NI Single-Board RIO通用逆變器控制器特性

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

2.性能

由于FPGA具有高度并行的架構，所以它們超過(guò)了DSP的運算能力。實(shí)際上，現代的FPGA都具有專(zhuān)用的DSP元，非常適合傳統的DSP應用。Spartan-6LX45FPGA具有58個(gè)專(zhuān)用的、可完全自定義的低功耗DSP元，結合了高速、小體積的特點(diǎn)，同時(shí)又保證了系統設計的靈活性。

圖15.Spartan-6FPGA與通用DSP的對比

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

除了提供高的運行可靠性，FPGA設備還可以以極快的循環(huán)頻率實(shí)現高確定性的閉環(huán)控制。對于絕大多數基于FPGA的控制應用來(lái)說(shuō)，處理速度的瓶頸都在于傳感器，執行器和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)就可以完成一次運算。

基于FPGA的控制系統提供了超過(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)就可以完成執行。

3.節省開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本

與單核的DSP處理器相比，FPGA數據處理高并行度的特點(diǎn)大大提高了系統的平均美元性能。同時(shí)，相比DSP處理器而言，FPGA還提供了更高的平均瓦特性能。通常來(lái)說(shuō)，FPGA具有更高的板卡級的功率消耗(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可以處理的通道數據密度是DSP的40倍，這就意味著(zhù)FPGA有著(zhù)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算次數的柱狀圖

就平均發(fā)展速率來(lái)說(shuō)，FPGA的平均美元性能每14個(gè)月翻一番。使用商業(yè)現成可用的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，比全自定義的硬件設計付出更少的工作量，并且可以避免重復的開(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，從而大大減少您電力電子控制應用程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間。當您在LabVIEWFPGA和Multisim聯(lián)合仿真環(huán)境下完成了對控制器的測試之后，就可以將相同的代碼部署到FPGA上并用實(shí)際的物理I/O上對其進(jìn)行測試。接下來(lái)您就可以實(shí)現一些改進(jìn)方案并且充分利用FPGA可重配置的特點(diǎn)來(lái)逐步完善您的設計并給出最終設計方案。

Spartan-6產(chǎn)品系統概覽

實(shí)時(shí)仿真工具

使用NISingle-BoardRIOGPIC，您可以實(shí)現HIL仿真來(lái)減少現場(chǎng)測試以及原型開(kāi)發(fā)的成本。您可以將系統的模型(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)現成可用的實(shí)時(shí)目標上，例如NICompactRIO和NIPXI。這些硬件目標都帶有一個(gè)運行實(shí)時(shí)操作系統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的I/O行為并且驗證控制器的運行效果。

使用HIL測試，您可以并行地開(kāi)發(fā)系統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，針對電動(dòng)馬達系統的開(kāi)發(fā)，您可以同時(shí)開(kāi)發(fā)電動(dòng)馬達硬件以及它的引擎控制單元，這樣當您的馬達設計完成的時(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)馬達的控制信號工作于20kHz到25kHz的頻率范圍。為了精確地仿真電動(dòng)馬達，其模型的時(shí)間步長(cháng)必須至少小于控制信號周期的十分之一。這就意味著(zhù)電動(dòng)馬達模型仿真器的運行周期頻率至少要達到200kHz，這個(gè)頻率已經(jīng)大大高于了傳統HIL系統的運行頻率。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HIL仿真結果

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

使用FPGA技術(shù)，您可以調整并提高控制器的設計效率，這樣就可以導入待測單元(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單元(在這里，就是一個(gè)馬達)的相關(guān)參數。這些參數可以用來(lái)對您的設備進(jìn)行全面的檢定并準確地捕捉其非線(xiàn)性行為。