（精密仪器及机械专业论文）基于LabVIEW+FPGA的多台通用电机同步转速控制.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：幺叠牡日 期：咀上l l 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：年导师签名：公坠日期：里! 三：型 摘要 随着科技的发展，人们生活水平的提高，洗衣机的社会需求变的更加的多样化，对 于滚筒式洗衣机主动力之一的通用电机的疲劳试验必不可少，传统的单片机控制的通用 电机的疲劳试验需要针对不同型号的通用电机进行专门制板，同时，当需要对大量洗衣 机同时进行疲劳试验的时候，则需要多套单片机设备针对各种不同型号的通用电机， l a b v i e wf p g a 只需要通过图形编程语言的编程就可实现不同的硬件功能来同时完成 对不同型号，多数量的洗衣机的疲劳试验，高效率、低成本的得到各种不同型号洗衣机 的统计学使用寿命。设计以全球著名家电企业b s h 的工程需求为背景，根据相位角控 制原理，采用n ip a c 硬件系统架构，完成2 0 台洗衣机疲劳试验系统的设计和实现；在 l a b v i e w 环境下，完成基于f p g a 的数据采集嵌入式软件设计和程序实现；完成在 v x w o r k s 下的p i d 控制、t c p i p 通信嵌入式软件设计和程序实现；完成在w i n d o w s m o b i l e ( p d a ) 下的h m i 和无线以太网通讯嵌入式软件的设计和编程。 关键字：疲劳试验，通用电机驱动器，p a c 硬件系统架构，嵌入式软件设计 a b s t r a c t a st e c h n o l o g yd e v e l o p sa n dp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d si m p r o v e s ，t h es o c i a ln e e d so f w a s h i n gm a c h i n e sb e c o m em o r ed i v e r s i f i e d ，t h e nt h ef a t i g u et e s to fu n i v e r s a lm o t o r w h i c ha saa c t i v ef o r c eo fd n f mt y p ew a s h i n gm a c h i n ；ei se s s e n t i a l t r a d i t i o n a l m c u c o n t r o l l e df a t i g u et e s to fu n i v e r s a lm o t o rn e e d sd i v e r s ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d d e s i g n sf o rt h ed i f f e r e n tt y p e so fu n i v e r s a lm o t o r s ，i nt h em e a n t i m et h e r ea r es e v e r a l s e t so fm c ud e v i c e st ob en e e d e dw h i l em a k ef a t i g u et e s tf o ral a r g en u m b e ro f w a s h i n gm a c h i n ea tt h es a m et i m e f o rav a r i e t yo fd i f f e r e n tt y p e so fg e n e r a l - p u r p o s e m o t o r ，l a b v i e wf p g ac a nc o m p l e t ef a t i g u et e s to fd i f f e r e n tm o d e l sa n dl o t so f w a s h i n gm a c h i n e so n l yb yu s i n go fg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n da c q u i r et h e s t a t i s t i c a ll i f eo fd i f f e r e n t t y p e so f u n i v e r s a lm o t o r sm o r e e f f i c i e n t l y a n d i n e x p e n s i v e l y t h ed e s i g ni si n t h eb a c k g r o u n do fe n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t so ft h e w o r l d s l e a d i n g b s hh o m e a p p l i a n c e sc o m p a n y ，t h e na d o p t s n ip a c ( p r o g r a m m a b l ea u t o m a t i o nc o n t r o l l e r ) h a r d w a r es y s t e ma r c h i t e c t u r et oc o m p l e t e f a t i g u et e s to f2 0u n i v e r s a lm o t o ra tt h es a m et i m eb yp h a s ea n g l ec o n t r o lm o d e a n d c o m p l e t e sf p g a - b a s e de m b e d d e ds o f t w a r ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o na n dt h e n r e a l i z e sp i dc o n t r o l s ，t c p i pc o m m u n i c a t i o n se m b e d d e ds o f t w a r ed e s i g na n d p r o g r a mi m p l e m e n t a t i o nu n d e rv x w o r k s ，t h el a s tc o m p l e t e sh m ia n dw i r e l e s s e t h e r n e tc o m m u n i c a t i o n se m b e d d e ds o f t w a r ed e s i g na n dp r o g r a mi m p l e m e n t a t i o n k e yw o r d s ：f a t i g u et e s t i n g ，u n i v e r s a lm o t o rd r i v e r ，p a ch a r d w a r es t r u c t u r e ， e m b e d d e ds o f t w a r ed e s i g n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目j 素1 ：第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状。，1 1 3 通用电机控制方法简介：3 1 4 单片机控制在测试站中存在的问题5 1 5 论文研究的前提5 1 6 研究的主要内容6 第二章系统硬件整体设计7 2 1 系统硬件的设计要求7 2 2 系统架构的选择7 2 3l a b v i e wf p g a 的特性9 2 4 系统级设计的结果1 2 2 5 本章小结1 2 第三章系统硬件详细设计1 3 3 1 实时控制器与f p g a 背板选型1 3 3 2 被测对象的测量与控制通道数描述1 4 3 3 数据采集部分硬件的详细设计1 5 3 3 1 过零检测信号及测速电机输出的转速采集1 5 3 3 2 温度采集1 7 3 3 3 旋转编码器的转速采集1 8 3 4 数字输出控制( 可控硅控制) 1 9 3 5i t m i ( 人机界面) 及数据通讯硬件设计2 0 3 6 硬件系统详细设计的最终描述2 0 3 7 本章小结2 l 第四章通用电机驱动器设计。2 2 4 1 通用电机控制方法选择。2 2 4 2 原理性分析及设计2 2 4 3 通用电机驱动器制作与调试2 5 4 4 本章小结2 5 第五章嵌入式软件设计。2 6 5 1 软件界面设计2 6 5 2 系统资源的分配2 8 5 3 基于f p g a 的嵌入式软件编程。3 0 5 3 1 硬件的初始化编程3 0 5 3 2d o 软件编程3 1 5 3 3 数字输出控制嵌入式软件编程3 4 5 4p i d 控制3 4 5 4 1p i d 简介3 4 5 4 2f p g a 上的p i d 控制3 7 5 5 使用无线路由器的t c p i p 通信嵌入式软件。4 0 5 6w i n d o w sm o b i l e ( p d a ) 下的删i 4 2 5 7 系统的调试与实现4 4 5 8 本章小结4 4 第六章t 作小结及展望4 6 6 1t 作小结4 6 6 2 【：作展望4 7 参考义献4 8 攻读硕f ：学位期问的研究成果5 0 后记5 1 东南大学硕：f 二学位论 1 1 研究背景及意义 第一章绪 洗衣机是一种普及了的家用电器，在洗衣机的疲劳试验中，传统的方法是使用单片机来 控制。随着社会需求的不短变更与扩大，家电企业所生产的洗农机的种类也在不断增加，不 同种类的洗衣机中的电机( 通常为通用电机) 的额定转速和转矩都不一样。 单片机控制的疲劳试验通常只适合于某一款洗衣机，一旦洗衣机中的电机的型号发生了 变化就需要重新制板，这就大大的增加了成本。另一方面，在洗衣机的疲劳实验中一般都是 同时进行多台洗衣机的疲劳试验，最后通过统计学统计出洗农机的使用寿命，而一个单片机 只能控制一台洗衣机进行疲劳试验，当需同时进行多台洗衣机的疲劳试验的时候，单片机控 制就需要多套设备。 论文以全球著名家电企业b s h ( 博西华家电) 的工程需求为背景。b s h 公司原先使用的洗 衣机疲劳试验系统采用的是单片机控制，随着其内部的通用电机的不断更新以及所生产的洗 衣机种类的不断增加，新产品无法通过原先的单片机疲劳试验系统进行疲劳试验，因此，洗 衣机研发部决定对整个洗衣机疲劳试验系统进行更新换代。 针对各种不同型号的洗农机，l a b v i e wf p g a 只需要通过图形编程语言的编程就可是实现 不同的硬件功能来同时完成对不同型号，多数鼍的洗衣机的疲劳试验，高效率，低成本的得 到各种不同洗衣机的统计学使用寿命。同时，基于n il a b v i e wf p g a 的系统是一个开放性的 系统，我们可以通过软件来控制各种型号的洗农机在不同的转速- 卜进行疲劳试验，并且可以 控制上升时间，下降时间等等多种不同的参数。 各种不同的家用电器都需要进行疲劳试验，而基于n il a b v i e wf p g a 控制下的洗衣机疲 劳试验比传统的单片机控制更加的方便和高效，经济效益十分明显，具有，“阔的应用前景。 1 2 国内外研究现状 节电已成为环境保护浪潮中的重要一环。在家电和上业控制中所使用的电动机驱动系统 是耗电大户，其中人多数电机通常上作在非控方式，因而效率很低。随着半导体工业，特别 是大功率电子器件及微控制器的发展，使变速驱动变得更加现实且成本更低。目前，变速驱 动不仅在特殊专用及人功率高效率的_ l 业控制如机床。升降机中使用，而且越米越多地应 用到家川电器中，如洗衣机、压缩机、小电泵、空调器等。 各种高精密算法控制的驱动方式为各种应用带来了许多的优点：系统效率提高变速 控制可降低电机的无川功率。性能改善数字控制方式可实现多种功能，如智能数字闭环 控制，故障容忍，及同其它系统进行通讯等。机电能量转换简化变速驱动可避免使用转 换器，变速箱等。 在人多数系统中，特别是家用电器领域，通用电机控制系统的总成本必须同非控系统价 格相当。为使系统总体成本控制在一个合理范罔内，当前通川电机控制多以单片机控制为主。 在国内外通川电机控制领域，摩托罗拉、f r e e s c a l e 等欧美厂商生产的以单片机为控制核心的 集成芯片处丁警断地位。 以f r e e s c a l e 公司生产的通川电机控制芯片a n l 6 6 2 为例。a n l 6 6 2 基丁 m c 6 8 h c 0 5 j j 6 j j 7 p 单片机和m a c 4 d c 叮控砖，通过栩f 角控制原理，适川丁车迷从 1 0 0 0 r p m s 剑1 5 0 0 0 r p m s 的通j i ji u 机系统中。目前此类l u 机j 泛刚作家川电器t 的马达， 例如：真审吸乍器、洗碗机、手持电动i ：具及食品加i ：机。其i ：作模式为川环凋速。幸u 对丁 第一章绪论 常用的在电机轴上加装转速计的方案，所述电路则为一个无转速计的方案，转速的测量是由 单片机测量通用电机测速输出端电压的方式来间接实现的。该电路的设计充分利用了单片机 的资源从而使其原理图相当简单。这种低成本的单片机功能很强，足以完成驱动闭环无传感 器相位角控制系统的所有工作。所有的功能仅由两种集成电路及很少的外围器件即可完成。 图1 - 1 为f r e e s c a l e 公司生产的a n l 6 6 2 单片机控制芯片。 图1 - 1a n l 6 6 2 通过单片机进行控制，具有控制成本低、技术成熟、系统紧凑等优点。然而在产品寿命 质量检验过程中，面临着速度控制要求苛刻( 以本项目为例，要求精度达到5 r p m s ) ，转 速控制过程可调等要求。由于单片机本身在高速实时处理能力方面的不足，仅通过单片控制 已经难以满足质检需求。电机控制是一种非线性时变参数应用，电机和电子开关中的电流迅 速变化，需要进行大量的计算。以前，通过在单独的m c u d s p 芯片上运行电机控制软件 来达到这种计算要求，这类芯片一般集成了普通的通用控制模块。然而，这种系统体系结构 无法在电机控制应用中实现最佳功耗和性能，也不能提高集成度。 随着近年来f p g a 技术的发展，国内外诸多厂商、研究机构，已经将f p g a 应用于诸 多一 程项目中。f p g a 技术作为在电机控制领域的一项新技术，已经在很多领域崭露头角。 f p g a 的真正优势在丁它可以根据需要米定制实现以前m c u 或者d s p 模块中功能同定的 通用硬件。对此，f p g a 中的专心内核能够针对能效和电机参数进行全面优化，可以替代 m c u 或者d s p 电机控制芯片中的标准模块。以美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司推出的n i9 5 1 x 系列运动控制卡为例( 见图1 2 ) 。n i9 5 1 x 系列运动控制卡通过其板载单 片机以及基于f p g a 背板的庞大f p g a 资源，实现了对有刷无刷伺服电机、步进电机的控 制。 2 东南人学硕上学位论文 图1 2 n i9 5 1 x 具体到f p g a 在通用电机控制领域应用，出于成本方面的制约，f p g a 在该领域多应用 于家电设计等领域。例如家电设计人员可以利用f p g a 能够自由地开发定制功能，以非常 低的成本实现硬件和软件的定制化，完全满足其特殊应用需求。这种自由的设计为增强系统 性能打开了新空间，特别是在节能电机控制方面。考虑到国内5 0 的能耗来自家电r 在工 业化国家中) ，以及能源价格和日益重要的环保要求，f p g a 可以帮助家电设计人员开发更 环保的产品，获得能源之星认证，进一步降低成本。加拿大a l t e r a 等欧美公司在该领域处于 领先地位。a l t e r a 家电电机控制开发套件基丁二采用了n i o s i i 处理器的c y c l o n ei i i 平台， 能够帮助家电设计人员使用a l i z e m 电机控制i p ( 图1 - 3 中红色所示) 迅速设计定制电机控制 功能。a i i z e mi p 分成两部分：运行在n i o si i 处理器中的软件部分用于速度控制( 慢变) ， 封装为q u a r t u si is o p cb u i l d e r 组件的硬件部分用于电流扭矩控制和p w m ( 快变) 。 图1 3a l t e r a 家电电机控制原理 而国内在该领域尚处丁起步阶段，随着家电行业上i 怕f i t 匕 要求的日益提高，f p g a 在该领域 的庸川仃着良女r 的发展前景。 1 3 通用电机控制方法简介 e j 前通川电机控制叶l 最常j j 的疗法订两种：可控砷控制，p w m 脉宽渊制。 3 第一章绪论 下面分别介绍下这两种通用电机的控制方法。 1 ：可控硅控制 通用电机的速度可以简单而经济的通过一个可控硅来控制，这是一个很流行的方法。如 图1 4 所示1 2 引： l ，t 图1 - 4 可控硅控制 优点：直接控制；价格便宜；转速可调；功耗大。 缺点：电流的峰一峰值较大；寿命较低( 约3 0 0 0 d 、时) f r e e s c a l e 的制造的a n l 6 6 2 通用电机控制芯片用的就是这种控制方法 2 ：p w m 脉宽调制 通用电机可以通过f n m o s 晶体管高频开关切换后得到的电压来供电。如图卜5 所示n 引： g m e s - g n a ln f i f i 【1 f i f i 叫n 1 f i 兀几f 【f 1 兀f i 兀兀n n 【皿兀n n f i f i 兀呷【1 f i f i 图卜5 脉宽调制 优点：电流的峰一峰值比较的小；噪声比较小；功耗低 缺点：高达2 0 k h z 的高频，f ：关，需要r f i 滤波器 o n s e m i 的a n l 6 6 1 通川电机控制芯片川的就是p w m 脉宽凋制。 4 东南大学硕士学位论文 1 4 单片机控制在测试站中存在的问题 家用电器中对于通用电机的控制一般是通过单片机完成，单片机依靠着其价格优势在诸 如洗农机，电冰箱等家用电器的控制中有着无可替代的地位，但是如果在测试站中也使用单 片机进行疲劳试验就有着诸多的不便与不足。优缺点如下所示： - ? 优点：单板单片机价格低廉 无h m i 缺点：自行设计制作的可靠性无法得到保证 需求量比较大 性能固定，无法扩展，无通用性 对于不同型号的电机需要多次设计 开放式的h m i 单纯的从设计上来说，对于固定型号的通用电机的控制，使用单片机依然有着价格上的 绝对优势，但是，一旦家电企业中存在着多种不同型号的电机，或者随着技术的进步，电机 的不断升级，那么就需要多种不同型号的单片机与各种通用电机相匹配，这样一来，单片机 控制的价格优势就不那么明显了。另外，对于家电生产企业而言，时间就是金钱，一旦电机 升级，就需要重新对单片机进行设计和制板，这一过程不仅意味着需要一定的时间，同时也 影响着产品的上市周期，这样考虑的话，单片机在工厂测试站中的价格优势就荡然无存了。 1 5 论文研究的前提 由于通用电机本身并非仪器专业研究的对象，所以，在开篇之前有必要简要的介绍一下 通用电机的原理以及b s h 公司白行设计生产的这款通用电机的特殊性。 通用电机其原理和基本结构就是一台直流串激电动机，因为供给其交流电时也能工作， 所以又叫通用电动机或交直流两用电动机。它的定子绕组一般是2 极的集中绕组，转子上有 线绕的分布绕组，并且带有换向器和炭刷改变流入转子的电流方向。另外，转子换向器端装 有交流同步测速发电机，用来检测和控制电动机的转速。通用电机具有很好的控制性能，其 机械特性和调节特性均是平行的直线，此外，通用电动机还具有起动力矩人、效率高、调速 方便、动态性能好等优点。但是，通用电机的缺点是结构复杂，转子电流需要换向器和电刷 来进行机械式换向，它们之间的滑动摩擦产生了机械磨损、噪音、火花以及电磁干扰，使得 电动机可靠性降低、寿命短，虽然随着技术的发展和制造t 艺的提高，可靠性和寿命方面有 了很大的提高，但噪音、火花和电磁干扰仍然存在。其控制电路简单，成本较别的变速电动 机低。 通用电机的控制与感应电机不同，感府电机通过变频器调一肖市电频率来达到控制转速 的目的，也就是说控制过程可以使开环的，而通川电机的转速主要由两个冈素决定：输入 给电机的功率和负载人小，所以必须使用闭环控制米调1 ，转速，因此，b s h 白行设计和生 产的这款通川电机中还自带了一个交流同步测速发电机以做闭环控制的反馈信号。 交流同步测速发电机其转子是由永磁体做成，其输 i3 电压和频率与转速成上 比，结构 与同步电动机类似，在自动控制系统中作直接测量转速川。定子绕组为两个相隔9 0 度电角 度的集中绕组，转轴上安装一块圆柱体永久磁钢，在磁钢两端压装上两只纯铁制成的磁轭， 磁轭外圆周f ：臀分成 ，i ：多小齿，两只磁轭相错一：分之。转r 齿距安装，磁路从永久磁钢的 “s ”极剑“n ”极，经过空气隙利定r 铁芯川剑“s ”极，彤成翻j 合刚路。 以永久磁铁作为转子的交流发电机( 同步测述发电机) 由丁：输电爪和频率随转速同时 ) 第一章绪论 变化，又不能判别旋转方向，使用不便，在自动控制系统中用得很少，主要供转速的直接测量 用。因感应电势频率随转速而变，致使电机本身的阻抗及负载阻抗均随转速而变化，因此， 输出电压不再与转速成正比关系。但是其输出的频率同转速之间有着严格的线性关系，所以 我们可以通过计频来测量电动机的转速以做闭环控制。 系统设计的控制对象是b s h 公司洗衣机的主动力通用电机，所以，在系统设计之前， 应该首先对通用电机进行彻底的分析，只有全面了解了其原理之后才能进一步的考虑控制方 r 法等其他方面与之相关的硬件设计。研究的基础在于原理，但是不能局限于原理，因为每一 个项目均有其特殊性，如b s h 的通用电机自带了测速发电机。所以在设计之初既要了解原 理，也要对应于实际的产品进行具体分析，这样才能保证设计成功。 1 6 研究的主要内容 在综合分析通用电机的基础上，采用n ip a c 系统架构，通过使用l a b v i e w 进行软件编 程，完成了2 0 台洗农机的疲劳试验系统的设计与实现。具体研究内容安排如下： 第一章介绍课题的研究背景，介绍国内外的主要研究成果与产品，在综合分析现有产 品的基础上发现不足，并提出新的研究方法，同时对市场的推广和开发做出可行性分析。 第二章结合需求选择合适的系统架构并说明其优点，并进行系统级硬件设计。 第三章以硬件的详细设计为主要内容，简要的介绍了研究涉及的数据采集方面所要注 意的一些注意事项；详细的介绍了系统中所有硬件设计的详细过程与方法，以及最终的设计 结果。 第四章以通用电机驱动器的制作为主线索，详细介绍通用电机驱动器的研究，制作与 调试。 第五章主要介绍系统软件的设计。在对系统的资源分配做分析的基础上，详细说明系 统的采集软件，控制软件，通讯软件，远程控制软件以及界面等软件编程的原理，方法以及 最终的结果。 第六章总结全文，并展望未来：作。 6 东南人学硕上学位论文 第二章系统硬件整体设计 2 1 系统硬件的设计要求 任何：r ：程项目在刚开始启动的阶段均由买方提出项目的总体需求，然后由卖方提出设计 方案，并取得买方的同意，最终确定方案，签订合同。一般米说我们将这一过程称为需求分 析。概括来说，b s h 公司所提出的同硬件系统设计有关的总体需求如下所示： 第一条：控制的直接对象为通用电机，但是控制方法朱知，且无法直接控制，所以无论 采用哪种控制方法，都需要设计一套通用电机驱动器设备，来辅助完成对电机的直接控制。 第二条： 通用电机的疲劳试验的周期很长，有时甚至会达到1 月之久，所以要求系统 必须具有很高的稳定性与可靠性。 第三条：通用电机安装在洗衣机内，设计要求系统能够控制2 0 台洗农机的上升曲线， 上升时间以及下降曲线等，其中上升曲线、下降曲线平稳，稳态误差在5 转以内。 第四条：在洗衣机疲劳试验的过程中，需对2 0 台洗衣机轴承座的温度进行测量与监控。 第五条：要求系统在工作的过程中，至少同时完成对四台通用电机中自带的测速发电机 的可靠性检验。 第六条：洗衣机安放在与实验室相邻的房间内，试验人员能够通过掌上电脑对系统进行 简单的监控。 上述六个方面是b s h 公司提出的硬件设计的总体需求。具体分析起来可以这样理解： 第一条提出了两个问题：1 ，通用电机的控制方法；2 ，通用电机驱动器的设计与制作。 第二条要求系统具有很高的可靠性。 第三条明确了控制对象的数量以及控制的具体要求。 第四条明确了温度测量对象与数量。 第五条要求系统使川测速电机以外的测速传感器对洗农机转速进行测量。并明确了测量 通道的数量。 第六条明确了系统安装与运行环境，并提出了p d a 监控的要求。 其中，第三条到第五条为系统的详细设计要求。第六条以及第一条中的通用电机驱动器 的设计与制作则可与系统的详细设计并行操作。进行详细设计之前首先应确定的两点是：通 用电机的控制方法和系统架构的选择。 考虑到经济性，设计采用相位角控制原理作为通用电机的实际控制方法。接下来要确定 的就是系统的架构。 2 2 系统架构的选择 有关p l c ( 可编程逻辑控制器) 优势和劣势的激烈争论已经持续了十年。由丁p c 和p l c 在技术k 的差别越米越小，并且随着p l c 采心了商业化( c o t s ) 硬件以及p c 能采用实时操 作系统，从而出现了一种新类耻的控制器p a c 。p a c 的概念是由自动化研究机构( a r c ) 捉j l j 的，它表示可编样白动化控制器，刖丁描述结合了p l c 和p c 功能的新一代i ：业控制器。 传统的p l c 厂商使川p a c 的概念来描述他 i 、j 的高端系统，而p c 控制厂商则川米描述他们的 j i ：业化控制平台m 。 p a c 与p l c 及p c 之问的优缺点比较见图2 1 ： 7 第二章系统硬件整体设计 坚固性及可靠性 图2 - 1p a c 与p l c 及p c 之间的优缺点比较图 基于p a c 的测量应用n i 具有测量的行业背景，它通过引入高速测量使p a c 超越了简单 的i o 。在许多工业应用中工程师们通常使用专门的数据采集系统或独立仪器来采集这些数 据并利用通信总线把数据输入到控制系统。而n i 的p a c 正可以以每秒白万个采样点的速率 直接进行高精度的测量，并把数据直接传送到控制系统来立即处理。n i 的p a c 引入带有逻 辑和运动控制的高速测量功能，从而使得= 程师们无需集成其他的硬件和软件平台。p a c 免 除了对于专fj 硬件的需要p a c 代表着可编程控制器的最新技术，它未来发展的关键取决于嵌 入式技术的引入。比如要能通过软件来定义硬件。电子厂商常使用现场可编程门阵列( f p g a ) 这样的电子器件来开发定制的芯片，它可以让新设备智能化。这些设备包含有能执行多种功 能的可配置逻辑块，连接这些功能块的可编程交联点以及为芯片输入输出数据的i o 块。通 过定义这些可配置逻辑块的功能，其彼此连接以及相应的i 0 ，电子设计人员即可以开发出 定制的芯片，而不需要花钱米生产专门的a s i c 。f p g a 如同有一个计算机，其内部电路能被 重新连接来运行特定的应用程序。以前只有那些熟悉底层编程语言如v h d l 的硬件设计人员 才能利用f p g a 技术。然而，现在工程师们已可以用l a b v i e wf p g a 来开发出定制的控制算法 并把它一f 载到f p g a 芯片上。通过该特性j r 程师们可以使硬件具备实时的功能，如限度和接 近传感器检测和传感器状态监控。由于控制代码直接在芯片上运行，所以j l ：程师们能快速开 发采用定制的通信协议或高速循环的程序：数字控制循环速度可高达1m h z ，模拟控制循环 的速度可为2 0 0 k h z1 7 1 。 在a r c 的“可编程逻辑控制器世界概览”研究中，他f f j 给出了p a c 的五个主要特性。这 些控制器特性是通过定义软件的能力米实现其功能的| 8 ，。 1 多功能性，在一个平台上有逻辑、运动、p i d 控制、驱动和处理中的至少两种以上 功能。 2 单一的多规料开发平台使川通川标签和单一的数据库米访问所有的参数和功能。 ：j 通过结合i e c 6 1 1 3 卜3 ，川户向导和数据管理，软仆i ：j l 能设计 i j 往跨越多个机器和 处理单元的处理流稗。简化系统没汁的另一方面是具订高级的幽形化丌发l ：i ，利川该i ：j l 可以使l ：科帅很轻松地把处理的概念转变为能实际控制机器的代码。 软件功能 东南人学硕十学位论文 4 “开放的模块化构架能解决的工业应用可从控制分布于工厂机器剑加工车间的操作 单元。”由于所有的工业应用都需要有高度的定制特性，所以硬件必须是模块化的以便工程 师们可以选择合适的部件。而且，软件也必须能让工程师增加和拆除模块以设计出所需的系 统。 5 “采用已有的网络接口标准，语言等，如t c p i p ，o p c x m l 和s q l 查询语言。”能 和企业的网络通信对于现代化控制系统是非常关键的。尽管p a c 包含有以太网接口，j 但是为 了要把设备和工厂其它系统无问题地集成在一起，通信软件是至关重要的。 作为基于计算机的测量与自动化技术的领导者，n i 一直致力于将全新的科技带入工业 领域。从处理器、i 0 到开发软件，n ip a c 均提供了高性能的产品旧】。 n ip a c 集成了工业实时的处理器和基于f p g a 的硬件级的处理器，满足高速工业控制应 用的需求。常见的工业控制系统的循环周期一般为毫秒级，工业实时处理器则能提供微秒级 响应时间，而采片j 基于f p g a 的n ip a c 系统，能够在一秒钟内实现超过4 0 0 亿次的运算，以 及百万次以上的p i d 闭环控制，从而获得纳秒级的时间确定性。在高性能处理器的平台上， n i 还提供了丰富的i o 模块可供选择，涵盖模拟、数字、总线通信以及其它可自定义的1 o ， 可以实现高达8 0 0 k s s 的模拟采样速率，l o o k s s 的输出刷新率以及i o m 的高速数字i 0 通 信速率等。 更重要的是，配合高性能的硬件平台，n i 提供了图形化的编程软件l a b v i e w 作为p a c 的 软件开发平台，可以针对多种工业处理器进行开发，并能够满足用户对高级算法应用以及与 现有工业系统连接的要求。 l a b v i e w 中内置了丰富的分析和控制的算法供用户选择，并能快速在硬件上实现。在 l a b v i e w 图形化的开发平台下，算法的实现能够直观的对应于系统的框图，从而j 程师得以 快速完成代码的开发。 不仅如此，在l a b v i e w 的平台- 卜您还可以非常方便地集成各种工业总线，并通过o p c s e r v e r 快速连接到现有的p l c 系统。此外，l a b v i e w 还提供了对机器视觉、运动控制以及人 机交互界面( 删i ) 等硬件的支持，确保工程师在统一的平台下完成对整个_ l 业系统的开发。 n i 提供五种基于l a b v i e w 的p a c 平台。p x i ，c o m p a c tf i e l d p o i n t ，c o m p a c tv i s i o ns y s t e m ， c o m p a c t r i o ( c r i o ) ，标准的t 业计算机( p c i ) 。 c o m p a c t r i o 是基于f p g a 的可重复配置控制和采集系统，它是为需要高度定制和高速控制 的应用而设计的。该架构采用实时嵌入式处理器，并结合可重复配置i o ( r i o ) 的f p g a 内核 来实现复杂的算法和定制的计算。c o m p a c t r i o 平台可使片j 多达八个模拟或数字i 0 模块。这 些模块可由n i 或其它厂商提供。c o m p a c t r i o 平台北常适合如机器控制这样的复杂和高速应 用，并且，对于那些通常需要开发专门的硬件的应用，结合了f p g a 的这种系统也是非常好的 选择刳。 正是基于n ip a c 架构的上述优点，设计以n ip a c 架构中的c r i o 系统为平台，完成对 2 0 台通，f j 电机的疲劳试验。 2 3l a b v i e wf p g a 的特性 c r i o 系统架构同p x i 不同，除了实时控制器以外其本身还包含了一块现场可编程i 、j 阵 列f p g a 的背板。 f p g a 硅片中的逻辑fj 没有连在一起，功能可以通过软r l ：定义f p g a 的i j 电路米实现，f p g a 通常做为中小电路的处理器件，这样可以1 ，约歼发时间币经费，不能使川f p g a 米制作a s i c 簟川集成咀路。i a b v l e wf p ( ；a 模块i j j 对f p g a 进f j ：改计，闪为馊f ，i 包含j f p g a ，现场u ，编 “使虚拟仪器达剑了个灵活的新水平。 9 第二章系统硬件整体设计 通常，f p g a 使用软件开发工具v h d l 或者v e r i l o g 来编程，这些工具掌握困难，然而有 助与理解l a b v i e wf p g a 技术。l a b v i e w 软件中的f p g a 模块允许l a b v i e w 重新定义n if p g a 中硬件的i o ，这样工程师们就能利用f p g a 的性能及灵活性而不必学习低层次的设计工具。 这是f p g a 系统中的两个主要部分：l a b v i e wf p g a 模块和嵌入式可重新配置i o 硬件。 如前所述，l a b v i e wf p g a 模块扩展了l a b v i e w 的工作环境以发展已有的虚拟仪器作为 f p g a 的嵌入式i o 硬件，可以使) ：p x l a b v i e wf p g a 来控制传统的控制和测量元件，而不需要知 道硬件描述语言，或者板级硬件设计，使用l a b v i e w 也是一个很直接的方法米描述时间和并 入并出的f p g a 硬件。另外，可以使用l a b v i e wf p g a 的接口轻松的将其他的测量和控制系统 组件同定制的f p g a 集成在一起“”。 为了理解l a b v i e wf p g a 系统，了解传统测量系统中的元件很重要一个传统的测量和控 制系统包含三个基础的部分： 1 w i n d o s 中的应用软件或者实时操作系统对你来说，或者可以说是l a b v i e w 的开发环 境。 2 硬件接口的驱动程序和功能这指n i d a q m x 驱动 3 最后是i o 硬件在这个例子中我们用到的是一个m 系列的数据采集卡 使用n i 以m 系列卡为例的系统图如图2 - 2 所示n ”： 缈霉警缈嬲弼搿歹缈1 i i 缓磐。爹。爹绕鬈秽。囔 一”，0 够i 缀彩彩? 纛矿：黝锣：镌 ? ： ， ， ：擘 ? ： 二i 谚 * i? 。”鼍墨，：一 。，并、 荔? 量 ：， 。 ，一爹i 一量 鬟 。j 爨 7，| ，麓 ， ， ? i ”。- 0 。，i ? 锄 图2 2 以m 系列卡为例的系统图 现在，研发人员研制m 系列的譬时，他们需要将尽可能多的功能集成到d a q 板中的专用集 成电路中。然后设计一个驱动程序用软件来驱动所有的功能。这样的缺点是所有驱动的功能 是固定的。这种定制系统通过应用软件来设计，结果是需要在多种驱动寻找合适的米完成某 一特定的任务。 ，；吩髫l ，。”孽 ”：矽：一一oo ，j j ， ，jf 图2 - 3l a b v i e wf p g a 系统图 肖使用基丁l a b v i e wf p g a 的测试系统的时候，如图2 - 3 所示，这一范例改变了我们仍 然需要w l n d o st l 的心i 软1 ，l ：或者实时 j l ! 作系统，然i f | j ，现任有一个f 醴小的彼称为n f 嵌入弋可 巫新配置的i o ( r l o ) 为我f | 、j 的硬f ，l ：接1 1 捉供驱动n i 公司仃现成的货架商。 l 史仆：r 系列的 l o 东南大学硕士学位论文 数据采集卡( 其中包含f p g a ) ，可以通过l a b v i e wf p g a 来修改其功能在嵌入式可重新配置的 i 0 ( r i o ) 硬件平台，用f p g a 而不是a s i c 来定义设备功能，这让工程师们利用软件就能确定设 备功能。 说完这个范例，最终用户将有一个功能灵活的f p g a 模块的i 0 平台，而不需要理解复杂 的f p g a 以及板极硬件设计。 使用l a b v i e wf p g a ，可以使用l a b v i e w 代码控制电机功能，然后将其配置到任意一个n i f r i o 硬件设备使用这些工具就能实施特殊项目而不必使用低层次的硬件研发工具，经历整 个硬件的研发过程，另外，当功能需求改变时，简单的更新l a b v i e w 代码，重新为n i 硬件下载 代码。 许多测试系统利用软件来进行计算。当用软件进行计算操作时必须在应用软件，操作系 统调用多个程序之后，即使使用实时操作系统和最优算法时，在软件里通常所能得到的最快 反应周期是2 5 微秒。另外基于软件的系统还有额外的弱点，多种原冈将会干扰系统引起系统 崩溃。软件决策图如图2