基于FPGA平臺的工業(yè)電機最大效率實現(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)計到最終機械設(shè)備完成，EUROelectronics只用了3個月的時間。

　　縮短機械設(shè)計時間

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

　　為了縮短嵌入式機械制造商的最終設(shè)計時間，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用程序和動態(tài)I/O重構(gòu)功能可節(jié)約設(shè)置時間，而且終端應(yīng)用編程人員和數(shù)字設(shè)計工程師還能重復(fù)使用有關(guān)資源。配置軟件能自動檢測系統(tǒng)中安裝的定制硬件。I/O外設(shè)的集成式診斷測試可確保I/O器件正常工作。

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

　　圖2 嵌入式中間件軟件設(shè)計分級圖

　　圖2所示為嵌入式中間件軟件設(shè)計分級圖。這種中間件驅(qū)動程序和系統(tǒng)服務(wù)在成千上萬種已經(jīng)部署的機械設(shè)計應(yīng)用中都證實了自己的功能。并行和多線程安全型嵌入式中間件驅(qū)動程序是RIO的有機組成部分。機械制造商可同時從多個線程調(diào)用多線程安全型和可再入函數(shù)，同時還能確保正常工作，避免阻塞現(xiàn)象，這對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)動程序會影響性能，更糟的是還會導(dǎo)致崩潰。代碼必須等其他線程使用完每個函數(shù)后才能訪問函數(shù)?？稍偃胄钥杀苊獯a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)時其纏繞方式可生成梯形反電勢電壓，而PMSM的電壓則為正弦曲線。

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