行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計畫八：感應馬達無量測控制系統之分散式即時多工作業 系統之研究與開發(I)
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC91-2213-E-011-105-
執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學機械工程系
計畫主持人： 莊華益
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 92 年 9 月 24 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
感應馬達無量測控制系統之分散式即時多工作業系統 之研究與開發(I)
計畫編號：NSC91-2213-E011-105 執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日 主持人：莊華益 EMAIL：[email protected]
執行機構及單位名稱：國立臺灣科技大學機械系
一、中文摘要
本 子 計 劃 將 開 發 一 通 用 目 的 處 理 器 (General Purpose Processor：以下簡稱 GPP) 與數位訊號理器(Digital Signal Processor：
以下簡稱 DSP)共同運作的交流馬達驅動 系統。
即時多工作業系統將以 Linux/GNU 以及 RT-Linux (一個具有 hard real-time 能力的 Linux/GNU 系統)為基底，實行人機介面、
網路通訊以及即時排程演算法的設計與驗 證，作為程式開發與執行的工作平台，可 在 GPP 上提供即時多工與分散式的計算環 境。使用高速多工 DSP，並以高階的程式 設計語言(例如：C 語言)作為馬達控制演算 法則分析、評估與設計的計算環境，並採 用 DSP 控制器作為馬達驅動介面。
本子計劃目標將建立一感應馬達驅動系統 專用之分散式即時多工作業系統。所完成 之具體功能有：（1）Web-base 人機介面，
多使用者可同時透過瀏覽器下命令。（2）
可同時執行多個運動程式。（3）執行單軸 伺服控制，驗證系統之可行性。
關鍵詞：即時、多工、Linux、RTLinux、
DSP
Abstr act：
This project is to design a distributed real-time multi-task operating system for induction motor developed platform.
The system includes a general purpose processor and a high speed DSP. The GPP
is running at the real-time Linux operating system. The DSP combined with dual inverter is for motor control purpose.
Results, the proposed research can provide practical distributed
real-time motor drives system. Also, it contributes a virtual laboratory for studying, and the kernel technology of the motor drives environment for industries.
Keyword : real -time, multi-task, Linux, RTLinux, DSP
二、原由與目的
目前仿間企業所發展的 DSP 發展整合 環境具備強大功能，譬如 TI code composer V2.0 ， 具 備 了 multi-site, multi-user, multi-processor 和 multi-target 的功能。
但 TI 之 code composer 僅能使用在 TI 所發 展之系列 DSP 上, 故所提供之開放軟體環 境亦僅適用於 TI 產品，而無法使用於其他 廠牌 DSP 或含 DSP 功能之微控制器。而其 內部所具備的 DSP/bios －小型即時多工 作業系統,亦無法移植至其它的 CPU。本計 畫將採用 Linux/GNU 及 RTLinux (real-time Linux)- 具 有 硬 即 時 (hard real-time) 能 力 外 ， 還 具 備 了 開 放 原 始 碼 ， 符 合 IEEE POSIX （ Portable Operating System
Interface）工業標準，支援多應用軟體等特 性。透過此一系統架構出跨平臺的資料整 合交換與遠端即時監控馬達驅動系統。
三、結果與討論
本年度計劃結果分為二部份，分別為 (一)軟體程式撰寫，(二) 硬體電路測試。
分別討論如下：
(一) 軟體程式撰寫：
RTLinux 推薦的即時系統設計模式分為需 要硬即時的即時部分，以及作為人機介面 的非即時部分。根據這個模式，本研究將 即時運動控制系統以及運動資料傳輸介面 納入需要硬即時的部份，而把運動控制系 統遠端控制網頁、Web 伺服器、共通閘道介 面（Common Gateway Interface）、運動及 緊急命令直譯器和運動執行緒… 等人機介 面處理程式歸為非即時部份。系統架構圖 如下所示：
圖 1 系統架構
(二) 硬體電路測試：
為測試系統之可行性，選擇 FPGA（Field Programming Gate Array）可程式元件執行 三階式變頻器驅動和控制演算法的計算，
以作為 SH-4 作業系統與應用程式的測試 環境。實驗架構圖如下：
Ethernet Hitachi
SH-4
圖 2 實驗架構圖
四、計畫成果自評：
本計劃已成功完成，製作一 Web-base 多人多工運動控制系統，其成果可分下列 二項說明：
1.軟體設計方面：
根據述率單調式演算法在相對時間底限等 於週期的工作可排程使用率為：
828 . 0 ) 1 2 (
2 1/2− =
RM = U
軌跡產生即時執行緒的週期為 20ms，時間 限制條件實測值如下：
最大 最小 平均
47276ns 26877ns 34806ns
軌跡產生即時執行緒的使用率 u1 為 0.0023668
細部插值即時執行緒的週期為 20ms，時間 限制條件實測值如下：
最大 最小 平均 59155ns 44756ns 48368ns
細部插值即時執行緒的使用率 u2 為 0.00295775
即時系統總使用率為：
00295775 .
0 0023668 .
2 0
1+ = +
=u u ut
=0.00532455<URM =0.828
所以系統是可以合理被排程的，也就是說 系統的硬即時效能可以被滿足。
2.硬體電路測試：
本實驗針對感應馬達分別輸入一正弦波和 一方波，以測試其轉速的響應，實驗結果 分別為圖 3 及圖 4，硬體實體圖為圖 5。
經由實驗結果證明，Linux/GNU 作業 系統的跨硬體平臺可攜性優異特性，在 SH4 上的實現可以得到印證。以此系統架 構所發展出的 Web-base 多人多工運動控制 系統，可滿足控制系統的即時需求。本計 劃將 Web-base 多人多工運動控制系統技術 做一完整的發展，所獲得的成果可立即移 轉國內運動控制界，以為馬達驅動系統提 供最好工具與環境
五、參考文獻
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【4】W. Richard Stevens, TCP/IP illustrated – the protocol, volume 1, Addison Wesley Longman, 1994.
【5】Alessandro Rubini, Jonathan Corbet, Linux device driver, 2nd edition, O'Reilly, 2001.
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【11】Shieh, H.-J., and Shyu, K.-K.,
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IEEE Transaction on Industrial
Electronics, Vol. 46, No. 2, April 1999, pp. 380-389.
圖 3 正弦輸入下之轉速響應圖
圖 4 方波輸入下之轉速響應
圖 5 硬體實體圖
