러한 도전적 과제를 다룹니다. LabVIEW FPGA 그래픽 프로그래밍으로 귀하는 낮은 수준의 HDL(VHDL 또는 Verilog 등) 또는 보드 수준의 하드웨어 설계 없이도 FPGA 보드의 로직을 정의할 수 있습니다. 또한, LabVIEW FPGA는 타이밍 제약, I/O 구성, 장소와 경로 설정과 같은 복잡한 작업은 고의적으로 추상화합니다. 


그림 3. LabVIEW FPGA를 이용하여 FPGA 보드 설계

LabVIEW FPGA를 이용하여 귀하는 기존 VHDL 코드, 제삼자 IP 또는 전력 전자 IP 라이브러리의 IP 코어를 귀하의 VIEW FPGA 애플리케이션에 통합할 수 있으므로 귀하는 애플리케이션에 특정한 기능과 코드 세그먼트에 집중하고 PWM, 비례 적분 미분 제어, Clarke와 Park 변환 같은 흔한 작업을 위한 사전 구축 코어를 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 그림 4는 DSP 보드의 표준 PWM 블록 대비 애플리케이션에 최적화된 FPGA 기반 PWM 제어의 성능 개선을 보여줍니다.


그림 4. FPGA의 최적화된 PWM은 DSP 블록의 표준 PWM 대비 높은 변조 지수에서 전고조파 왜곡을 거의 50% 줄일 수 있습니다.


코드를 이입하여 FPGA의 기능을 재구성하는 능력은 진화하는 표준 및 통신 프로토콜과 함께 장기간의 지원, 유지보수, 상호운용성의 관점에서 볼 때 스마트 그리드 애플리케이션에 특히 이롭습니다. FPGA의 재구성 기능으로 고성능을 달성하고 애플리케이션 개발 시간을 줄일 수 있으며 코드를 재사용할 수 있습니다.

성능
FPGA는 고도의 병렬 구조를 가지므로 DSP 연산력을 초과합니다. 사실 상 현대의 FPGA는 전형적인 DSP 애플리케이션에 가장 최적인 전용 DSP 코어를 포함합니다. Xilinx Zynq-7020 SoCs는 시스템 설계 유연성을 유지하면서 동시에 높은 속도를 작은 크기와 결합하기 위해 220개의 전용, 완전 맞춤형, 저전력 DSP 코어를 갖추고 있습니다.


그림 5. DSP의 연속 실행 대비 FPGA의 병렬 실행

귀하의 전력 전자 컨트롤 애플리케이션(맞춤형 고주파 디지털 PWM)을 FPGA 장치를 위해 컴파일하면 전용 하드웨어 회로의 성능과 신뢰성을 갖추고 진정한 병렬 처리를 제공하는 고도로 최적화된 실리콘을 구현할 수 있습니다. FPGA 보드에는 OS가 없기 때문에, 코드는 최대 성능과 신뢰성을 보증하는 방법으로 실행됩니다.

컨트롤의 완전한 병렬 실행, 통합된 DSP 코어와 보호 인터록은 공유된 리소스에 대한 경쟁을 없애주고 애플리케이션이 커짐에 따라 애플리케이션의 확장성을 단순화합니다. 고도로 병렬적인 FPGA 데이터 처리 특성으로 싱글 코어 DSP 대비 달러당 성능이 증가합니다. 


그림 6. 하드코어 DSP를 FPGA 패브릭에 통합한 결과, 초당 승산 누적(MAC) 연산으로 측정된 바와 같이 싱글 코어 DSP 대비 FPGA 성능의 극적인 증가를 가져왔습니다.

NI 싱글 보드 RIO GPIC 상업용 기성품 컨트롤러 보드를 이용하여 귀하는 맞춤형 하드웨어 설계 대비 상대적으로 낮은 초기 개발비로 FPGA 성능과 신뢰성을 최대한 활용할 수 있습니다.

프로세서

또한 귀하는 Linux RT에서 실행 중인 Dual-core ARM Cortex-A9 MPCore processor의 데이터 분석과 통신 역량을 활용함으로써 제품을 한층 더 차별화할 수 있습니다. LabVIEW는 실시간 분석, 사후 처리, 데이터 로깅, 네트워크에 연결된 호스트 컴퓨터와의 통신을 위해 데이터를 I/O에서 FPGA로 그리고 FPGA에서 임베디드 프로세서로 전달하기 위한 내장 데이터 전달 메커니즘을 포함합니다.

사전 구축된 LabVIEW IP 기능의 광범위한 라이브러리를 이용하여 귀하는 스마트 그리드 프로토콜 통신, 이벤트 리코딩과 알람 작동, 웹 모니터링과 전력 분석을 위한 스마트 전력 전자 컨트롤러를 만들 수 있습니다.

개발 효율

LabVIEW 그래픽 시스템 설계 툴체인은 귀하의 개발 시간을 크게 줄이고 엔지니어링 설계팀 규모를 최적화합니다. 표 2는 전통적인 툴 대비 LabVIEW 그래픽 시스템 설계 툴체인을 사용하는 경우 전형적인 임베디드 시스템의 개발 시간이 절반으로 줄어드는 것을 보여줍니다. 또한, 5명으로 구성된 팀(전통적인 설계 접근의 12명 대비하여)이 완전한 임베디드 설계를 수행하였습니다.


표 2. 2012년 임베디드 시장 연구를 토대로 일반 시장 대비 LabVIEW의 효과와 효율

LabVIEW 그래픽 시스템 설계 툴은 설계 효율의 이 극적인 개선의 중요한 이유입니다. 이 툴들은 다양한 설계 단계의 낮은 수준의 개발의 복잡성을 무시함으로써 설계에서 시작품 및 배치에 이르기 까지 개발의 모든 단계에서 설계 프로세스를 단순화합니다.

그래픽 시스템 설계 접근은 디지털 컨트롤 시스템과 아날로그 전력 전자 간 상호작용을 포착하는 고충실도 모의 환경 내에서 LabVIEW FPGA 코드를 개발하는 연계모의(co-simulation)로부터 시작됩니다. LabVIEW FPGA와 NI Multisim 전력 전자 회로 시뮬레이터는 아날로그 회로의 순간적인 거동과 FPGA 기반 컨트롤 시스템과의 그 상호작용을 포착하기 위해 모의 시간단계를 자동적으로 조절합니다. 예를 들어, 인덕터 전류가 커지면, 모의는 디지털 컨트롤 시스템에 대한 영향을 포착하기 위해 진행을 늦춥니다.

그림 8: 자동, 가변 시간단계에 의한 Multisim과 LabVIEW 간 연계 모의는 다중 모의에서 오는 결과를 통합하는데 걸리는 시간을 줄여줍니다. 

전통적인 모델 기반 설계에 공통적인 낮은 수준의 표현 대비, 그래픽 FPGA 로직의 표현이 가지는 주요 이점 중 하나는 LabVIEW FPGA 코드는 모의 환경 내에서 개발될 수 있고 완전히 양방향의 개발 경로를 위해 노력을 들이지 않고도 물리적인 FPGA 표적으로 이동할 수 있다는 점입니다. 시제품에서 생산후까지 어느 단계에서든지 이루어진 변경은 툴체인의 어느 곳이든지 코드가 언급되는 곳에서 자동으로 업데이트 됩니다.

이를 통해 첫날 임베디드 시스템 코드를 작성하고 개발 전과정에서의 지속적인 개선을 지향합니다. 에너지 효율, 비용, 구성부품 수명 간 비선형 설계 균형(트레이드오프)을 평가하는데 도움이 될 수 있도록 귀하는 FPGA 소프트웨어와 자동화된 테스트 코드와 병행하여 전력 전자 회로를 설계할 수 있습니다. 비록 어려운 트레이드오프가 주어진다 해도, 다중 설계 목표를 동시에 최적화하는 기회를 제공할 것입니다.

GPIC 하드웨어가 그래픽 시스템 설계 플로우 안에 완전히 통합되기 때문에, 귀하는 개발 리소스로 고도로 차별화된 파워 컨버터 컨트롤 알고리즘을 설계하는데 집중할 수 있고 I/O 인터페이스 설계에 필요한 시간과 리소스는 최소화할 수 있습니다.

요약

NI CompactRIO GPIC 및 LabVIEW 그래픽 시스템 설계 툴은 고급 FPGA 기반의 전력 전자 컨트롤 애플리케이션의 신속한 개발, 테스팅, 배치를 제공합니다. 고성능의 사전 인증된 비용 효과적인 하드웨어를 산업 표준 LabVIEW 그래픽 시스템 설계 툴과 귀하의 전력 전자 설계 플로우 안으로 통합함으로써, 수익성을 키우고 설계 비용을 낮추며 귀하의 전력 전자 컨트롤 애플리케이션의 출시를 가속화할 수 있습니다.