紹 CompactRIO 主要功能，在 2.5 節介紹 CompactRIO 軟體安裝，
最後在 2.6 節中我們介紹 NI MAX 設定與配置。
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第二章 CompactRIO 嵌入式系統
2.1. CompactRIO 簡介
美商國家儀器(NI)所發展之 CompactRIO(cRIO)平台是以可重設 I/O(RIO)與 NI LabVIEW 現場可編程閘陣列(FPGA)技術為基礎，以精 巧的體積、堅固耐用的特性而整合開放式的嵌入架構，可搭配多樣的 LabVIEW GSD 軟體，更成為可輕鬆重設的嵌入式系統，讓原始設備製 造商(OEM)與大量部署應用的客制化硬體需求降至最低。此外，在原型
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模組。這些模組可直接連接感測器，並提供特殊功能。部分 cRIO 控制 器也支援時效性網路 (TSN)，也就是標準乙太網路更新版本，有了時 效性網路，就能透過網路來精確同步裝置，進而簡化系統設定。此外，
時效性網路也能在網路中進行流量排程，以實現精確且低潛時的時效 性資料傳輸。cRIO 共包含兩個系列，分別是工業用強化機型，及機板 層級設計，能滿足各種應用需求，無論是原型製作，還是大規模量產，
皆可因應自如[1]。本論文使用的 cRIO 系統是 CompactRIO-9066 機型
（如圖 2-1 所示），CompactRIO-9066 內含控制器與機箱屬於一體成形 但其餘 cRIO 型號則可分離控制器與機箱，其搭配之電源供應器為 NI PS-16（如圖 2-2 所示），其電源規格為單相、115/230 VAC 輸入、24
~ 28 VDC 輸出及 10 A 輸出。
圖 2-1 CompactRIO-9066 全機型實體圖
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圖 2-2 NI PS-16 電源供應器
2.2. CompactRIO 硬體架構
本論文所使用的 CompactRIO，其主要硬體為搭載 667 MHz 雙核 心 CPU、256 MB DRAM、512 MB 儲存空間、Zynq-7020 FPGA 及 8 插槽的 CompactRIO -9066 控制器（圖 2-3）。CompactRIO‑ 9066 是一 款嵌入式控制器，適用於進階的控制與監測應用。這款以軟體設計為 主的控制器配備 FPGA，以及搭載 NI Linux Real‑ Time OS 的即時處 理器，同時具有堅固耐用的無風扇設計，控制器配備有多種連接埠，
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包含 1 個 Gigabit 乙太網路、1 個 USB 主通訊埠、1 個 USB 裝置 與 1 個序列連接埠（其面板設計如圖 2-4 所示）。
圖 2-3 CompactRIO-9066 控制器[1]
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適用於基於硬體的互鎖，定制定時和触發，或者消除非標準傳感器和 總線通常所需的定制電路。
圖 2-5 可重配置 I / O 機箱[1]
2.3. NI C 系列模組-9502
本研究論文使用的無刷直流馬達驅動器是 NI C Series NI-9502 運 動控制模組，如圖 2-6 所示。NI 9502 是一款無刷伺服電機驅動器，可 提供輸出以驅動無刷伺服電機，具有霍爾效應傳感器輸入和電源連接，
另外需要連結 9 至 30 VDC 電源，COM 和底盤接地提供連接，具備 4 A 連續/8 A 峰值電流。根據軟體設計，NI 9502 可以在梯形或磁場定 向控制（FOC）換向模式下運行。NI C Series modules 9502_IO 接線圖，
如圖 2-7 所示。
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圖 2-6 NI C Series modules (NI9502)[1]
1.相位 U 6.霍爾腳位 2
2.相位 V 7.霍爾腳位 3
3.相位 W 8.接地腳位
4.空腳位 9.控制器電源
5.霍爾腳位 1 10.共同接地腳位
圖 2-7 NI C Series modules 9502_IO 接線圖[1]
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2.4. CompactRIO 設計特點
採用 CompactRIO 嵌入式設計來開發應用系統，具有下面主要特 點[1]：
(1)透過單一且直覺化的軟體工具鏈，加快開發速度：配備 NI Linux Real-Time、LabVIEW FPGA Module 與 NI-DAQmx 驅動程式，能克服 異質架構設計程式所面臨的傳統挑戰。 在這些項目的相輔相成之下， 供值得信賴的資料準確度。CompactRIO 採用模組化的訊號處理架構，
可直接連接感測器，以滿足任何應用需求。部分 CompactRIO 控制器 也支援時效性網路 (TSN)，也就是標準乙太網路更新版本。有了時效 性網路，設計者就能透過網路來精確同步裝置，進而簡化系統設定。
此外，時效性網路也能在網路中進行流量排程，以實現精確且低潛時 的時效性資料傳輸。
(3)提供多樣性外型以滿足各類設計需求：CompactRIO 提供封裝與機 板層級等規格，能滿足各種應用需求，無論是原型製作，還是大規模 部署，皆可因應自如。CompactRIO 控制器是根據最嚴格的標準設計而 成，並通過廣泛的測試與驗證，可在嚴苛的工業環境中穩定運作。
(4)開放且安全的平台：設計者可以透過上千種開放原始碼應用程式、
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IP 與範例，充分發揮 NI Linux Real-Time OS 的開放特性，並與活躍 的使用者和開發人員社群協同合作。此外，只要運用 Security-Enhanced Linux 的原生支援，透過客制化原則建立，來進行強制性存取控制，此 2016(32-bit)、LabVIEW Real-Time Module、LabVIEW FPGA Module、
LabVIEW 2016 SoftMotion Module、Xilinx Compilation Tools-ISE 14.7 for LabVIEW 2016 、 Xilinx Compilation Tools-Vivado 2015.4 for LabVIEW 2016、NI CompactRIO Device Drivers August 2016（分別如圖 2-12、2-13 以及 2-14 所示）。
圖 2-8 安裝步驟 1
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圖 2-9 安裝步驟 2
圖 2-10 安裝步驟 3
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圖 2-11 安裝步驟 4
圖 2-12 安裝步驟 5
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圖 2-13 安裝步驟 6
圖 2-14 安裝步驟 7 2.6. NI MAX 設定與配置
開啟 NI-MAX (Measurement & Automation Explorer)設定網路，如 圖 2-16 所示，在選擇 Host-Target Network setup 中，HOST 與
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Target 必須在同一個區域網路內才可線連，且需要關閉防火牆。區域 網路小型使用的是 192.X.X.X，如果像大公司或學校會使用
10.X.X.X。本研究僅需使用小型區域網路 192.x.x.x 即可，所以本系統 的 Static IP 即使用 192.X.X.X。下面即為本研究所使用之網路設 定：
IP Address：172.22.11.2 Subnet mask：255.255.255.0
Default gateway：可不設（Host 和 Target 無外連）
DNS Servers：可不設（實名與 IP 轉換）
Compact有分使用 IP Addressing 以及USB port，其中IP Addressing 有 三種：DHCP、Link-local、Static IP，而本研究則選擇 USB port。在系 統尚未連接時，NI MAX Remote Systems 會顯示尚未連接，如圖2-17 上圖所示，在接上USB port之後，系統會自動偵測（如仍尚未連結可按 下Refresh鍵），此時系統已連結後的圖是會有所變更，如圖2-17下圖所 示，當已經連結後系統會自動分配IP Addressing給你（圖2-18），接下 來點選並展開Software（如圖2-19所示），其次要點選Add/Remove Software（如圖2-20 所示），然後在進入軟體設置附加組件(Software set add-ons)之前，會彈出需要登入CompactRIO帳號與密碼的視窗，此時預 設使用者名稱:admin 密碼:空白，即可登入（圖2-21）。登入後，視窗 即進入Real-Time Software Wizard（圖2-22）安裝，此時安裝Real-time Software等相關程式時最好與LabVIEW程式版別相同，本研究使用的 是LabVIEW2016，所以Real-time Software等相關程式也需要安裝2016 版本，如圖2-22右方圖所示。
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圖2-15 NI Measurement & Automation Explorer
圖2-16 CompactRIO未連接與已連接狀態
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圖 2-17 NI MAX 自動分配 IP Addressing
圖 2-18 展開 Software
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圖 2-19 點選 Add/Remove Software
圖 2-20 Log In 介面
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圖 2-21 Real-Time Software Wizard
23 達，其中無刷直流馬達(Brushless DC motor/BLDC motor)所佔有之比率，
則年年快速增加。所謂的無刷直流馬達，是指直流馬達具備有刷直流 霍爾感測器（Hall sensor）（如圖 3-1(a)所示）來檢測永久磁鐵轉子之磁 極位置，然後將位置信號饋入驅動電路（圖 3-1(a)），以提供相對應之 輸入電流給馬達線圈，使其磁動勢和轉子磁極隨時保持垂直狀態，藉 由此控制方法使得馬達正常運轉。
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(a) 驅動電路 (b) 馬達結構 圖 3-1 無刷直流馬達驅動電路及結構圖[11]
圖 3-2 弗來明左手定則[12]
無刷直流馬達最大的特徵是利用電子換向技術（作用視同交流馬
達），一般是利用變頻器取代傳統有刷直流馬達的換向器及碳刷等整流
機械結構，因此沒有電刷，因而無有刷直流馬達使用傳統電刷的缺點。
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圖 3-3 有刷直流馬達和無刷直流馬達的靜態特性與動態特性比較[13]
兩者在馬達動態特性和靜態特性差異上，可簡述如下。有刷直流馬達 的轉矩與旋轉速度的關係，如同圖 3-3(a)所示成為直線，而無刷直流 馬達則如圖 3-3(b)所示，成為稍微凹入的曲線。另外，兩者在馬達啟動 特性(速度上升的情況)上，亦有些差異。如圖 3-3(c)和(d)所示，無刷直 流馬達的速度計算式，相較有刷直流馬達，稍微複雜些。一般而言，若 要正確的計算無刷直流馬達的速度，則需要考量馬達電路方程式與運 動方程式[13]。
最後，綜整上述討論，我們得知：就控制性能、穩定性及功率密度 (power density)而言，無刷直流馬達為一良好的動力驅動裝置。我們可 整理有刷直流馬達和無刷直流馬達的差異比較，如表 3-1 所示，並歸 納出無刷直流馬達的優點如表 3-2 所示。
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其中𝐿𝑠為電樞電路電感而𝑅𝑠為電樞電路電阻。另外，馬達轉矩-轉速 方程式則可由下面運動方程式決定：
𝑇 = 𝐽𝑚𝑑𝜔
𝑑𝑡 + 𝐵𝑚𝜔 + 𝑇𝐿 (6) 其中𝐽𝑚為馬達轉動慣量、𝐵𝑚為馬達遲滯摩擦係數而𝑇𝐿則為馬達負載力 矩。上面(5)-(6)式即稱為無刷直流馬達數學模型，其控制方塊圖如圖 3-5 所示。
圖 3-4 單相全橋變流器及電樞等效電路[11]
圖 3-5 無刷直流馬達控制方塊圖[11]
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第四章 系統設計與實驗結果
4.1. LabVIEW 軟體設定
系統設計之初，必須先安裝完 NI MAX 和 Real-time Software 後，
再開啟 LabVIEW 主程式。首先，要開啟新的專案(New Project)如圖 4-1 所示，開啟專案(Create Project)後選擇運動控制類型 SoftMotion，再 選擇 Brushless Servo Drive (NI 9502) 如圖 4-2 所示，其次建立 Project Name 以及所需要儲存的檔案路徑，然後在 Project Type 之中選擇 Trapezoidal Commutaition(梯形換向模式)，如圖 4-3 所示。在建立專 案完成後，接下來要進行硬體建立以及程式修改。
圖 4-1 LabVIEW Command Windows
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圖 4-2 開啟專案(Create Project)視窗_1
圖 4-3 開啟專案(Create Project)視窗_2
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4.1.1.建立 Targets and Devices
首先在設計 LabVIEW Project 之前需要先建立階層觀念，在 Project 下 有 My Computer 以 及 RT CompactRIO Target ， 另 外 在 RT CompactRIO Target 底下又有 Chassis，Chassis 底下又有 C series modules，
如果一開始沒有階層觀念會在此階段花費過多的時間，此時有了觀念 後就是繼續建立新的 Targets and Devices，如圖 4-4 所示。我們在 Project 處建立新的 RT CompactRIO Target，首先滑鼠右鍵開啟 New Targets and Devices，進入 Targets and Devices 以後，我們可以尋找現有的 Targets and Devices（就是選 Existing target or device），然後選擇現有 的設備種類，如 CompactRIO 或是 ComapctDAQ 等等之類的設備，如 圖 4-5 所示。然後，便會進入 Select Programming Mode(選擇編程模式) ， 本論文選擇(Scan Interface)讓系統自動掃描現有的 Devices，如圖 4-6 所 示。系統在掃描後，會彈出 Discover C Series Modules 視窗，然後點選 Discover 即可，如圖 4-7 所示。然而，此時會發現找不到本論文所使用 的 C Series Modules（如圖 4-8 所示），接著就要細看錯誤描述，看完 以後便可繼續下一步，再來就是要修改程式了。
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圖 4-4 建立新的 Targets and Devices
圖 4-5 Add Targets and Devices
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圖 4-6 Select Programming Mode
圖 4-7 Discover C Series Modules
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圖 4-8 Discovery Status
4.1.2.新增以及部署 FPGA
回到 LabVIEW WINDOWS，我們需要優先新增 FPGA 環境，如圖 4-9 所示。由於有階層概念，所以要在 Chassis 這層新增，此時 FPGA 會彈出詢問是否要增加部屬 FPGA 到你的 Chassis，如圖 4-10 所示。按 下 Deploy Now 以後，會開始執行部屬 FPGA 環境（圖 4-11），然後回 到 Project Windows（如圖 4-12）。設計程式之前，必須先把 Mod1 以 及 Clock 之類等必要檔案拖曳到你剛開啟的 New Chassis，拖曳完成後 如圖 4-13 所示。
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圖 4-9 建立新的 FPGA Target
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圖 4-10 Deploy CompactRIO Chassis Settings
圖 4-11 Deployment Progress
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圖 4-12 Mod 拖曳前示意圖
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圖 4-13 Mod 拖曳完成
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4.2. 無刷直流馬達定速控制之 LabVIEW 程式設計
在設計程式前，我們規劃了無刷直流馬達速度控制流程圖，如圖
在設計程式前，我們規劃了無刷直流馬達速度控制流程圖，如圖