西门子6ES7235-0KD22-0XA8详细使用

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对于这个简单的系统，其测试系统已经不算简单，而对于总共有60多个工程，至少有20个以上的进程同时运行的DCS综合自动化控制系统，其测试方案图就更复杂了，要考虑的问题就更多了。
图2的子系统测试方案中，还有一些难点需要解决：
(1)对于A1和A2，怎样同时采集代码执行测试数据，调用lib静态库文件或者dll动态链接库文件，怎样才能查看这些库文件的执行情况，是否在库程序中存在内存泄漏呢？
经过探索得到解决方法如下：采用CodeTest的追加打点方法，将A1和A2以及它们的库文件打点到一个符号数据库文件（CodeTest打点生成的IDB文件，追加打点命令格式：-CTidb=E：importantest.idb。CodeTest使用有很多细节上的技巧，请参见用户手册和软件自带的文件），用一个ctserver、一个通信端口采集测试数据。注意，为了在CodeTest Manager的Coverage Data中追踪到代码每一行的执行情况，必须在Configuration窗口内Source Code Directories中加入各源码的路径。
(2)A1和A2可能是由两个工程师开发的，他们可能不愿意把测试数据混在一起。在这种情况下，可以在A机上运行两个不同端口各自采集测试数据ctserver，在CodeTest Manager中也要多开一个Software Probe，并*相应的配置。插桩时，也要分开插桩，生成各自的IDB符号库文件。
3.3 大型DCS综合自动化控制系统的测试方案
大型DCS综合自动化控制系统的测试方案与上述小系统的测试方案类似，但要考虑插桩函数对DCS系统的影响。为了减轻这种影响，单独用一个配置很高(内存1.5GB)的电脑H，运行CodeTest Manager采集系统服务器、操作员站和工程师站的各个模块的测试数据。这样服务器、操作员站、工程师站只需运行采集测试数据的服务器ctserver，从而大大减轻测试系统的额外负担。
电脑H成为测试数据的集中地，主要基于以下几点考虑：
(1)测试数据集中起来，可直接导出进行合并，便于分析。尤其对覆盖率太低的模块，便于测试经理和开发工程师根据代码的执行情况，找出哪些功能没有相对应的测试用例，然后交给测试工程师进一步丰富测试用例。
(2)节省测试成本。集中收集测试信息，可以减少工作量。另一方面，也是受CodeTest的license的限制，当时只有一个网卡和一个license，只能在一台机器上运行CodeTest Manager。当然，在条件好的情况下，用几台电脑分别收集、操作员站和工程师站的数据，测试效果会更好，对软件系统的影响较小，但成本也会相应增加。
综上所述，制定DCS系统的测试方案如图3所示。
从图3可以看到，用到的ctserver比较多，主要原因有两个，一是系统模块比较多，而且很多模块是不同的开发工程师负责开发维护，并且由另一个测试工程师测试。采用不同的ctserver可以把收集的测试信息分开，便于测试用例的分析讨论、bug的分析、测试力度的分析。二是系统中每个模块担负着不同的任务或者完成某些功能，从而为功能测试提供便3.4 DCS系统嵌入式测试方案实现
至此，测试方案设计完毕，由小系统的示例性实验作指引，实现环节难点不多。按照CodeTest的测试过程，先插桩，再搭建系统。由于系统庞大，exe工程和库文件工程多，所以插桩本身就是一个难点，而且工作量也不小。但是，一旦插桩完成，生成exe文件后，就一直用这些可执行文件测试。系统源码要放在CodeTest Manager所在机器上，以便在以追踪方式查看代码执行情况时，追踪到源码的每一页每一行。
笔要遇到的困难者主有以下两点：
(1)插桩上的困难：系统用到的库文件比较多，每个库都是一个vc工程。关键在于这个库会被多个exe工程包含。为了避免测试系统搭建好后，出现idb符号数据库与插桩后的程序不符，必须按照exe分别插桩。每插桩一个exe工程，先查一查它所依赖的库文件，把库文件的vc工程以idb符号数据库追加方式插桩，把exe工程插桩后的符号数据库追加在最后。
(2)测试系统运行的困难：系统的进程比较多，加上多个ctserver进程就更多。而系统的启动过程，尤其是服务器的启动是有规律有顺序的。如果手动启动程序，则启动服务器将是一件痛苦的事。解决办法是采用bbbbbbs脚本。例如连续启动两个进程，方法如下：
shell=Wbbbbbb.Createbbbbbb(″Wbbbbbb.Shell″)；
shell.Run(″ctserver -p 3030″)；
shell.Run(″ctserver -p 3040″)；
对于分布式系统和嵌入式系统，CodeTest的确能提供*特的测试方案，尤其硬件辅助软件版的CodeTest工具，功能更加强大。CodeTest工具可以在测试的各个阶段设计不同的测试方案，还可以作为软件开发过程中的辅助工具。

随着工业生产自动化程度的提高和生产规模的扩大，各种生产输送线的长度和输送功率不断增加。当输送线长度增加到一定程度时，采用单电机驱动就难以满足生产的要求，必须采用多电机同步驱动方式。在多电机同步驱动系统中，特别是各传动电机之间存在一定物理连接的系统中，实践证明，通过反馈调节改变控制量，能使控制电机的转速稳定在给定范围内。但在多电机同步调速系统中，由于各同步电机之间存在严重的耦合作用，某一传动电机转速的偏离往往与传输线上其它电机的转速密切相关，这时若按常规负反馈方法对这一电机施加调节，将可能导致该电机的转速偏离更加严重，最后造成整个传动系统不能正常工作。因而对多电机同步驱动系统，如何实现传动电机的高精度速度同步调速控制，是一个急待解决的实际工程问题。

本文根据多级电机同步驱动系统的运动特点，设计了基于DSP+FPGA 的多交流电机同步运行控制系统，并运用PID 控制方法，通过对同步驱动系统中的传动电机实施速度同步补偿，达到了高精度的同步调速。在空载条件下进行了不同转速的同步运行实验，收稿日期：2006-02-21 实验结果表明，该系统可以实现多交流电机同步运行高精度控制。

1 系统简介

在交流变频调速系统中，DSP+FPGA 方式是目前国际上比较先进的方法。现场可编程门阵列(FPGA)与**集成电路相比较，优点主要在于有很强的灵活性，其内部逻辑功能可以根据需要在系统上配置，修改和维护方面非常方便。与FPGA相比，DSP在高精度交流变频调速系统中适合完成结构复杂的控制算法。本系统核心运算部分采用TMS320VC5402 处理器芯片。TMS320VC5402 芯片是一种适用于电机控制的DSP芯片，系统运行时，FPGA同步采集安装在各个交流电动机轴上的增量式光电编码器的

编码信号，并据此获得各轴的转速信号和位置信号，该DSP 处理器芯片主要是用来对多路FPGA同步采集安装在各交流电动机轴上的增量式光电编码器信号进行处理，对多部交流电机同步运转的转速、位置的设置要求进行相关的PID控制运算。然后,再将控制指令经D/A转换后发送到各交流电机的变频器，实现多部交流电机同步运转。系统构成如图1所示。

本系统控制部分采用ALTREA 公司的EP1C6Q240C8的芯片。它是一种主要用于处理时序逻辑电子电路的高性能芯片。它与单片机较大的区别就是在于它的并行性，能够并行地采集、处理和输出信号，这一点为提高整个系统的运行速度起了很大的作用，是本系统实现并行性的关键所在。

安装在各交流电动机轴上的增量式光电编码器输出3路脉冲信号，相差90°的A、B 脉冲信号用来判别和电机的转向、位置、转速，Z信号为每转输出一个脉冲的零位参考信号[1]。

2 系统硬件设计

系统的信号采集部分采用了一片EP1C6Q240C8，同步采集安装在四台交流电动机的增量式光电编码器信号，如图1所示。EP1C6Q240C8负责读取采样数据和与TMS320VC5402 端口通信的任务，以及对信号预处理。EP1C6Q240C8的内部功能模块，如图2所示；系统硬件设计如图3所示。

EP1C6Q240C8从DSP接收采样参数，将参数写入相应的寄存器，同时，它也为TMS320VC5402产生端口时钟和端口帧同步信号。EP1C6Q240C8在接收到TMS320VC5402开始采样的命令后，便开始采样，不断地将采样数据送入内部的FIFO中，同时等待下一个采样数据的到来。EP1C6Q240C8内部的信号处理单元从内部FIFO中读取数据，处理后送入双向FIFO中。总线传输单元从双向FIFO 中读取已处理数据，发送给TMS320VC5402端口。

TMS320VC5402 芯片是一款性价比很高的DSP芯片，采用改进哈佛结构，可在一个周期内取两个操作数，取一条指令，并完成一次乘法、一次加法和一次减法，大大提高了运算能力。TMS320VC5402 芯片与FPGA间的通信通过数据总线进行通信。FPGA 为DSP提供I/O空间；FPGA已对DSP的读、写信号，地址信号译码，用来确定是读光电编码器的信号还是进行位置、速度控制。

3 系统同步运行控制算法的实现

由于同步控制涉及到控制多个轴，因此多变量控制成为同步控制的基本控制方法。这种同步控制主要有两种方式：等状态方式和主从方式。本系统选择主从方式：二、三、四号电机轴处于伺服控制中，且它们各自的速度和位置取决于一号电机轴的速度和位置。这也就是说，一号电机轴起到支配快轴的作用，而二、三、四号电机轴处于被支配的地位并跟踪一号电机轴[2]。

在多电机运转同步控制系统中，来自二、三、四号电机轴的转速和位置信号必须跟随一号电机轴的速度和位置信号的变化，以保持多电机轴速度的同步。设各电机轴运转速度偏差值为Δi，在k 时刻电机的实际反馈转速分别为n1k、n2k、n3k、n4k。各电机轴运转速度偏差值：Δi= n1k-nik i=2，3，4. （1）

根据不同的设计要求可以设定多电机轴同步速度允许偏差值的较大变化范围Δmax，当Δi≤Δmax时系统不需要进行调节控制；当Δi>Δmax时系统需要进行调节控制。PID控制算法的软件流程如图4所示[2]。本系统PID控制器由TMS320VC5402通过软件实现，不断地将采集的各电机轴的转速和位置信号与一号电机轴的转速和位置信号进行比较，求出偏差值Δi。当Δi>Δmax 时，调节器立即产生控制作用，使控制量朝着使偏差变小的方向变化。模拟PID控制器中比例调节器的作用，是对于偏差做出瞬间快速反应。控制作用的强、弱取决于比例系数KP。积分调节器的作用，是把偏差累积的作为它的输出。在调节过程中，只要有偏差Δi>Δmax，积分器的输出就会不断增大，直至偏差Δi≤Δmax，输出才可能维持某一常量，使系统在速度指令信号不变的条件下趋于稳态。微分调节器的作用，是阻止偏差的变化，偏差变化越快，微分调节器的输出也越大。本系统的软件处理采用增量式调节[3][4]：

Δni=n1(k)-ni (k)=KP[n1(k)-ni(k)]+KIni(k)+KD[n1(k)- 2ni(k-1)+ni (k-2)] （2）

式中：Δni为i号电机控制量增量，其中i=2,3,4；n1(k)、ni(k)、ni(k-1)、nii(k-2)分别是k、k-1、k-2时刻一号电机轴的转速及i号电机轴的转速采样值；KP是比例系数；KI是积分系数，KI=KPT/子i；KD是微分系数,KD= KPT/子d ；T是采样周期；子i是积分时间常数；子d是微分时间常数。

4 系统运行实验

系统调试完成后，连接了4套感应交流电机，在空载条件下进行了不同转速的同步运行实验，运行参数分别为：相对误差Δ＝n1k-nik /n1k100＝0.1；n1=1500、1000、750、250r/min。实验结果表明该系统完全可以实现设计要求，运行状态良好

电机做为实现机电能量转换的重要部件，从19 世纪初开始，其设计和制造技术已逐步走向成熟，推出了如电机转矩与其体积成正比、电机的磁通密度应该设计在电机磁化曲线的膝点位置等具有指导意义的公式和原则。但在整个20世纪，电机的设计与制造技术基本上没有发生根本性的变革，尤其是交流电机的设计，基本上是在定输入三相交流电压的幅值和频率恒定的条件下进行的，这时直流电机、交流异步电机、交流同步电机从设计、制造到运行基本上都是各自独立的。直到本世纪70年代，矢量控制理论的提出，将各种电机的能量转换原理从理论上统一了起来，到80年代末，电力电子学的发展和微电子技术的进步，使矢量控制从理论走向实践，较终在90年代使基于矢量控制理论的现代交流调速系统遍地开花，并在大容量调速领域向直流电动机展开了挑战，大有取而代之的趋势。理论的发展必将引起现实的变革，现代交流调速系统的兴起，使传统交流电机设计的一些前提条件不复存在，因此我们必须对传统的基于恒压恒频的交流电机设计公式进行审核，并根据现代交流调速系统的要求做出必要的性变革。下面根据电机设计的基本理论和现代交流调速系统的运行实践具体分析如下。

1 站在交流电机的角度上，现代交流调速系统使交流电机输入电压的幅值和频率不再为恒定值（如工频50Hz），这使得电机的转速与其较对数不再有必然的联系。如两较电机的转速约3000 r/min，电机的转速低，必然要做得较数多已不再是电机设计的必然结论，着实使得在电机设计时，可以根据具体情况（如电机的结构尺寸或要求的转动惯量），对电机的较对数进行优

化选择，象较数较多（＞12较）制造困难的交流电机和较数较少（＜6较＝绕组端部大，效率较低的交流电机都将不再采用，从而大大放宽了交流电机设计的选择余地，为电机设计结构的优化创造了条件。可以预计，将来的交流电机将大多是结构和力能指标都较优的6~10较电机（当然这种合理的结构依赖于变频器低频性能的提高）。

2 由于现代交流调速系统大多采用矢量控制，以保持气隙磁链恒定，控制转矩电流分量来控制电机的电磁转矩，并进而达到控制电机转速的目的。因此在这种闭环控制策略下，没有电机稳态输入电压过高的危险，也就不会出现因气隙磁通过高使磁路过饱和的问题，这使得电机的磁路设计条件更为宽松。磁路的额定工作点甚至可以在膝点以上，从而提高了电机中导磁

材料的利用率和电机单位体积的转矩，而且这种选择方法对于矢量控制中磁通调节器的设计也是有利的。

3 变频技术（无论是交交还是交直交）都使得电机的输入电流中含有谐波分量（尽管通过各种脉宽调制技术，已经正弦波化了），从而造成脉振转矩（这也可以从变频调速电机稳态时的三相输入瞬时功率不恒定来理解），这对于同步电动机的影响尤其**（因为脉振转矩主要是由谐波电流与基波磁通相互作用产生的，在同步电动机中谐波电流基本上由定子绕组的漏电抗抑制，转子绕组对输入谐波电流的阻尼作用较小），对于异步电动机的影响相对较小（因为定子绕组中的谐波电流会因转子绕组的电磁电磁阻尼作用而大大减少，从而减少了脉振转矩）。脉振转矩的存在使得机电系统容易发生扭振，这也是困扰现代交流调速系统的一个棘手问题，尤其对于传动轴较长、扭振刚度较差的轴系传动更易发生轴系扭振，这无疑对现代交流调速系统中电机的设计提出了更高的要求。如何合理分布绕组、选择气隙以及选择电机绕组漏感和互感的合适比例，成为抑制谐波电流和脉振转矩的关键因素。

4 对于现在普遍采用的通用型交直交电压型变频器，由于采用PWM技术对电机输入电压的脉宽进行调制，使得电机中绝缘材料的电应力增加，即因PWM的调制作用，使得绝缘介质中的各种电偶较子频繁地转动，从而造成介质损耗的增大、电机的绝缘强度因热疲劳而过早地降低（尤其是当电机受潮时会造成绝缘的局部热疲劳）。举一种较端情况来看，若PWM的调制频率达几百千赫兹，电机中的绝缘材料就会象微波炉中的**食品一样被加热，这也是现代交流调

速系统对电机的绝缘技术所提出的挑战。另外，如果PWM的调制频率过高，还会使电压在电机定子绕组的输入端产生电磁波的反射（行波效应），造成电机输入端的电压升高，电压上升率du/dt 过大，使电机定子绕组输入端的局部匝间电压升高（如同变压器绕组遭雷击后的匝间电压分布情况相），这使得电机绝缘的外部环境更为恶劣，很容易导致匝间短路或电机绕组内部局部放电。变频电机绝缘所面临的这两个恶劣条件，造成了与普通电机相比较，变频电机的使用寿命

普遍较短，一般只有1～2年、短的甚至几个月，这些情况都需要在设计变频调速电机时进行考虑。

5 采用变频电源供电的变频电机，由于采用PWM调制，在电机绕组输入端接入的高频调制电压的电容效应，会对电机造成显著的轴电压，轴承与机座的绝缘设计需要重新考虑，以抑制轴电流；而且与恒速传动相比，常规电机的自带风叶冷却设计已不能满足电机低速运转时的冷却量要求，电机的冷却方式需要重新设计。

6 如果常规设计的电机采用变频电源供电，往往在空载运行频率在20～30Hz 时出现电动—发电的周期性振荡。其主要原因是因电机负载、电压和频率的波动，使电机的转差率在零附近抖动，从而使异步电动机交替运行在电动和发电状态，采用高转差率的异步电动机或在变频器中采用速度、电流闭环控制可缓解这一现象，另外常规按照工频50Hz设计的电机，在设计电机漏抗和主电抗时，没有兼顾电机在低频条件下的运行，这样的电机当运行在8~10Hz以下时，电机的出力会明显下降，这些问题都应在变频电机的设计中加以考虑。

7 现代交流调速系统中的交流电动机普遍地采用了以磁通、转矩的解耦为目标的矢量控制，但要实现在动态过程中磁通、转矩的完全解耦，还需要在电机设计中合理设计各种电磁参数，以减轻交流电机矢量控制的负担。如对矢量控制中同步电动机阻尼绕组的设计就要满足象直流电动机中补偿绕组那样能快速抵消定子绕组中转矩电流分量的电枢反应，并配合磁通调节器保证气隙磁链的恒定，这与传统的同步电动机设计中，用阻尼绕组产生的动态转矩来抑制同步电动机的振荡是不同的。

8随着现代交流调速系统中控制技术的不断完善，对电机中各类状态变量的也提出了新的要求。如矢量控制技术本身要求较好能从交流电机中直接用传感元件检测到磁通的大小和角位置，对于异步电动机，若有方法直接获得转差频率，而不再利用受温度和转差频率影响较大的转子绕组电感和电阻来间接计算，将是对异步电动机矢量控制技术的较大完善，这些又对电机的技术提出了更高的要求。综上所述，现代交流调速系统的发展，不但从理论上将各类电机统一了起来，也对电机的设计带来了深层次的变革，因此面对新技术的挑战，工程技术人员应当及时审核一些传统技术观点的正确性，以适应新技术发展的需要