時間:2013-01-14 16:51:52來源:NI
概述
使用NI Single-Board RIO通用逆變器控制器(general-purpose inverter controller - GPIC)來幫助您更快地將設計中的電網(wǎng)功率轉換器發(fā)展至大規(guī)模的商業(yè)生產與產品部署。在行業(yè)認可的LabVIEW圖形化系統(tǒng)設計環(huán)境軟件的支持下,NI的Single-Board RIO GPIC可以方便地完成逆變器應用的設計、開發(fā)和部署。LabVIEW是直觀的圖形化編程環(huán)境,它使用拖放式的圖形對象操作,提供各種靈活,高級的應用編程接口,可以幫助您快速地開發(fā)強大的具有專業(yè)用戶接口的應用程序。
LabVIEW和NI Single-Board RIO GPIC讓您可以方便地使用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)技術,這樣您就可以定義自己的控制電路,而且與傳統(tǒng)的用戶定義硬件方法相比可以減小系統(tǒng)的復雜度并節(jié)約開發(fā)成本。
現(xiàn)在,您可以在一個具有完整功能的電力電子聯(lián)合仿真環(huán)境中設計LabVIEW FPGA控制代碼。這表示您可以在NI Single-Board RIO GPIC上快速地開發(fā)并驗證高級的高效電力電子應用和控制IP并對其進行部署,而不需要掌握VHSIC硬件描述語言如VHDL或Verilog。
Multisim是一款集成了電路仿真(SPICE)環(huán)境的仿真程序,可以幫助完成電子電路的設計,原型化和測試。您可以快速并直觀地從大量預設的SPICE模型中選取電力電子元件(如電機、Buck-Boost電能轉換器,電磁干擾濾波器,PWM控制器和更多相關元件)來創(chuàng)建電力電子電路,預設模型來自各大半導體生產廠家,例如Analog Devices, NXP, ON Semiconductor和Texas Instruments;選取它們并放置在編輯界面上,再正確連線即可。
Multisim可以與LabVIEW完全集成,這樣您就可以通過Multisim和LabVIEW之間的集成完成逐點模擬,然后將仿真結果與從連接到FPGA板卡上的實際硬件上采到到的實時數(shù)據(jù)進行對比,同步地測試您的控制算法。
通過LabVIEW和Multisim聯(lián)合仿真,你可以在一個高保真的仿真環(huán)境中獲取數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬電力電子電路之間的交互,幫助您完成LabVIEW FPGA代碼的開發(fā)。在LabVIEW FPGA和Multisim聯(lián)合仿真的過程中,兩個獨立的仿真程序將同時進行非線性的時域仿真,然后在每一個時間步長結束的時候交換數(shù)據(jù)并共同決定未來的仿真步長,這樣就可以帶給您高度集成的精確的仿真結果。您可以得到模擬電路的高速瞬態(tài)響應行為和它與基于FPGA的控制系統(tǒng)之間的交互響應。例如,如果一個電感器中的電流正在振蕩,仿真程序會自動地縮小步長,放慢仿真節(jié)奏來獲取數(shù)字控制電路的效果。
這樣,您就可以在仿真的環(huán)境中開發(fā)實際的LabVIEW FPGA代碼并將其直接移植到物理的FPGA目標上,不需要花費額外的操作。LabVIEW開發(fā)環(huán)境支持完全的雙向開發(fā)途徑。在任何開發(fā)階段對圖形化代碼所作的修改-從原型化到后期制作-系統(tǒng)都將自動地對應用中所有引用的代碼進行更新。
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使用Multisim和LabVIEW完成電力電子聯(lián)合仿真設計指南
使用NI Multisim和LabVIEW進行三相逆變器的完整系統(tǒng)仿真
使用LabVIEW控制設計和仿真模塊來加快系統(tǒng)開發(fā)并測試您的控制算法。這個模塊提供了各種工具來幫助您使用傳遞函數(shù),狀態(tài)空間或零極點增益表達式來構建被控對象和控制模型;使用例如階躍響應、零極點圖、波特圖等工具來分析系統(tǒng)性能以及仿真系統(tǒng)行為。
圖3. LabVIEW控制設計和仿真模塊
使用LabVIEW工具鏈,您可以開發(fā)各種控制算法 -從簡單的比例積分微分(PID)控制到高級的動態(tài)控制例如模型預測控制。您可以使用控制設計與仿真面板從基本原理開始來創(chuàng)建您的對象模型,或者從Multisim中導入模型。如果您想加速原型化進程,也可以將FPGA節(jié)點導入您的模型,這樣可以更精確地對硬件I/O進行表示。
下面的范例展示了一個直流有刷電機驅動器控制器,該控制器使用LabVIEW控制設計與仿真模塊設計,并且使用了LabVIEW和Multisim進行聯(lián)合仿真。
圖4. 直流有刷電機控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真
該控制器由一個正交解碼器、一個PI控制器、一個PWM波型發(fā)生器和一個H-橋驅動器(圖4中的第1項至第4項)構成。對于這個設計,默認的板載40MHz FPGA時鐘確保了高分辨率,20KHz,小占空比和小死區(qū)時間的PWM數(shù)字脈沖的生成。仿真框圖中的FPGA節(jié)點配置為以離散時間執(zhí)行,就像該代碼是在硬件FPGA芯片上執(zhí)行一樣,以此來仿真代碼精確的時域行為。LabVIEW FPGA具有代碼可并行執(zhí)行和執(zhí)行延遲低的優(yōu)勢,非常適合進行逆變器控制算法開發(fā)。可以在控制器設計階段就對FPGA的行為進行仿真可以在較早的開發(fā)階段就確保系統(tǒng)具有精確的性能。
一代算法設計完成,借助針對快速控制原型設計與硬件在環(huán)(HIL)應用的LabVIEW實時模塊,您可以不需要生成代碼就方便地將動態(tài)系統(tǒng)部署到實時硬件目標上。
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使用LabVIEW電力電子套件和電力電子IP核庫,借助內置的針對各種應用的VI(LabVIEW代碼),您可以減少開發(fā)時間和項目成本。使用該套件,您可以創(chuàng)建一個集電力電子參數(shù)測量,分析,監(jiān)視與記錄為一體的應用程序。您可以使用電力電子VI來測量電壓,電流和頻率;測量功率和能量值;分析電壓和電流事件;綜合并記錄數(shù)據(jù)。
圖5. LabVIEW電力電子套件函數(shù)面板。
LabVIEW電力電子套件符合以下標準
用于電力電子和運動控制(部分屬于LabVIEW NI SoftMotion模塊)的IP核可以幫助您使用適用于各種功能的現(xiàn)成可用的IP核,包括用于三相永磁體同步和直流無刷電機/發(fā)電機以及逆變器的梯形和空間矢量換相器;Clarke和Park變換;三相鎖相環(huán);矩陣向量乘法和多通道的PID算法。
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用于LabVIEW FPGA的全新電力電子IP庫(包括LabVIEW SoftMotion 2011 f1)
借助LabVIEW兼容分布式網(wǎng)絡協(xié)議(Distributed Network Protocol-DNP3)和IEC 60870-5開放式通訊協(xié)議的優(yōu)勢,您開發(fā)的功率轉換器可以直接用于智能電網(wǎng)。針對DNP3和IEC 60870-5的NI-IndCom軟件驅動可以讓您使用LabVIEW函數(shù)來創(chuàng)建DNP3和IEC 60870-5分支站點應用程序。您可以在Windows電腦上使用這些函數(shù)來進行編程開發(fā),然后將其部署到NI Single-Board RIO GPIC目標上來完成現(xiàn)場應用。
圖7. DNP3和IEC 60870-5 LabVIEW VI
該軟件驅動支持以太網(wǎng)和串行通訊、文件傳輸、主站點和分支站點之間的時間同步。您也可以為每一個分支站點分配多個通訊通道以及為每個通道分配多個線程(邏輯設備)。
該軟件驅動支持以太網(wǎng)和串行通訊、文件傳輸、主站點和分支站點之間的時間同步。您也可以為每一個分支站點分配多個通訊通道以及為每個通道分配多個線程(邏輯設備)。
1. 創(chuàng)建分支站點函數(shù)將LabVIEW目標轉換為一個DNP3分支站點,并且設置檢查輸入和發(fā)送響應的掃描頻率。
2. 創(chuàng)建通道函數(shù)可以創(chuàng)建一個通訊通道,并且將DNP3協(xié)議的物理層,鏈路層和傳送功能封裝在這個通道中。同時它可以設置允許連接到該分支站點的主機的端口和IP地址。在一個分支站點上可以同時創(chuàng)建多個通訊通道。
3. 創(chuàng)建線程函數(shù)可以在通訊通道中創(chuàng)建一個本地設備(服務器)與遠程設備(客戶端)之間的連接。在同一個通訊通道中可以創(chuàng)建多個線程。
4. 寫入函數(shù)可以將八種數(shù)據(jù)類型中的一種(包括模擬輸入)寫入到某個數(shù)據(jù)點索引中。它還可以同時生成一個相應的事件和對象標志。
5. 清除線程函數(shù)可以清除創(chuàng)建線程函數(shù)所創(chuàng)建的線程。
6. 清除通道函數(shù)可以清除創(chuàng)建通道函數(shù)所創(chuàng)建的通訊通道。
7. 清除分支站點函數(shù)可以清除創(chuàng)建分支站點函數(shù)所創(chuàng)建的分支站點引用。
用于DNP3的NI-IndCom可以讓主機站點從使用LabVIEW編程的分支站點上上傳和下載文件。針對分支站點的時間同步,可以使用時鐘時間屬性節(jié)點來設置時鐘同步的頻率或者手動請求一次重同步。
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使用NI 9683商業(yè)現(xiàn)成可用,經(jīng)過驗證的GPIC開發(fā)板,您可以加快您電力電子控制應用的上市時間。NI Single-Board RIO GPIC提供了完整的硬件I/O集合,可以適用于各種應用,包括從逆變器控制和與智能功率模塊交互到智能電網(wǎng)監(jiān)測。NI 9683的硬件I/O 包括以下類型:
所有的輸入與輸出接口都通過RIO夾層卡(RMC)接口連接到NI sbRIO-9606控制板上。高速,高帶寬的RMC接口提供了對FPGA數(shù)字I/O線的直接訪問,同時還提供了幾項處理器特定的功能。FPGA I/O通過一系列終端電阻連接到RMC接口上,并且FPGA的驅動能力和板載信號終端阻抗已經(jīng)經(jīng)過合理的調整來支持各種應用。
所有的輸入與輸出接口都通過RIO夾層卡(RMC)接口連接到NI sbRIO-9606控制板上。高速,高帶寬的RMC接口提供了對FPGA數(shù)字I/O線的直接訪問,同時還提供了幾項處理器特定的功能。FPGA I/O通過一系列終端電阻連接到RMC接口上,并且FPGA的驅動能力和板載信號終端阻抗已經(jīng)經(jīng)過合理的調整來支持各種應用。
圖11展示了一個對DIO0上的上升沿之間的周期進行計數(shù)的簡單VI。注意,該單周期定時循環(huán)將使用一個80MHz的分頻時鐘來定時,并且已經(jīng)將DIO0定義為該時鐘頻率。單周期定時循環(huán)是LabVIEW FPGA環(huán)境中眾多圖形化對象之一,這些圖形化對象可以簡化FPGA上復雜的數(shù)字邏輯的實現(xiàn)。
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NI RMC 數(shù)字 I/O 功能
NI sbRIO-9606嵌入式控制和采集設備在一個印刷電路板(PCB)上集成了一個實時處理器,一個用戶可重配置的FPGA和各種I/O接口。它具有運行VxWorks實時操作系統(tǒng)的400MHz的PowerPC處理器,一個Xilinx Spartan-6 LX45 FPGA和一個RMC接口。高速、高帶寬的RMC接口提供了對96個3.3V FPGA數(shù)字線的直接訪問,同時還提供了某些處理器特定的功能??梢詫PGA I/O和處理器功能進行直接的調用就意味著您可以在自己的電力電子應用中實現(xiàn)底層時序的自定義以及I/O信號的處理。
您可以在LabVIEW FPGA環(huán)境中對所有的FPGA I/O進行直接的訪問。LabVIEW包含了內置的數(shù)據(jù)傳輸機制來幫助您將數(shù)據(jù)從硬件I/O傳送到FPGA,再通過高速的PCI總線從FPGA傳送到嵌入式處理器中以對數(shù)據(jù)進行實時的分析,后期處理,數(shù)據(jù)記錄以及與聯(lián)網(wǎng)的主機電腦進行通訊。
您可以使用內置的10/100 Mbit/s以太網(wǎng)端口通過網(wǎng)絡來向主機自帶的Web(HTTP)和文件(FTP)協(xié)議服務器發(fā)起可編程的通訊。sbRIO-9606同時還提供了集成的控制器局域網(wǎng)(CAN),RS232串口和USB端口來幫助您控制其它外圍設備。
您可以使用內置的10/100 Mbit/s以太網(wǎng)端口通過網(wǎng)絡來向主機自帶的Web(HTTP)和文件(FTP)協(xié)議服務器發(fā)起可編程的通訊。sbRIO-9606同時還提供了集成的控制器局域網(wǎng)(CAN),RS232串口和USB端口來幫助您控制其它外圍設備。
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NI Single-Board RIO 嵌入式控制與應用
利用可自定義的Spartan-6 FPGA芯片的各種優(yōu)勢,您可以以更少的開發(fā)成本來更快地開發(fā)電力電子控制應用。使用LabVIEW開發(fā)工具鏈,結合Spartan-6 FPGA和一套完整的用于電力電子的硬件I/O,相比傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理器(DSP)來說在很多方面都提供了更好的性能。
1. 可重置性
從最頂層來看,F(xiàn)PGA是可編程的硅芯片板,包含了可重配置的邏輯門電路矩陣。與DSP不同,F(xiàn)PGA不用受到特定的一組指令集或是硬件處理單元的限制。使用預置的邏輯塊和可編程的路由資源,您可以針對您自己特定的電力電子控制應用對這些板卡進行配置。過去,在FPGA上實現(xiàn)一個DSP應用(例如PWM逆變器控制算法)通常會比在DSP處理器上實現(xiàn)相同的應用花費更多的精力。這需要開發(fā)者對硬件描述語言和FPGA板卡編程相當熟悉。同時,還需要設計一套自定義的I/O接口板來與FPGA進行交互。
NI的Single-Board RIO GPIC提供了商業(yè)現(xiàn)成可用的開發(fā)板,您可以使用LabVIEW FPGA圖形化開發(fā)環(huán)境對其編程,訪問所有您的電力電子應用需要用到的I/O,從而解決了上面提到的各種問題。在LabVIEW FPGA圖形化開發(fā)環(huán)境下,即使您不具備底層硬件描述語言(例如VHDL或者Verilog)或板卡級的硬件設計相關的知識,也可以準確地定義FPGA板卡需要實現(xiàn)的邏輯。
使用LabVIEW FPGA,您可以利用高級的圖形化環(huán)境來抽象復雜的HDL編程并生成FPGA的實現(xiàn)代碼。
o-hansi-font-family:宋體;mso-bidi-font-family:宋體'>接口提供了對FPGA數(shù)字I/O線的直接訪問,同時還提供了幾項處理器特定的功能。FPGA I/O通過一系列終端電阻連接到RMC接口上,并且FPGA的驅動能力和板載信號終端阻抗已經(jīng)經(jīng)過合理的調整來支持各種應用。
使用LabVIEW FPGA,您可以將電力電子IP庫中現(xiàn)成的VHDL代碼,第三方的IP和IP核集成到您自己的LabVIEW FPGA應用程序中,這樣您就可以將更多的開發(fā)精力放在應用指標的設計和代碼片段的組織上,而通常的任務如PWM、PID控制和Clarke及Park變換則可以用預置的函數(shù)來完成。
由于智能電網(wǎng)相關的應用涉及長期的技術支持、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可重配置的特點也表示您可以使用它實現(xiàn)更高的性能,減少開發(fā)時間并實現(xiàn)代碼的重用。
2. 性能
由于FPGA具有高度并行的架構,所以它們超過了DSP的運算能力。實際上,現(xiàn)代的FPGA都具有專用的DSP元,非常適合傳統(tǒng)的DSP應用。Spartan-6 LX45 FPGA具有58個專用的、可完全自定義的低功耗DSP元,結合了高速、小體積的特點,同時又保證了系統(tǒng)設計的靈活性。
當您為FPGA設備編譯電力電子控制應用程序(自定義,高頻數(shù)字PWM波形)時,得到的將是高度優(yōu)化的硅芯片實現(xiàn),它提供了真正并行的處理機制,其專用的硬件電路具有性能和可靠性兩方面的優(yōu)勢。由于FPGA芯片上沒有運行操作系統(tǒng),代碼的實現(xiàn)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,F(xiàn)PGA設備還可以以極快的循環(huán)頻率實現(xiàn)高確定性的閉環(huán)控制。對于絕大多數(shù)基于FPGA的控制應用來說,處理速度的瓶頸都在于傳感器,執(zhí)行器和I/O模塊,而不在于FPGA的性能。例如,包括在LabVIEW FPGA模塊中的PID控制算法只需要300 ns (0.000000300 s)就可以完成一次運算。
基于FPGA的控制系統(tǒng)提供了超過1 MHz的高確定性,閉環(huán)控制性能。實際上,許多算法只需要一個FPGA的時鐘周期(40 MHz)就可以完成執(zhí)行。
3. 節(jié)省開發(fā)時間和成本
與單核的DSP處理器相比,F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)處理高并行度的特點大大提高了系統(tǒng)的平均美元性能。同時,相比DSP處理器而言,F(xiàn)PGA還提供了更高的平均瓦特性能。通常來說,F(xiàn)PGA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(shù)據(jù)密度是DSP的40倍,這就意味著FPGA有著更高的平均瓦特性能。
就平均發(fā)展速率來說,F(xiàn)PGA的平均美元性能每14個月翻一番。使用商業(yè)現(xiàn)成可用的NI Single-Board RIO GPIC控制器開發(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發(fā)工作。
使用NI Single-Board RIO GPIC,您可以充分利用LabVIEW開發(fā)工具鏈和Spartan-6 FPGA的靈活性以及在快速原型開發(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發(fā)時間。當您在LabVIEW FPGA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上并用實際的物理I/O上對其進行測試。接下來您就可以實現(xiàn)一些改進方案并且充分利用FPGA可重配置的特點來逐步完善您的設計并給出最終設計方案。
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NI Single-Board RIO 嵌入式控制與采集
Introduction to FPGA 技術: 5個突出優(yōu)勢
使用NI Single-Board RIO GPIC,您可以實現(xiàn)HIL仿真來減少現(xiàn)場測試以及原型開發(fā)的成本。您可以將系統(tǒng)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(xiàn)成可用的實時目標上,例如NI CompactRIO和NI PXI。這些硬件目標都帶有一個運行實時操作系統(tǒng)的嵌入式的處理器來以及一個用戶可自定義的FPGA,這樣您的代碼執(zhí)行就會擁有硬實時特性。使用低抖動的幾百納秒的仿真周期,您可以精確地仿真物理系統(tǒng)的I/O行為并且驗證控制器的運行效果。
使用HIL測試,您可以并行地開發(fā)系統(tǒng)中的軟件與硬件組件,從而減少整體的開發(fā)時間。例如,針對電動馬達系統(tǒng)的開發(fā),您可以同時開發(fā)電動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候,嵌入式軟件中主要的問題也已經(jīng)得到了解決。
常見的電動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馬達,其模型的時間步長必須至少小于控制信號周期的十分之一。這就意味著電動馬達模型仿真器的運行周期頻率至少要達到200kHz,這個頻率已經(jīng)大大高于了傳統(tǒng)HIL系統(tǒng)的運行頻率。圖18展示了高仿真周期頻率的的重要性。
一旦查找表生成以后,模型轉換函數(shù)會讀取.RTT文件和查找表,并將數(shù)據(jù)發(fā)送到NI RIO FPGA模塊上,在這里,數(shù)據(jù)將會被轉換為定點數(shù)據(jù)類型并且裝載到板載的DRAM中。一旦查找表裝載入DRAM,系統(tǒng)就會根據(jù)當前的模型狀態(tài)不斷地從查找表中提取對應的數(shù)據(jù)來生成與該待測單元相關的非線性行為。
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