（电力电子与电力传动专业论文）基于udp通信的感应电机调速方法研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n , n e t w o r k , a u t o m a t i o na n d e m b e d d e dt e c h n o l o g y , i n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o ni nm o d e mi n d u c t i o nm o t o rm o n i t o r i n g s y s t e mi sb e c o m i n gm o r ep r o m i n e n t i nc u r r e n t c o n t r o ls y s t e m ，i n d u s t r i a lc o n t r o l i n t e r f a c ea n df i e l d b u sa r em a i n l yu s e da sc o m m u n i c a t i o n , b u tt h e s et w om e a n sa r e o b v i o u s l yi n a d e q u a t ea tt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，b a n d w i d t ha n do p e nc o m m u n i c a t i o n t o a d d l i e s sa b o v ei s s u e s ，e t h e m c ti si n t r o d u c e di n t oa cd r i v es y s t e m e t h e m e th a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha sh i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o n , l o w - p o w e rc o n s u m p t i o n ，e a s yi n s t a l l a t i o n a n dc o m p a t i b i l i t y , t h a tm o t o rc o n t r o lc a ng e to u to fs p a c el i m i t a t i o na n da c h i e v e c o n n e c t i o ns e a m l e s s l yw i t hm a n a g e m e n tn e t w o r k f r o mt h ea s p e c to fo p e na n dr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o n , t h eu d pp r o t o c o l a s 渊m 1 】n j c a t i o nm e t h o da n di n d u c t i o nm o t o ra sa no b j e c t ，t h i st h e s i s m a k eu o f m a t l a bs i m u l a t i o nt e c h n i c ，d s pt e c h n i ca n dc p l dt e c h n i c f i r s t , t h eu d pp r o t o c o lw a s s e l e c tb e c a u s eo fi t sh i g h e re f f i c i e n c y ；a n dt h eo p t i m a ls v p w mw a ss e l e c t e db y s i n m l a t i o n s e c o n d ，d e v e l o p e da n dd e b u g g e dt h eh a r d w a r eo ft h ep r o t o t y p e ，i n c l u d i n g c o n 仃o lc i r c u i t m a i nc i r c u i t ，d i s p l a yc i r c u i t t h i r d ，t h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n ，m o t o r c o n t r o lf u n c t i o na n ds t a t u sd i s p l a yf u n c t i o na r ea c h i e v e d 刀ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n , m o t o rc o n t r o lf u n c t i o na n ds t a t u sd i s p l a yf u n c t i o n a r eve f ：i f i e db ys u f f i c i e n te x p e r i m e n t s e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h ec o n t r o ls i g n a l a n ds t a m si n f o r m a t i o nc a nb et r a n s p o r t e db e t w e e np ca n dt h ec o n t r o l l e ra n de x p e r i m e n t r e s u i th a v ep r o v e dt h ee 毹c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e do p t i m a l c o n t r o ls c h e m ea n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：a cs p e e dc o n t r o l ；u d p ；i n d u c t i o nm o t o r ；s v p w m c i a s s n o ：t m 9 2 1 2 v 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王金j 、 签字日期： 渺7 年7 月2 ，日 7 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：五金鸯，导师签名： 签字日期：缈了年 月1 日签字日期：刁年月2 了日 致谢 本论文的工作是在我的导师张和生副教授的悉心指导下完成的，从论文的选 题、软硬件调试、实验设计到最终论文的撰写，我都得到了导师的悉心指导和亲 切关怀。在这两年里我不仅学到了许多专业知识，更学会了许多做人的道理。导 师渊博的学识、严谨的治学态度和实事求是的工作作风使我终身受益。值此论文 完成之际，向我的导师表示衷心的感谢和诚挚的敬意。 在本课题的研究过程中，邱瑞昌副教授和荆龙老师也给与了我悉心的指导和 帮助，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，程强、孙大南、黄泳均和王少林等同学以及 实验室同研究组的同学们对我课题的研究工作给予了热情帮助，尤其是程强同学， 在硬件方面给了我很多的指导，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 最后，向所有评阅论文的老师、教授、专家和学者表示诚挚的谢意。 引言 1 引言 随着计算机网络技术的迅速发展，以及工业生产对控制技术水平要求的不断 提高，计算机网络技术迅速向工业控制领域渗透，使得控制系统结构向网络化、 开放性方向发展。以太网作为在办公自动化领域应用成熟的网络技术，在工业自 动化和过程控制领域也得到越来越多的应用，成为工业控制领域的热门技术。本 章主要介绍工业以太网通信技术和感应电机控制技术的国内外发展现状，并基于 此引出本课题研究的内容及意义【。 1 1课题研究背景 随着通信、网络、自动化及嵌入式技术的发展，传动系统的远程网络化控制 成为一个趋势，它使得传统的电机控制系统摆脱了空间的限制，通过网络实现了 对设备的远程控制、管理和维护，同时也实现了资源和技术的共享。 目前，工业生产中应用的电机控制系统自动化程度日益提高，系统维护人员 越来越少，设备运行状态集中监控及自动故障诊断功能已成为现代工业生产设备 的重要组成部分，值班人员通过监控系统可以方便快捷地了解现场设备的在线运 行状况，在发生故障时立即采取相应措施进行故障处理。相对于以往的控制方式， 工业通讯在现代感应电机监控系统中的地位表现得日益突出，尤其对于设备运行 状态信号相对控制室距离较远且地理位置分散或环境恶劣的场合。 现有的工业控制系统中主要采用以下两种通讯方式： 一是基于工业控制接口( 如串口、并口、p c i 及u s b ) 。但这种方式多用于现 场通信，在近距离实现数据传输，可扩展性较差，且一般是基于p l c 控制的，属于 d s c 系统，一旦控制出现问题，整个系统将会瘫痪。 二是基于现场总线。但现场总线种类繁多，技术侧重点不同，缺乏可以满足 不同工业应用需求，为各工业领域所普遍接受的统一的现场总线标准，不同总线 设备之间难以实现互操作，互联互换：随着现场设备能力的增强，现场没备交换 的数据量成倍的增长，而现场总线通信速率普遍较低，难以保证通信；此外，现 场总线开放性差，在实际应用中，系统可能采用多种现场总线，从而造成工业控 制网络和数据网络无缝集成难度很大i z j 。 为解决工业控制系统中通信网络扩展性和兼容性的问题，人们的目光纷纷投 向目前在信息网络中广泛应用的以太网。以太网具有传输速度高、低功耗、易于 安装和兼容性好等方面的优势，它支持几乎所有流行的网络协议。目前，以太网 北京交通大学硕士学位论文 已逐渐应用于过程控制系统中，有效解决工业现场的温度、压力等各种工艺参数 的网络化控制和信息管理的问题。而在嵌入式计算、计算机网络测控等技术的支 持下，将运动控制系统、伺服控制、变频调速控制中的各类电机执行机构引入网 络控制系统己成为电机控制领域研究的热点问题之一。电机网络化控制可以在操 作上摆脱安装空间的限制，并能解决从工业现场设备层到控制层、管理层、决策 层等各个层次的信息透明交换问题，实现综合自动化。 根据工业现场设备对实时控制的要求，本课题将t c p i p 协议栈中通信实时性 较高的u d p 协议应用到感应电机调速系统中，并对协议进行简化、改写，提供满 足工业以太网通信需要的，具有最低资源要求的以太网通信协议。同时选择优化 的逆变器s v p w m 调制策略，最大限度地提高电机调速系统的效率。 1 2工业以太网国内外研究现状 基于工业实时以太网的网络控制技术近年来得到快速的发展，而传动控制系 统对网络通讯的实时性和同步性有严格的要求，本节从工业以太网技术出发，对 适应于传动控制系统要求的网络通讯技术进行简单介绍。 以太网是美国施乐( x e r o x ) 公司于1 9 7 5 年研制成功，经过数字设备公司( d 西t a l e q u i p m e n tc o r p ) 和i n t e l 公司联合扩展，于1 9 8 2 年公布的以太网规范，后在此基 础上制定了i e e e 8 0 2 3 的技术规范。以太网络使用c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ，载波监听多路访问及冲突检测技术) 技术，其定义 了在局域网( l o c a l a r e a n e t w o r k ，l a n ) 中采用的电缆类型和信号处理方法【3 1 。 以太网技术走向工业控制领域并迅速发展，主要是因为工业自动化系统不断 向分散化、智能化的实时控制方向发展，其中通信已成为关键技术，用户对统一 的通信协议和网络的要求日益迫切；另一方面，i n t r a n e t 和i n t e m e t 等信息技术的 飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能够实现全面的无缝集成，并提供一 个开放的基础构架。 在控制网络中采用以太网技术无疑有助于控制网络与互联网的融合，实现 e t h e m e t 的e 网到底，使得控制网络无需经过网关转换便可直接连至互联网，使测 控节点有条件成为互联网上的一员，在控制器，p l c ，测量变送器，执行器，i o 卡等设备中嵌入以太网接口，嵌入t c p i p 协议，嵌入w e bs e v e r 便可形成支持以 太网，t c p i p 协议和w e b 服务器的i n t e m e t 现场节点，在应用层协议尚未统一的 环境下，借助通用的网络浏览器实现对生产现场的监测与控制，进而实现对现场 设备的远程监控。 传动控制系统是典型的硬实时控制系统，要求控制器能及时响应外部发生的 引言 随机事件，并以足够快的速度完成对事件的处理，因此，应用在传动控制系统中 的通信方法也需要有严格的时间限制。目前，工业以太网在硬实时控制中的应用 还存在一些问题，如通信的确定性和实时性，网络的稳定性和可靠性等。 1 2 1工业以太网存在的问题 随着互联网技术的发展与普及推广，以太网技术也得到了迅速的发展，目前 工业以太网技术主要有几个问题【4 j ： 1 ) 通信确定性和实时性 工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足工业控制系统 对实时性的要求。由于以太网采用c s m a c d 介质访问控制方式，网络负荷较大 时，网络传输的不确定性难以满足工业控制的实时要求，因此传统以太网一直被 视为非确定性的网络。然而快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太 网的非确定性问题带来了新的契机。首先，以太网的通信速率从1 0 m 增大到如今 的1 0 0 0 m ，1 0 g ，使得网络碰撞机率大大下降。其次，交换式以太网的应用使各端 口之间数据碰撞限制在本网段。再次，全双工通信又使接收数据和发送数据不再 发生冲突。 目前，实时以太网( 已经在传动控制系统中得到了应用，如p r o f i n e tv 2 v 3 和m o d b u s i d a 等。 2 ) 网络稳定性和可靠性 以太网进入传动控制领域的另一个主要问题是，其所用的接插件、集线器、 交换机和电缆等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计。 随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为了解决在恶劣的工业 环境中网络也能稳定工作的问题，美国s y n e r g e t i c 公司和德国h i r s c h m a n n ，f e t t e r a g 等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，安装在标准d i n 导轨 上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的d b 9 结构。国内也有这方面产品面世。 此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏 蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力 和可靠性。 1 2 2工业以太网发展趋势 由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富和应用 支持技术成熟等优点，目前它已在工业企业综合自动化系统中的信息层与控制层 得到广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。未来工业以太 网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之问的互连和信息集成中发挥越来 3 北京交通大学硕士学位论文 越重要的作用。总的来说，工业以太网技术的发展趋势体现在以下两个方面【5 】： 1 1 工业以太网与现场总线相结合 工业以太网技术的研究只是近几年才引起国内外工控专家的关注。而现场总 线经过十几年的发展，已形成了一定的市场规模。就目前而言，全面代替现场总 线还存在一些问题，需要进一步深入研究。因此，近段时间内，工业以太网技 术的发展将与现场总线相结合。 这方面比较典型的应用有法国旋耐德公司推出“透明工厂的概念，即将工 厂的商务网、车间的制造网络和现场级的仪表、设备网络构成畅通的透明网络。 2 ) 工业以太网直接应用于现场设备己成大势所趋 以太网通信速率的提高、全双工通信以及交换技术的发展，使得太网通信确 定性的解决提供了技术基础，从而为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供 了技术可能。为此，国际电工委员会i e c 正着手起草实时以太网( r e a l t i m ee t h e m e t r t e ) 标准，旨在推动以太网技术在工业控制领域的全面应用。针对这种形势，我 国的一些科研院所在国家“8 6 3 ”计划的支持下，开展了e p a ( e t h e m e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ) 技术的研究，重点是研究以太网应用于工业现场设备间通信的关键技 术，并取得了重大突破。 1 3s v p w m 调制方法研究现状 空间矢量p w m 技术由日本g i f u 大学的y o s h i h i r om u r a i 教授于1 9 8 7 年在全数 字化逆变器的新型p w m 方法一文中提出，标志着s v p w m 技术的正式问世。 s v p w m 技术一经问世就受到学者们的高度重视，该技术具有独特的矢量调制 方式，从电动机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即讵 弦磁通。它以电动机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实 际磁通去逼近基准圆磁通，并由比较结果决定逆变器的开关状态。s v p w m 技术以 其结构简单、易于数字化实现、开关频率低、效率高的特点越来越广泛地应用于 传动系统和变频电源装置中。 近年来，借助于先进的数字处理器d s p 等工具，p w m 数字化控制策略更是 不断翻新，目前已经提出并得到实际应用的p w m 控制方案就不下十几种。从最初 追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩 脉动最少，再到消除噪声等，p w m 控制技术的发展经历了一个不断创新和完善的 过程。相比较而言，s v p w m 技术已经发展成为一种重要的p w m 技术。同时逆变 器一电机系统的控制效果仍很大程度上取决于p w m 方式，所以p w m 方式的选择 对电机输出效果的影响就成为了国内外学者竞相研究的热点之一【6 】。文献 7 着重 4 引言 对如何在开环条件下利用s v p w m 技术实现低转矩脉动、减少电流畸变，主要途 径就是采用劈零矢量的控制方式，减少磁链频率的波动，实现了平滑、稳定的转 矩特性。w a l c z y n a 等人融入了自适应控制技术，硬件上实现了三电平p w m 逆变 器，使得定子磁链的瞬时速度误差减少，电流畸变谐波减少，多使用在大功率、 高频场合，减少了电机参数的变化对电机电流输出的影响【鲫。 1 4技术路线 在以往研究成果的基础上，本课题在设计和实现上采用课题基础理论研究 原型系统研制一模型搭建的技术路线，具体如图1 1 所示： 模型 在实验数据与基本理论的基础上构建阿络控制系统的数学模型 搭建 一一一一一一一一_ 实验 系统基于d s p 与c s 8 9 0 0 的网ll 逆变器电机f电压电流速度l 软件系统 研制 络控制器及数据处理器ll 系统的搭建i 温度采集电路j 开发 一一一一一一一一一一一仁一一一一一一一一一一一 理论 通过选择优化的电机的控制策略选 采用i j d p 通信协议，减小 网络开销，减 ，| m a t l a b l 研究 择，提高电机综合运行性能 + 1 i i 仿真验证 少传输延迟，增加数据传 输的实时性 jl 一一一二+ 一一一一一十一一一一一一一一一+ 一一一 电机控制 网络基本理 i a t i a b 中仿 基于d s p 课题理论基础 论及网络协 真实现方法 与c s 8 9 0 0 议 的控制器 基础 课题理论基础 课题实现基础 1 5研究内容 图1 1 课题技术路线图 f i g u r el lt h ep r o j e c t st e c h n o l o g yr o a d m a p 本课题完成了感应电机网络控制系统的软硬件设计和调试，主要工作内容包 5 北京交通大学硕十学位论文 括以下几点： 分析工业以太网主要协议，确定实时性较高的u d p 协议做为电机控制系 统的通信方法； 分析s v p w m 的基本原理、优化策略理论，并作了仿真研究，确定逆变器 异步电动机系统的控制策略； 设计并调试调速系统的主电路、控制电路、检测电路、通信电路、显示电 路，实现电机优化控制策略及u d p 通信软件，并进行实验结果分析。 1 6论文结构 本论文通过七个章节对课题研究内容进行叙述： 第一章分析了电机控制技术及其网络通信技术的国内外研究现状，详细介绍 了工业以太网通信技术研究现状及发展趋势。 第二章分析了以太网体系结构及协议，包括物理层、数据链路层、网络层的 a r p 协议和i p 协议、传输层的u d p 协议。 第三章分析了s v p w m 调制技术的基本原理，根据零矢量不同分配方式得到 几种常用的优化s v p w m 控制方法，并根据谐波特性和损耗选择最优调制策略。 第四章介绍了系统硬件平台的搭建，包括主电路的设计，d s p 控制板的设计， 检测电路板的设计、通信部分和显示部分电路的设计。 第五章介绍了系统软件设计流程，包括u d p 通信软件的设计、电机控制系统 的设计、检测软件、显示部分软件设计及实现方法。 第六章设计了实验并对实验结果进行分析，包括u d p 通信实验结果、电机控 制系统的实验结果，检测部分的实验结果，显示部分的实验结果。 第七章对研究内容作了总结和展望。 6 以太网协议分析 2 以太网协议分析 一般来讲，控制系统网络可分为3 层：信息层、控制层和设备层( 传感执行层) 。 传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一般采用不同的 现场总线或其他专用网络。目前，以太网已经渗透到了控制层和设备层，采用以 太网架构以后，控制器的位置也可以突破传统网络架构的限制，可以位于现场， 也可以位于中央控制室。工业以太网体系结构中，以太网作为连接智能控制模块 的系统总线，其关键环节就是在现场级的节点控制模块中实现t c p i p 网络通信协 议。随着电子和信息技术的高速发展，通过软件方式将t c p i p 协议嵌入到节点模 块已经成为可能。本章从工业控制应用的角度分析工业以太网的协议体系结构。 包括物理层、数据链路层和主要的通信协议，如a r p 、u d p 等。 2 1以太网网络协议体系结构 网络协议体系结构主要包括两方面的内容，一是网络协议的层次结构，另一 方面是各层的功能描述【9 1 。以太网是i e e e 8 0 2 3 所支持的局域网标准。按照国际标 准化组织开放系统互连参考模型( i s o o s i ) 的7 层结构，以太网标准本质上只是一 个物理层标准，其只定义了数据链路层和物理层。以太网是当今局域网采用的最 通用的通信协议标准，但作为一个完整的通信系统，还需要高层协议的支持驴在 商用网络中，以太网+ t c p p 是应用最普遍的技术，并成为事实上的通信协议标准。 工业以太网模型既要遵循开放系统集成的原则，又要考虑到满足实时性要求 和工业控制网络的低成本。因此，为了提高系统的灵活性并降低成本，以太网接 口部分采用了嵌入式解决方案，在不违背协议标准的前提下对传统的t c p i p 加以 改进，并进行了合理的简化。对t c p i p 协议的适当简化不但能够减少协议对存储 空| 白j 的占用并提高程序代码运行效率，同时也提高了系统的实时性，并保证了控 制指令和状态信息的实时可靠传输，从而满足工业控制领域对网络通信的应用要 求【1 0 1 。 应用于嵌入式系统的t c p i p 协议通常采用一种简化的四层模型，分别为：应 用层、传输层、网络层、链路层，它的实现按不同层次开发，每一层分别负责不 同的通信功能。工业以太网的网络协议模型与o s i 七层参考模型的比较如图2 1 所示。 7 北京交通大学硕士学位论文 o s l 参考模型 应用层 表示层 会话层 运输层 网络层 数链层 物理层 以太网模型 应用层 运输层 网络层 数链层 物理层 e e e 8 0 2 3 图2 1o $ i 参考模型与以太网模型对比 f i g u r e2 - 1c o m p a r i s o no fo s ir e f e r e n c em o d e la n de t h e m e tm o d e l 2 2物理层和数据链路层 模型的物理层与数据链路层由i e e e 8 0 2 3 标准定义。物理层为现场设备与通信 传输媒体的连接提供机械和电气接口，用于实现现场物理设备与总线之间的连接， 包括机械特性、电器特性、功能特性、和规程特性。一方面接受来自数据链路层 的信息，按以太网技术规范，对数据帧加上前导码与定界符，并对其实行数据编 码，再经过发送驱动器，把所产生的物理信号传送到总线的传输媒体上，起到发 送器的作用；另一方面又从总线上接收来自其他设备的物理信号，经过解码后， 把数据信息送往数据链路层，起到接收器的作用。 在物理层上面的数据链路层负责为网络提供设计良好的服务接口，确定如何 将物理层的比特组成帧，处理传输差错，调整帧的流速等，以确保物理层实现可 靠数据传输。在以太网协议中，数据链路层又被分成两个子层：逻辑链路控制子 层( l o g c a ll i l l l 【c o n t r o l ，l l c ) 和介质访问控制子层( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 。 与接入到传输媒体有关的内容都放在m a c 子层，而l l c 子层与传输媒介无关， 无论采用何种协议的局域网对l l c 子层来说都是透明的。 帧是以太网系统中的核心概念，是所传输的数字信息的最终组成形式。标准 的i e e e8 0 2 3 帧格式如图2 3 所示，由以下七个部分组成：前导码、帧开始界定 符、目的地址、源地址、数据长度、数据域和帧校验字。 一：一。i i一一丁一 界定符l 目的地址l 源地址类型，长度 数据域：c r c 图2 - 3i e e e8 0 2 3 帧格式 f i g u r e2 - 3c o m p a r i s o no f o s ir e f e r e n c em o d e la n de t h e m e tm o d e l 8 以太网协议分析 2 3网络层 网络层涉及的是将源端发出的分组经过各种途径发送到目的端。网络层包括 以下几种协议【9 】： 因特网网际协议( i n t e m e tp r o t o c o l ，i p ) 地址解析协议a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 逆地址解析协议r a r p ( r e v e r s ea d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 因特网控制报文协议i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 因特网组管理协议i g m p ( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 2 3 1网际协议i p 网际协议口是t c p i p 体系中两个最主要的协议之一，也是最重要的因特网标 准协议 r f c 7 9 1 之一，该协议是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。 在因特网中，它能使连接到网上的所有计算机网络实现相互通信，并且规定了计 算机在因特网上进行通信时应当遵守的规贝i j t 9 1 t l o i 。 网络中每个主机和网关设备上都有i p 模块，数据报在一个个模块问通过路由 处理网络地址传送到目的地址。i p 在提供网络层服务时，采用了统一的报头，以 使处于各子网中的m 都能根据报头对数据作出相应的处理。 1 1 ) i p 协议主要提供如下功能： l 疋协议提供一种不可靠的和无连接的数据包传送服务。每个数据报相 互独立，均含有源地地址和目的地址，可以独立地进行发送和路由选择。不可靠 是指其不能保证口数据报成功到达目的地。i p 仅提供最好的传输服务。如果发生 某种错误时，i p 会丢弃该数据报，然后发送i c m p 消息给信源端。无连接是指i p 并不维护任何关于后继数据报的状态信息。 2 分段和重组。如果路由接收到的数据报太长，不能在下一个网络上发送时， i p 协议就要将数据报划分成多个小的分段，把源地址和目的地址复制到每个分组 中，并作为一个个i p 分组发送出去，仅当这些分组全部到达目的地时，被重组为 原来的数据报，如果其中某些分组在传送时丢失，则目的主机丢弃整个报文。在 实际传送过程中，数据报还要能根据所经过网络规定的分组大小来改变数据报的 长度，m 数据报的最大长度可达6 5 5 3 5 个字节。 3 流控制。当m 分组到达某个路由器或主机时，由于它们的速度太慢以至于 来不及处理，就会造成分组的丢失，i p 协议检测到这种情况即将发生前，就要给 发送分组或报文的源主机发送一个i c m p 的源主机抑制报文，要求源主机放慢发 送分组的速度。 9 北京交通大学硕士学位论文 2 ) i p 数据报的格式 口数据报的格式能够说明i p 协议都具有什么功能，在t c p i p 的标准中，各 种数据格式常常以3 2 b i t ( 目p4 字节) 为单位来描述。图2 4 是完整的i p 数据报格式。 0 371 52 0 3 1 版本首部长度服务类型总长度 标识标志片偏移 生存时间协议首部校验和 源地址 目的地址 可选项 数据 图2 _ 4i p 数据报的格式 f i g u r e 2 - 4f o r m a to f i p 从图2 4 中可知，i p 数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定 长度的2 0 个字节，后一部分长度可变。下面介绍首部各字段的意义： 版本：占4 b i t ，指i p 协议的版本。通信双方适用的口协议的版本必须一致。 首部长度：首部占3 2 b i t 字的数目，包括任何选项。首部最长为6 0 个字节。 服务类型：占8 b i t ，以此用来获得更好的服务。 总长度：总长度指首部和数据之和的长度，最大为6 5 5 3 5 字节( 且 j 6 4 k b ) 标识：占1 6 b i t ，它是一个计数器，用来产生数据报的标识。 标志：占3 b i t ，目前只有前两个比特有意义，用于数据分片。 片偏移：较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置。 生存时问：数据报在网络中的寿命。 协议：占8 b i t ，用于告诉目的主机i p 层应将此数据报上交给哪个进程。 首部检验和：此字段只检验数据报的首部，不包括数据部分。 2 3 。2地址解析协议a r p 在任何时候，当主机或路由器需要找出这个网络上的另一个主机或者路由器 的物理地址时，必须有接收段的m 地址。但是i p 地址并不能直接用来进行通信， 这是因为i p 地址只是主机在抽象的网络层中的地址，若要把网络层中传送的数据 交给目的主机，还要传到链路层转变成m a c 帧后才能发送到实际的网络上。因此， 不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必 须使用物理地址。 1 0 以太网协议分析 这就表示，发送端必须有接收端的物理地址。因此在主机中，需要存放一个 从m 地址到物理地址的映射表，并且这个映射表还必须能够经常动态更新。 地址解析协议a r p 很好的解决了这个问题，它能把p 地址和它的物理地址关 联起来。任何时候当主机或者路由器需要找出这个网络上的另一个主机或路由器 时，它就发送a r p 查询组。这个分组包括发送端的物理地址和口地址，以及接收 端的地址。因为发送端不知道接收端的物理地址，查询就在网络上广播。 在网络上的每一个主机或路由器都接收和处理这个a r p 查询分组，但只有意 图中的接收者才识别a r p 分组的m 地址，并发回a r p 响应分组。这个响应分组 包含有接收者的地址和物理地址。这个分组用单播直接发送给查询者，它使用 收到的查询分组中所有的物理地址。 如图2 5 为a r p 的分组格式，其中对于a r p 请求报文，因为发送端发送a r p 时并不知道目标的物理地址，所以目标硬件地址字段为全l 。 硬件类型协议类型 硬件长度协议长度操作：请求，应答 源硬件地址：以太网为6 字节 源l p 地址：以太网为6 字节 爹。+ ”7 目的物理地址：以太网为6 字节 。， 。 。 ，7 譬 7 i 目标i p 地址：以太网为6 字节 图2 - 5 a r p 的分组格式 f i g u r e2 - 5f o r m a to f a r p 需要指出的是，a r p 是解决同一个局域网上的主机或路由器的i p 地址和物理 地址的映射问题。如果所要找的主机不在同一个局域网上，那么主机就无法解析， 这种情况下，它需要先解析所要传送i p 数据报的中问路由器的物理地址，并通过 该路由器转发i p 数据报。 除了地址解析协议a r p 外，还有逆地址解析协议r a r p 。和a r p 相反，r a r p 能使一个只知道自己的物理地址的主机知道其i p 地址。 2 4传输层 传输层是整个网络体系结构中的关键层次之一，属于一种主机与主机之间的 协议，面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层。主要负责在源主 机和目的主机之间端到端的通信，因此传输层协议软件只能在主机上运行，但底 层协议则出现在主机和通信节点机之问。根据应用的不同，工业以太网在传输层 北京交通大学硕士学位论文 上有两种主要的协议【9 】【1 1 1 ： 无连接的用户数据报协议u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 面向连接的传输控制协议t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 2 4 1用户数据报协议u d p u d p 提供一种不可靠无连接的传输服务，使用u d p 的应用程序要承担可靠性 方面措施包括报文的丢失、重复、时延以及连接失效等问题，否则基于u d p 的程 序在局域网上运行很好但在大型的互联网无法运行。 u d p 在传送数据之前不需要先建立连接。远地主机的传输层在收到u d p 报文 后，不需要给出任何确认。虽然u d p 不提供可靠交付，但在某些情况下u d p 却 是一种最有效的工作方式。 1 1 ) u d p 的特点 用户数据报协议u d p 只在i p 的数据报服务之上增加了很少一点的功能，这就 是端口的功能( 有了端口，传输层就能进行复用和分用) 和差错检测的功能。虽 然u d p 数据报只能提供不可靠的交付，但u d p 在某些方面有其特殊的优点： ( 1 ) u d p 是无连接的，即发送数据前不需要建立连接( 当然发送数据结束时也 没有连接可以释放) ，因此减少了开销和发送数据之前的时延。 ( 2 ) u d p 使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，同时也不使用拥塞控制， 因此主机不需要维持具有许多参数的、复杂的连接状态表。 ( 3 ) u d p 没有拥塞控制，因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。 这对某些实时应用是很重要的。在要求数据有较小时延时，u d p 比较合适。 ( 4 ) u d p 是面向报文的。这就是说，u d p 对应用程序交下来的报文不再划分为 若干个分组来发送，也不把收到的若干个报文合并后再交付给应用程序。应用程 序交给u d p 一个报文，u d p 就发送这个报文；而u d p 收到一个报文，就把它交 付给应用程序。因此，应用程序必须选择合适大小的报文。若报文太长，u d p 把 它交给i p 层后，i p 在传送时可能要进行分片，这会降低i p 层的效率。反之，若报 文太短，u d p 把它交给i p 层后，会使i p 数据报的首部相对变大，这也会降低i p 层的效率。 ( 5 ) u d p 支持一对一、一对多和多对多的交互通信。用户数据报只有8 个字节 的首部开销，比t c p 的2 0 个字节的首部要短。 虽然某些实时应用需要使用没有拥塞控制的u d p ，但当很多的源主机同时都 要向网络发送高速率的实时视频流时，网络就有可能发生捐j l 塞，结果大家都无法 正常接收。因此u d p 不使用拥塞控制功能可能会引起网络产生严重的拥塞问题。 2 1u d p 报文的结构 1 2 以太网协议分析 用户数据报u d p 有两个字段：数据字段和首部字段。如图3 6 所示，u d p 的首 部仅包括四个数据字段，分别为源端口、目的端口、u d p 数据报长度和检验和， 每个字段都是两个字节，各字段意义如下所示： ( 1 ) 源端口字段和目的端口字段 包含了1 6 b i t 的u d p 协议端口号，主要用于寻找发送端和接收端应用进程，通 过这两个值再加上p 首部的源i p 地址和目的口地址可以唯一确定一个u d p 数据的 传送，u d p 的端口号和t c p 的端口号是相互独立的。 ( 2 ) 长度字段 记录了该u d p 数据报的字节数，这个长度包括了首部和用户数据段，因此长 度字段的最小值是8 ，即首部的长度。 ( 3 ) 检验和字段 u d p 数据的校验和覆盖u d p 首部和u d p 数据，u d p 数据的校验和是一个端到 端的校验和。由发送端进行计算而由接收端进行验证，主要目的是为了发现u d p 首部和数据在发送端和接收端之间发生的任何改变。设计者把这个字段作为可选 项的目的，是为了那些在可靠性很好的局域网上使用u d p 的实现者尽量减少开销。 字节4 41 12 发送在前， 、r 1 卜u d p 用户数据报 - l - i p 首部i数据 - 一i p 数据报 图3 - 6u d p 用户数据报的首部和伪首部 f i g u r e3 - 6h e a da n df a k eh e a do fu d p u d p 用户数据报首部巾检验和的计算方法有些特殊。在计算检验和时在u d p 用户数据报之前要增加1 2 个字节伪首部。所谓“伪首部”是因为这种伪首部并不 是u d p 用户数据报真j 下的首部。只是在计算检验和时，临时和u d p 用户数据报连 1 3 北京交通大学硕士学位论文 接在一起，得到一个过渡的u d p 用户数据报。检验和就是按照这个过渡的u d p 用 户数据报来计算的。伪首部既不向下传送，也不向上递交。图3 6 给出了伪首部各 字段的内容。 2 4 2传输控制协议t c p 传输控制协议t c p 是专门设计用于在不可靠的以太网上提供可靠的、端到端 的字节流通信协议。在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结束后要释放连 接。t c p 的数据传输过程中，发送方的应用进程按照自己产生数据的规律，不断 地把数据块陆续写入到t c p 的发送缓存中，并将其组成t c p 报文段逐个传送给i p 层，然后发送出去。接收方从i p 层收到t c p 报文段后，先把它暂存在接收缓存中， 然后让接收方的应用程序从接收缓存中将数据块逐个读取，重新组合成为原来的 字节流。 由于传输层的通信是面向连接的，因此t c p 每一条连接上的通信只能是一对一 的，而不可能是一对多、多对一或者多对多的。同时t c p 要提供可靠的、面向连接 的传输服务，不可避免地增加了许多的开销，如确认、流量控制、计时器以及连 接管理等。这不仅使协议数据单元的首部增大很多，还有占用许多的处理器资源。 2 5本章小结 在工业以太网中如何选择传输层协议类型很关键。如果要与现有的应用程序 通讯，必须使用与其相同的协议类型。在实际应用时，协议类型的选择与实际的 应用系统有直接的关系，选择不同的协议类型可能对系统的性能有很大的影响。 t c p 协议在一对计算机间建立一种双向链接，接收者接收后要响应发送者， 检验数据的有效性，以保证数据能无误地传送到接收方，如丢包或出错，需要发 送方重发。而u d p ，发送方不会接到响应，而接收者不用操心数据传送。因此t c p 比u d p 要可靠。但t c p 协议在通信之前需要建立连接，在通信过程中其确认和重 传机制会占用c p u 很多时问和资源，从而大大降低控制系统的实时性。相比而言， u d p 不需要建立连接和确认，且数据报头部非常短，传输更有效率，特别是对于 那些数据量比较小的数据包来说这一点更为突出，适于实时性要求较高的场合。 电机调速控制是典型的硬实时系统，要求通信设备有较小的传输延迟，基于以上 原因，本课题选用u d p 协议作为感应电机调速系统的通信方法。 1 4 电机优化调制策略仿真分析 3 电机优化调制策略仿真分析 在网络化的感应电机调速系统中，除了系统的通信方式外，逆变器的调制策 略也是一个关键环节，p w m 调制方法的优劣直接影响到逆变器功率器件的开关损 耗，电动机的转矩特性，谐波损耗以及整个设备的电磁兼容性能，是整个系统稳 定工作的前提之一。因此，选择优化的调制方法对交流调速系统的长期可靠运行 起着至关重要的作用。基于此，建立感应电机调速系统时，提高电机控制系统的 效