基于现场可编程门阵列与用户数据报协议的测功机动态加载系统设计.pdf

2023 年 27 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application基于现场可编程门阵列与用户数据报协议的测功机动态加载系统设计竺春祥1，郎向荣2，张众杰3，钱嘉程1，宋畅1（1.中国计量大学 工程训练中心/创新学院，杭州 310000；2.杭州威衡科技有限公司，杭州 311112；3.浙江方圆检测集团股份有限公司 杭州 310016）随着我国“工业 4.0”和中国制造 2025 战略的持续推进，国家大力提倡走中国特色新型工业化道路，以促进传统制造业转型升级为主题，以提质增效为中心，以加快新一代信息技术与制造业融合为主线，以满足经济社会和国防建设对重大技术装备需求为目标，完成制造业从大变强的历史跨越。这对我国电机制造业来说，既提出了挑战，也是一种机遇。电机是一种重要的机电产品，其广泛应用于从农业生产到人们日常生活的各个领域和部门。尤其在新能源汽车行业、工业机器人行业、航空航天等领域1-4，不仅需要大量使用电机及其控制系统，甚至对其性能要求也与日俱增。而电机测试技术是提高电机及其控制系统质量的一项重要保障，在电机的转型升级中发挥着重要的作用，因而多年来一直受到电机界的重视和关注。本文设计了基于 UDP（用户数据报协议）的电机测试系统。随着电机在工业生产中的广泛应用，对其性能的测试和分析变得越来越重要。传统的电机测试方法通常采用传感器等硬件设备进行数据采集和处理，但这种方法成本较高、复杂度较大。随着网络技术的发展，基于网络的电机测试系统也得到了广泛的应用，具有成本低、便于管理、数据传输速度快等优点。UDP 是一种无连接的协议，具有传输速度快、开销小等特点5-10。因此，UDP 协议被广泛用于需要快速传输数据的应用中，如流媒体、视频游戏等。本文采用 UDP 协议作为不同模块之间的通信协议，以实现电机测试数据的快速、高效传输。1电机测试系统总体结构设计系统硬件主要由 FPGAC、ADC 模块、DAC 模块和隔离模块组成。FPGA 主控系统主要包括脉冲输出电路、转速/转矩测量输入模块、高速 ADC 输入模块AD7606、高速 DAC 输出模块 AD9767、低通滤波电路和网口电路等。装置主要工作流程为 FPGA 各路控制线程启动，等待接收上位机指令，当接收到上位机通过UDP 协议从网口传来的测试波形的指令时，FPGA 测量相应的 Vpp 与频率值;当接收到上位机的输出波形指令时，实时输出相应波形的精确信号。为测功机的典基金项目院浙江省教育厅一般科研项目（Y202248571）；浙江省产学合作协同育人项目（无编号）第一作者简介：竺春祥（1988-），男，硕士，实验师。研究方向为电机动态性能测试、多目标识别等。摘要：该文设计一种基于 FPGA 和 UDP 协议相结合的测功机动态加载测试系统。在设计中，采用 UDP 协议作为上下位机之间的通信协议，以实现快速、高效的数据传输。并通过 UDP 协议设计网口通信与 Qt 上位机实时连接，通过对 FPGA 的模块定制化设计，实时加载电机的各项自由动态加载曲线。实验结果表明，该系统能够满足实时性要求，同时提高测试效率和数据传输速度。关键词：UDP；FPGA；Qt 上位机；电机测试；实时性中图分类号院TS43文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤27-0100-04Abstract:This paper presents a UDP-based motor test system.In the design,UDP protocol is adopted as the communicationprotocol between different modules to achieve fast and efficient data transmission.The network communication is designed usingUDP protocol to realize real-time connection with the Qt upper computer.Through customized design of FPGA modules,themotors various dynamic loading curves can be loaded in real time.The experimental results show that the system can meet thereal-time requirements while improving the testing efficiency and data transmission speed.Keywords:UDP;FPGA;Qt upper computer;motor test;real-timeDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.27.024100-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期图 3ADC 电路原理图型结构组成图如图 1 所示。注：1-测功机；2-联轴器；3-被测电机；4-转矩传感器；5-电机驱动器。图 1测功机实物2硬件电路设计FPGA 主控采用 Cyclone-IV 系列芯片，型号为EP4CE10F17C8，使用立创 EDA 和 Altium designer 设计电路板，完成产品设计，包括 FPGA 最小系统电路、以太网电路、ADC 电路和 DAC 电路等。硬件实物图如图 2 所示。图 2硬件设计实物图2.1FPGA 最小系统FPGA 最小系统电路主要包括电源电路、GPIO 接口、Jtag 下载接口和其他接口电路，FPGA 的型号为EP4CE10F17C8，核心板采用 Intel（原 Altera）公司 Cy原clone IV E 系列 FPGA 作为核心主控，配以 256 Mbit大容量 SDRAM 存储器，可以嵌入式软核 CPU NIOSII，实现 SOPC 系统，或者使用 Verilog 逻辑实现各种数据采集系统。核心板是武汉芯路恒科技有限公司针对企业和高校用户开发的一款工业级、易用型 FPGA 核心板。板载资源包括 85 个通用双向 IO、5 对 LVDS IO（也可作为双向通用 IO 使用）、1 对 LVDS 时钟输入 IO（也可以作为通用的输入单向 IO 使用）、12 个时钟输入 IO（不含 LVDS 时钟输入 IO）、5 个 GND（硬件连通）、4 个 VDD3.3 输入（硬件连通）、1 个 VDD2.5 输出（用作底板上 JTAG 接口供电电源）、1 个 VDD1.2 输出（预留，一般不使用）及 4 个 JTAG IO 口。2.2以太网 UDP 接口电路模块以太网电路采用 W5500 为核心的电路，电路原理图如图 3 所示。W5500 芯片是一种硬接线 TCP/IP 嵌入式以太网控制器，可为嵌入式系统提供更方便的互联网连接。W5500 使用户只需使用嵌入 TCP/IP 堆栈、10/100 以太网 MAC 和 PHY 的单个芯片，就可以在其应用程序中实现互联网连接。支持硬接线 TCP/IP 协议有TCP、UDP、ICMP、IPv4、ARP、IGMP 和 PPPoE。在本文中，采用 UDP 连接做为上下位机的通信。2.3ADC 电路ADC 电路图如图 3 所示，ADC 芯片为 AD7606，AD7606是ADI公司针对电源设计、工业检测、闭环控制等工业应用推出的一款，16 位、八通道同步并行采样 adc芯片，采样率最高为每通道 200KSPS，输入电压范围依5 V，最高可达依10 V，该芯片满足工业级应用的温度范围。VIVIGNDV2V2GNDV3V3GNDV4V4GNDV5V5GNDV6V6GNDV7V7GNDV8V8GNDREGCAPREGCAPREPC APAREPC APBREF SEIECTREFI NREPOUTREPGNDREPGNDAGNDAGNDAGNDAGNDAGNDAGNDDBODB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DOUTADB8DOUTBDB9DB10DB11DB12DB13DB14HBENDB15BYTESELOSOOS1OS2STBYRDSCLKCSPARSERBYTESELRESETRANGECONVST ACONVST BBUSYFRSTDATAVDRIVEAVCCAVCCAVCCAVCCADIN1ADIN2ADIN3ADIN4ADIN5ADIN6ADIN7ADIN849505152535455565758596061626364393644453442434622635404147161718192021222425272829303132333457121361189101415231373848DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8DB9DB10DB11DB12DB13DB14DB15OS0OS1OS2RDCSRSETCONVSTABBUSYFIRSTDATAAVCCADIN8ADIN7ADIN6ADIN5ADIN4ADIN3ADIN2ADIN10S1CONVSTABRDBUSYDBODB2DB4DB6DB8DB10DB12DB14VCC5vO80O82RSETCSFIRSTDATADB1DB3DB5DB7DB9DB11DB13DB15匀藻葬凿藻则 员源伊圆粤12345678910111213141516171819202122232425262728DGNDDGNDDGNDD1LEDDGNDVCC5vDGNDAVCCC1410uR81KVDRIVEVIRIVEFB133Oh/3A10 uFC160.1 uC15VIRIVEU2AMS1117VinVoutVCC5vC1210 uFDGND0.1 uC1332R6NCR4NCR31K1k1kR5R7GNDGNDVDRIVEC110.1u0.1u0.1u0.1u0.1uC8C5C4GNDGNDGNDGND匀藻葬凿藻则 8伊圆1614121086420.1uC5NC1kR210u10uC3C2R1GNDVDRIVE匀藻葬凿藻则2P1112C1C7C910u1u1uGNDAD760615131197531P12GND1111C10ADIN4ADIN3ADIN2ADIN1U1GNDP101-2023 年 27 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2.4DAC 电路本设计使用在模拟半导体领域享有盛誉的 ADI公司 AD9767 型 DAC 芯片，该芯片为双通道，14 位、125 Msps 转换速率的高性能 DAC 芯片，支持 I、Q 输出模式（该模式常用于数字通信领域）。输出形式为差分电流输出，输出电流满量程范围为可设置为 220 mA。芯片本身自带 1.2 V 的参考电压，无需外部提供参考源。DAC 电路图如图 4 所示。3软件设计本文设计的电机测试系统基于 UDP 协议，使用Visual Studio 和 C#语言进行开发。软件程序设计总体结构如图 5 所示，包括上位机软件开发和硬件程序设计。上位机软件在 Qt 开发环境下，使用 QChart 绘图库，通过不断测试优化过的 UDP 协议与下位机完成通信连接，实现电机系统的实时数据测量以及数据存储并且实时显示。FPGA 使用 Quartus 13.0 设计并完成测控电路系统的实施搭建，实现 ADC 采集数据、DAC 输出及频率测试等功能。具体实现过程如下。3.1数据采集模块通过连接电机传感器和信号放大器等硬件设备，将测试数据采集并封装为 UDP 数据包进行传输。3.2控制模块接收并解析 UDP 数据包，实现对电机的控制和数据采集协调。3.3数据指令解析模块接收并解析 UDP 数据包，将测试数据进行处理并生成测试报告。3.4信号加载模块通过上位机控制 DAC 输出模拟量到电机驱动器，控制电机的转速或转矩，结合 PID 控制算法，实现转速转矩的闭环控制。3.5数据采集模块主要采集转速转矩传感器的信号，通过信号解析成实时转速转矩的反馈量，实现 PID 闭环控制。3.6波形可视化上位机采用 Qt 编写电机测试界面，对指令的输出和信号的输入进行可视化显示，便于用户操作测试流程。图 5软件流程图4实验结果分析本文对设计的电机测试系统进行了实验验证，结果表明，系统能够满足实时性要求，测试数据的传输和处理速度较快。不仅能够加载方波、正弦、三角波等波图 4DAC 电路原理图102-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期5结论本文设计的基于 UDP 协议的电机测试系统具有成本低、数据传输速度快等优点。同时，设计了基于双通道 AD9767 的 DAC、基于 AD9767-4 的 ADC 以及测频 3 个数据采集模块，能实时完成与上位机的交互，完成实时精确的数据发送与接收。实验结果表明，该系统能够满足实时性要求，同时提高了测试效率和数据传输速度。该系统在电机测试和分析中具有广泛的应用前景。参考文献院1 范琳琳，李广林，王斌，等.新能源汽车用驱动电机性能测试设计与研究J.微特电机，2022，50（11）：33-36.2 国芳，夏帅，王瑞冬雪.同轴对拖交流电机建模分析与测试平台设计J.电子技术与软件工程，2022（15）：70-73.3 童陟嵩，李怀珍.电机综合测试系统采集分析软件设计J.电机与控制应用，2022，49（5）：103-109.4 李广林，王斌，柳振方，等.新能源汽车驱动电机高精度测试实践J.微特电机，2022，50（4）：57-60.5 佟亚珍，桑尚铭，冯荣尉.基于 STM32 的通用化电机角度测试系统设计J.微电机，2022，55（4）：82-86.6 郝晓兵，杨世凤，卓杰伟，等.基于 Measurement Studio 的无刷电机测试系统J.自动化与仪表，2021，36（12）：57-61.7 姚碧辉，竺春祥，邓立唯，等.电机转矩转速性能测试系统设计J.中国计量大学学报，2021，32（3）：332-340，346.8 孟永刚，李伟超，黄泳诚，等.电动汽车小功率电机测试平台的研发J.机电工程技术，2021，50（7）：15-19.9 王峰.基于电流辨识法的车窗电机防夹区间性能测试系统D.上海：东华大学，2021.10 周晶.多工况下工业机器人伺服电机可靠性测试实验研究D.杭州：杭州电子科技大学，2021.图 6方波加载信号输出图 7转矩转速波形输入测量与实时显示形，如图 6 所示，也能够系统实现对电机转矩转速信号的测试和分析，生成符合要求的测试报告。完整的上位机图像显示如图 7 所示，主要是转矩转速信号的实时采集和显示。188.0197.7207.4217.1226.8236.5246.2255.9265.6275.3285.0时间/ms7.03.50.0-3.5-7.0时间/ms10 000.09 000.08 000.07 000.06 000.05 000.04 000.03 000.02 000.01 000.000.051.2102.4153.6204.8256.0307.2358.4409.6460.8512.0103-