基于FPGA平臺的工業(yè)電機最大效率實(shí)現

　　RIO架構目前已被用于多款系統中，如EUROelectronics等公司的系統。借助該架構，從產(chǎn)品原型設計到最終機械設備完成，EUROelectronics只用了3個(gè)月的時(shí)間。

　　縮短機械設計時(shí)間

　　無(wú)刷DC和永磁同步AC電機(PMSM)二者通常組成無(wú)刷DC電機(BLDC)，其集成式控制非常復雜，是一個(gè)挑戰。許多機械制造商都缺乏構建嵌入式控制器方面的軟硬件設計經(jīng)驗，難以讓嵌入式控制器在各種類(lèi)型的模擬和數字傳感器上實(shí)時(shí)執行閉環(huán)控制。

　　為了縮短嵌入式機械制造商的最終設計時(shí)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。這種基于FPGA的配置包括基于Virtex-5 LX85到Spartan-3的系統，以及基于Virtex-II 1M門(mén)的背板，配合基于PowerPC 603e的處理器，能夠滿(mǎn)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

　　在RIO框架中集成配置軟件實(shí)用程序和動(dòng)態(tài)I/O重構功能可節約設置時(shí)間，而且終端應用編程人員和數字設計工程師還能重復使用有關(guān)資源。配置軟件能自動(dòng)檢測系統中安裝的定制硬件。I/O外設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，驅動(dòng)程序軟件及相關(guān)API不能適當執行或返回具體器件的故障，就會(huì )出現問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，軟件開(kāi)發(fā)人員通常會(huì )創(chuàng )建模擬子例程，臨時(shí)替代應用中的I/O電路代碼。這種方法難以立即開(kāi)始應用開(kāi)發(fā)，而且幾乎不能調試代碼。RIO中間件驅動(dòng)程序架構包括相關(guān)功能，可將模擬代碼直接集成到函數驅動(dòng)程序中，從而簡(jiǎn)化代碼的重復使用與故障調試。

　　圖2 嵌入式中間件軟件設計分級圖

　　圖2所示為嵌入式中間件軟件設計分級圖。這種中間件驅動(dòng)程序和系統服務(wù)在成千上萬(wàn)種已經(jīng)部署的機械設計應用中都證實(shí)了自己的功能。并行和多線(xiàn)程安全型嵌入式中間件驅動(dòng)程序是RIO的有機組成部分。機械制造商可同時(shí)從多個(gè)線(xiàn)程調用多線(xiàn)程安全型和可再入函數，同時(shí)還能確保正常工作，避免阻塞現象，這對并行代碼的編寫(xiě)和性能優(yōu)化都是非常重要的特性。不具備可再入執行功能的驅動(dòng)程序會(huì )影響性能，更糟的是還會(huì )導致崩潰。代碼必須等其他線(xiàn)程使用完每個(gè)函數后才能訪(fǎng)問(wèn)函數?？稍偃胄钥杀苊獯a中任何不必要的依賴(lài)性。

　　 BLDC和PMSM的定子纏繞方式有別。BLDC的定子旋轉時(shí)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(xiàn)。

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