NI Single-Board RIO通用逆變器控制器特性

由于智能電網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用涉及長(zhǎng)期的技術(shù)支持、維護(hù)以及適應(yīng)不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)和通訊協(xié)議的需求，所以FPGA可以導(dǎo)入代碼并支持重配置的特性有很大的優(yōu)勢(shì)。FPGA可重配置的特點(diǎn)也表示您可以使用它實(shí)現(xiàn)更高的性能，減少開(kāi)發(fā)時(shí)間并實(shí)現(xiàn)代碼的重用。

2.性能

由于FPGA具有高度并行的架構(gòu)，所以它們超過(guò)了DSP的運(yùn)算能力。實(shí)際上，現(xiàn)代的FPGA都具有專(zhuān)用的DSP元，非常適合傳統(tǒng)的DSP應(yīng)用。Spartan-6LX45FPGA具有58個(gè)專(zhuān)用的、可完全自定義的低功耗DSP元，結(jié)合了高速、小體積的特點(diǎn)，同時(shí)又保證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

圖15.Spartan-6FPGA與通用DSP的對(duì)比

當(dāng)您為FPGA設(shè)備編譯電力電子控制應(yīng)用程序(自定義，高頻數(shù)字PWM波形)時(shí)，得到的將是高度優(yōu)化的硅芯片實(shí)現(xiàn)，它提供了真正并行的處理機(jī)制，其專(zhuān)用的硬件電路具有性能和可靠性?xún)煞矫娴膬?yōu)勢(shì)。由于FPGA芯片上沒(méi)有運(yùn)行操作系統(tǒng)，代碼的實(shí)現(xiàn)方法保證了最佳的性能和最高的可靠性。

除了提供高的運(yùn)行可靠性，F(xiàn)PGA設(shè)備還可以以極快的循環(huán)頻率實(shí)現(xiàn)高確定性的閉環(huán)控制。對(duì)于絕大多數(shù)基于FPGA的控制應(yīng)用來(lái)說(shuō)，處理速度的瓶頸都在于傳感器，執(zhí)行器和I/O模塊，而不在于FPGA的性能。例如，包括在LabVIEWFPGA模塊中的PID控制算法只需要300ns(0.000000300s)就可以完成一次運(yùn)算。

基于FPGA的控制系統(tǒng)提供了超過(guò)1MHz的高確定性，閉環(huán)控制性能。實(shí)際上，許多算法只需要一個(gè)FPGA的時(shí)鐘周期(40MHz)就可以完成執(zhí)行。

3.節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本

與單核的DSP處理器相比，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)處理高并行度的特點(diǎn)大大提高了系統(tǒng)的平均美元性能。同時(shí)，相比DSP處理器而言，F(xiàn)PGA還提供了更高的平均瓦特性能。通常來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA具有更高的板卡級(jí)的功率消耗(DSP的典型功耗為3W至4W，而DSP的功耗一般為7W至10W);但是，由于FPGA可以處理的通道數(shù)據(jù)密度是DSP的40倍，這就意味著FPGA有著更高的平均瓦特性能。

圖16.近年來(lái)，將微型DSP硬件核集成到FPGA元中的技術(shù)極大地提高了FPGA的性能，圖為與單核的DSP相比，每秒可以完成乘法累加運(yùn)算次數(shù)的柱狀圖

就平均發(fā)展速率來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA的平均美元性能每14個(gè)月翻一番。使用商業(yè)現(xiàn)成可用的NISingle-BoardRIOGPIC控制器開(kāi)發(fā)板，您可以充分利用FPGA性能和可靠性的優(yōu)勢(shì)，比全自定義的硬件設(shè)計(jì)付出更少的工作量，并且可以避免重復(fù)的開(kāi)發(fā)工作。

使用NISingle-BoardRIOGPIC，您可以充分利用LabVIEW開(kāi)發(fā)工具鏈和Spartan-6FPGA的靈活性以及在快速原型開(kāi)發(fā)方面的優(yōu)勢(shì)，從而大大減少您電力電子控制應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間。當(dāng)您在LabVIEWFPGA和Multisim聯(lián)合仿真環(huán)境下完成了對(duì)控制器的測(cè)試之后，就可以將相同的代碼部署到FPGA上并用實(shí)際的物理I/O上對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。接下來(lái)您就可以實(shí)現(xiàn)一些改進(jìn)方案并且充分利用FPGA可重配置的特點(diǎn)來(lái)逐步完善您的設(shè)計(jì)并給出最終設(shè)計(jì)方案。

Spartan-6產(chǎn)品系統(tǒng)概覽

實(shí)時(shí)仿真工具

使用NISingle-BoardRIOGPIC，您可以實(shí)現(xiàn)HIL仿真來(lái)減少現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以及原型開(kāi)發(fā)的成本。您可以將系統(tǒng)的模型(狀態(tài)空間模型或者JMAG有限元分析(FEA)軟件模型)部署到一系列商業(yè)現(xiàn)成可用的實(shí)時(shí)目標(biāo)上，例如NICompactRIO和NIPXI。這些硬件目標(biāo)都帶有一個(gè)運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式的處理器來(lái)以及一個(gè)用戶(hù)可自定義的FPGA，這樣您的代碼執(zhí)行就會(huì)擁有硬實(shí)時(shí)特性。使用低抖動(dòng)的幾百納秒的仿真周期，您可以精確地仿真物理系統(tǒng)的I/O行為并且驗(yàn)證控制器的運(yùn)行效果。

使用HIL測(cè)試，您可以并行地開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中的軟件與硬件組件，從而減少整體的開(kāi)發(fā)時(shí)間。例如，針對(duì)電動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，您可以同時(shí)開(kāi)發(fā)電動(dòng)馬達(dá)硬件以及它的引擎控制單元，這樣當(dāng)您的馬達(dá)設(shè)計(jì)完成的時(shí)候，嵌入式軟件中主要的問(wèn)題也已經(jīng)得到了解決。

圖17.使用NIcRIO-9082作為HIL仿真器

常見(jiàn)的電動(dòng)馬達(dá)的控制信號(hào)工作于20kHz到25kHz的頻率范圍。為了精確地仿真電動(dòng)馬達(dá)，其模型的時(shí)間步長(zhǎng)必須至少小于控制信號(hào)周期的十分之一。這就意味著電動(dòng)馬達(dá)模型仿真器的運(yùn)行周期頻率至少要達(dá)到200kHz，這個(gè)頻率已經(jīng)大大高于了傳統(tǒng)HIL系統(tǒng)的運(yùn)行頻率。圖18展示了高仿真周期頻率的的重要性。

圖18.不同周期頻率下的電動(dòng)馬達(dá)HIL仿真結(jié)果

FPGA的特點(diǎn)使它極其適用于高速、實(shí)時(shí)的應(yīng)用。所有基于FPGA的處理都可以獨(dú)立地與系統(tǒng)CPU同時(shí)執(zhí)行。此特點(diǎn)可以幫助您實(shí)現(xiàn)極低的延時(shí)以及高速的信號(hào)處理，從而精確地仿真物理I/O行為。

使用FPGA技術(shù)，您可以調(diào)整并提高控制器的設(shè)計(jì)效率，這樣就可以導(dǎo)入待測(cè)單元(UUT)的非線(xiàn)性FEA模型來(lái)進(jìn)行高逼真度的HIL仿真。該功能由NIVeriStand軟件的JMAG-RT插件提供。

圖19.電動(dòng)馬達(dá)HIL仿真

使用JMAG仿真軟件和JMAG-RT插件，您可以生成一個(gè).RTT文件來(lái)創(chuàng)建實(shí)時(shí)運(yùn)行的FPGA特性。JMAG-RT插件會(huì)生成一個(gè)查找表，這個(gè)查找表包含了您的待測(cè)單元(在這里，就是一個(gè)馬達(dá))的相關(guān)參數(shù)。這些參數(shù)可以用來(lái)對(duì)您的設(shè)備進(jìn)行全面的檢定并準(zhǔn)確地捕捉其非線(xiàn)性行為。