基于FPGA平臺(tái)的工業(yè)電機(jī)最大效率實(shí)現(xiàn)

　　RIO架構(gòu)目前已被用于多款系統(tǒng)中，如EUROelectronics等公司的系統(tǒng)。借助該架構(gòu)，從產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)到最終機(jī)械設(shè)備完成，EUROelectronics只用了3個(gè)月的時(shí)間。

　　縮短機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)間

　　無(wú)刷DC和永磁同步AC電機(jī)(PMSM)二者通常組成無(wú)刷DC電機(jī)(BLDC)，其集成式控制非常復(fù)雜，是一個(gè)挑戰(zhàn)。許多機(jī)械制造商都缺乏構(gòu)建嵌入式控制器方面的軟硬件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，難以讓嵌入式控制器在各種類型的模擬和數(shù)字傳感器上實(shí)時(shí)執(zhí)行閉環(huán)控制。

　　為了縮短嵌入式機(jī)械制造商的最終設(shè)計(jì)時(shí)間，本文介紹的方案在CompactRIO產(chǎn)品中集成了某種形式的RIO架構(gòu)。這種基于FPGA的配置包括基于Virtex-5 LX85到Spartan-3的系統(tǒng)，以及基于Virtex-II 1M門的背板，配合基于PowerPC 603e的處理器，能夠滿足多種頻率和性能需求，如圖1所示。

　　圖1 在CompactRIO產(chǎn)品中集成了某種形式的RIO架構(gòu)

　　在RIO框架中集成配置軟件實(shí)用程序和動(dòng)態(tài)I/O重構(gòu)功能可節(jié)約設(shè)置時(shí)間，而且終端應(yīng)用編程人員和數(shù)字設(shè)計(jì)工程師還能重復(fù)使用有關(guān)資源。配置軟件能自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中安裝的定制硬件。I/O外設(shè)的集成式診斷測(cè)試可確保I/O器件正常工作。

　　如果不安裝I/O電路，驅(qū)動(dòng)程序軟件及相關(guān)API不能適當(dāng)執(zhí)行或返回具體器件的故障，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，軟件開(kāi)發(fā)人員通常會(huì)創(chuàng)建模擬子例程，臨時(shí)替代應(yīng)用中的I/O電路代碼。這種方法難以立即開(kāi)始應(yīng)用開(kāi)發(fā)，而且?guī)缀醪荒苷{(diào)試代碼。RIO中間件驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)包括相關(guān)功能，可將模擬代碼直接集成到函數(shù)驅(qū)動(dòng)程序中，從而簡(jiǎn)化代碼的重復(fù)使用與故障調(diào)試。

　　圖2 嵌入式中間件軟件設(shè)計(jì)分級(jí)圖

　　圖2所示為嵌入式中間件軟件設(shè)計(jì)分級(jí)圖。這種中間件驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)服務(wù)在成千上萬(wàn)種已經(jīng)部署的機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用中都證實(shí)了自己的功能。并行和多線程安全型嵌入式中間件驅(qū)動(dòng)程序是RIO的有機(jī)組成部分。機(jī)械制造商可同時(shí)從多個(gè)線程調(diào)用多線程安全型和可再入函數(shù)，同時(shí)還能確保正常工作，避免阻塞現(xiàn)象，這對(duì)并行代碼的編寫和性能優(yōu)化都是非常重要的特性。不具備可再入執(zhí)行功能的驅(qū)動(dòng)程序會(huì)影響性能，更糟的是還會(huì)導(dǎo)致崩潰。代碼必須等其他線程使用完每個(gè)函數(shù)后才能訪問(wèn)函數(shù)。可再入性可避免代碼中任何不必要的依賴性。

　　 BLDC和PMSM的定子纏繞方式有別。BLDC的定子旋轉(zhuǎn)時(shí)其纏繞方式可生成梯形反電勢(shì)電壓，而PMSM的電壓則為正弦曲線。

　　BLDC的成本高于AC電感電機(jī)，但在用高級(jí)算法控制情況下其節(jié)能性和性能更高。此外，BLDC還具有較高的可擴(kuò)展性，能滿足極高功率和極高速應(yīng)用的需求。