NI Single-Board RIO通用逆变器控制器特性

由于智能电网相关的应用涉及长期的技术支持、维护以及适应不断发展的标准和通讯协议的需求，所以FPGA可以导入代码并支持重配置的特性有很大的优势。FPGA可重配置的特点也表示您可以使用它实现更高的性能，减少开发时间并实现代码的重用。

2.性能

由于FPGA具有高度并行的架构，所以它们超过了DSP的运算能力。实际上，现代的FPGA都具有专用的DSP元，非常适合传统的DSP应用。Spartan-6LX45FPGA具有58个专用的、可完全自定义的低功耗DSP元，结合了高速、小体积的特点，同时又保证了系统设计的灵活性。

图15.Spartan-6FPGA与通用DSP的对比

当您为FPGA设备编译电力电子控制应用程序(自定义，高频数字PWM波形)时，得到的将是高度优化的硅芯片实现，它提供了真正并行的处理机制，其专用的硬件电路具有性能和可靠性两方面的优势。由于FPGA芯片上没有运行操作系统，代码的实现方法保证了最佳的性能和最高的可靠性。

除了提供高的运行可靠性，FPGA设备还可以以极快的循环频率实现高确定性的闭环控制。对于绝大多数基于FPGA的控制应用来说，处理速度的瓶颈都在于传感器，执行器和I/O模块，而不在于FPGA的性能。例如，包括在LabVIEWFPGA模块中的PID控制算法只需要300ns(0.000000300s)就可以完成一次运算。

基于FPGA的控制系统提供了超过1MHz的高确定性，闭环控制性能。实际上，许多算法只需要一个FPGA的时钟周期(40MHz)就可以完成执行。

3.节省开发时间和成本

与单核的DSP处理器相比，FPGA数据处理高并行度的特点大大提高了系统的平均美元性能。同时，相比DSP处理器而言，FPGA还提供了更高的平均瓦特性能。通常来说，FPGA具有更高的板卡级的功率消耗(DSP的典型功耗为3W至4W，而DSP的功耗一般为7W至10W);但是，由于FPGA可以处理的通道数据密度是DSP的40倍，这就意味着FPGA有着更高的平均瓦特性能。

图16.近年来，将微型DSP硬件核集成到FPGA元中的技术极大地提高了FPGA的性能，图为与单核的DSP相比，每秒可以完成乘法累加运算次数的柱状图

就平均发展速率来说，FPGA的平均美元性能每14个月翻一番。使用商业现成可用的NISingle-BoardRIOGPIC控制器开发板，您可以充分利用FPGA性能和可靠性的优势，比全自定义的硬件设计付出更少的工作量，并且可以避免重复的开发工作。

使用NISingle-BoardRIOGPIC，您可以充分利用LabVIEW开发工具链和Spartan-6FPGA的灵活性以及在快速原型开发方面的优势，从而大大减少您电力电子控制应用程序的开发时间。当您在LabVIEWFPGA和Multisim联合仿真环境下完成了对控制器的测试之后，就可以将相同的代码部署到FPGA上并用实际的物理I/O上对其进行测试。接下来您就可以实现一些改进方案并且充分利用FPGA可重配置的特点来逐步完善您的设计并给出最终设计方案。

Spartan-6产品系统概览

实时仿真工具

使用NISingle-BoardRIOGPIC，您可以实现HIL仿真来减少现场测试以及原型开发的成本。您可以将系统的模型(状态空间模型或者JMAG有限元分析(FEA)软件模型)部署到一系列商业现成可用的实时目标上，例如NICompactRIO和NIPXI。这些硬件目标都带有一个运行实时操作系统的嵌入式的处理器来以及一个用户可自定义的FPGA，这样您的代码执行就会拥有硬实时特性。使用低抖动的几百纳秒的仿真周期，您可以精确地仿真物理系统的I/O行为并且验证控制器的运行效果。

使用HIL测试，您可以并行地开发系统中的软件与硬件组件，从而减少整体的开发时间。例如，针对电动马达系统的开发，您可以同时开发电动马达硬件以及它的引擎控制单元，这样当您的马达设计完成的时候，嵌入式软件中主要的问题也已经得到了解决。

图17.使用NIcRIO-9082作为HIL仿真器

常见的电动马达的控制信号工作于20kHz到25kHz的频率范围。为了精确地仿真电动马达，其模型的时间步长必须至少小于控制信号周期的十分之一。这就意味着电动马达模型仿真器的运行周期频率至少要达到200kHz，这个频率已经大大高于了传统HIL系统的运行频率。图18展示了高仿真周期频率的的重要性。

图18.不同周期频率下的电动马达HIL仿真结果

FPGA的特点使它极其适用于高速、实时的应用。所有基于FPGA的处理都可以独立地与系统CPU同时执行。此特点可以帮助您实现极低的延时以及高速的信号处理，从而精确地仿真物理I/O行为。

使用FPGA技术，您可以调整并提高控制器的设计效率，这样就可以导入待测单元(UUT)的非线性FEA模型来进行高逼真度的HIL仿真。该功能由NIVeriStand软件的JMAG-RT插件提供。

图19.电动马达HIL仿真

使用JMAG仿真软件和JMAG-RT插件，您可以生成一个.RTT文件来创建实时运行的FPGA特性。JMAG-RT插件会生成一个查找表，这个查找表包含了您的待测单元(在这里，就是一个马达)的相关参数。这些参数可以用来对您的设备进行全面的检定并准确地捕捉其非线性行为。