朱學(xué)貴，趙 明，付志紅，李 新

(重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

“電力電子技術(shù)”是電氣工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。目前大多數(shù)電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是以單片機(jī)或DSP為核心構(gòu)建的，實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究中需要學(xué)生進(jìn)行大量的代碼編寫(xiě)，對(duì)學(xué)生編程能力要求較高。為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)該課程知識(shí)內(nèi)容的掌握，增強(qiáng)直觀感性認(rèn)識(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于FPGA的VHS-ADC的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可進(jìn)行單相和三相的電力電子整流和逆變的試驗(yàn)。同時(shí)，也可將在VHS-ADC中設(shè)計(jì)的各種先進(jìn)的控制方法轉(zhuǎn)化為可在FPGA上運(yùn)行的實(shí)時(shí)代碼，使得各種先進(jìn)控制方法應(yīng)用于電力電子試驗(yàn)中成為可能。

1 VHS-ADC簡(jiǎn)介

加拿大Lyrtech公司的VHS-ADC是一種基于FPGA的高速數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)采用Xilinx公司的Virtex-II系列FPGA作為主要信號(hào)處理模塊。該平臺(tái)為用戶(hù)提供了基于Matlab/Simulink和Xilinx/Altera FPGA的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，無(wú)縫實(shí)現(xiàn)自頂而下的開(kāi)發(fā)流程。VHS-ADC內(nèi)部擁有豐富的門(mén)資源與硬件乘法器，其工作頻率可達(dá)420MHz，A/D通道采樣率可達(dá)105MSPS，高速D/A通道采樣率達(dá)125MSPS，32位的GPIO和FPDP接口建立了與外界高速數(shù)據(jù)通道。具有高度的并行運(yùn)算能力，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)［1］。VHS-ADC平臺(tái)的Xilinx模型庫(kù)具有豐富的數(shù)字信號(hào)處理模塊，但缺乏電力電子控制模型，例如PI和SPWM等，需要在Simulink環(huán)境中創(chuàng)建。Simulink自帶的模型庫(kù)不能編譯成FPGA代碼，而Xilinx模型庫(kù)是基于離散信號(hào)z域模型，因此需要構(gòu)建z域電力電子仿真模型。它內(nèi)含的sysgen模塊提供了co-simulation接口，可以將FPGA的實(shí)時(shí)運(yùn)算和Simulink仿真緊密結(jié)合在一起，提高仿真效率。

VHS-ADC平臺(tái)將系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的各種功能與過(guò)程進(jìn)行集成，即從一個(gè)產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)到數(shù)學(xué)分析與仿真，從實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的監(jiān)控和調(diào)節(jié)都可以集成到一套平臺(tái)中來(lái)完成。VHS-ADC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和典型VHS-ADC控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程分別如圖1和圖2所示。

圖1 VHS-ADC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 基于VHS-ADC的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

2 基于VHS-ADC的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

我校高性能電力電子試驗(yàn)平臺(tái)，涉及了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。其硬件主要兩大部分組成:一部分是由電力電子開(kāi)關(guān)器件和濾波元件和儲(chǔ)能元件等構(gòu)成的功率電路，另一部分是由控制器和采樣檢測(cè)單元以及驅(qū)動(dòng)保護(hù)接口構(gòu)成的測(cè)控電路。其軟件系統(tǒng)主要包括大型計(jì)算仿真軟件Matlab/Simulink提供的可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境，以及與Matlab/Simulink集成的Xilinx公司提供的數(shù)字信號(hào)處理模塊集和Lyrtech公司提供的接口模塊集。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)建立了較大功率的電力電子實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，主要由IGBT功率開(kāi)關(guān)及其驅(qū)動(dòng)電路、電壓傳感器、電流霍爾傳感器、檢測(cè)調(diào)理電路、VHS-ADC實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和CPCI工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成［2］。

VHS-ADC實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制中心，通過(guò)高速A/D通道完成對(duì)電網(wǎng)電壓和電流信號(hào)的采樣;平臺(tái)內(nèi)部構(gòu)建控制模型，通過(guò)co-simulation接口進(jìn)行聯(lián)合仿真，判斷模型的正確性，并編譯成FPGA代碼;采樣DIO模塊，將控制脈沖打包成32位數(shù)據(jù)，由板載FPGA生成控制邏輯，根據(jù)GPIO的配置圖來(lái)分配數(shù)據(jù)，從GPIO口輸出PWM脈沖控制主電路IGBT開(kāi)關(guān)狀態(tài);平臺(tái)中的SDRAM、RTDEX可以實(shí)時(shí)記錄采樣數(shù)據(jù)，觀察控制模型中各部分的信號(hào)狀態(tài)。

3 應(yīng)用實(shí)例

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)搭建了三相整流/逆變電路，對(duì)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)修改，就可變成單相電路、DC-DC斬波電路等，將IGBT更換為MOSFET可以形成場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)電路。功率電路可以根據(jù)教學(xué)和研究需要進(jìn)行任意搭建。同時(shí)，對(duì)采樣調(diào)理和驅(qū)動(dòng)電路正確設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)特性和平臺(tái)接口要求，因而硬件部分完全可以涵蓋電力電子課程教學(xué)中的內(nèi)容［3］。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的關(guān)鍵在于控制算法模塊化搭建、即時(shí)編譯下載、實(shí)時(shí)采樣電壓電流信號(hào)和輸出控制信號(hào)，也可以及時(shí)更新控制算法，這是基于VHS-ADC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)所在。

下面以電力電子技術(shù)中常見(jiàn)的單相無(wú)源逆變電路為例，說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用。

PWM控制的單相逆變電路如圖3所示。從電網(wǎng)中引入220V三相電壓源，經(jīng)自耦變壓器調(diào)節(jié)到一定的電壓值，再經(jīng)過(guò)三相不控整流器得到所需的直流側(cè)穩(wěn)壓源，逆變電路采用單相全橋結(jié)構(gòu)。主電路的控制部分由VHS-ADC和CPCI工控機(jī)完成，采用如圖4所示的雙閉環(huán)PWM控制策略，從盡可能抑制高次諧波，獲得低頻正弦電壓源。

圖3 PWM控制的單相逆變電路

圖4 電壓電流雙閉環(huán)控制原理框圖

對(duì)于PWM控制算法，我們可以利用Matlab/Simulink首先搭建連續(xù)域控制模型，進(jìn)行連續(xù)域離線(xiàn)仿真，然后將各個(gè)模塊逐一轉(zhuǎn)換為等價(jià)的離散域Xilinx模塊。如果對(duì)控制算法熟悉，且熟悉Xilinx模塊，也可以直接建立離散域模型，進(jìn)行半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真。在VHS-ADC中建立的離散域?qū)崟r(shí)控制模型可以直接編譯生成可執(zhí)行代碼，并自動(dòng)映射到FPGA板卡上，建立起了軟件與硬件的橋梁。通過(guò)控制VHS-ADC控制臺(tái)(Control Utility)來(lái)操作高速仿真平臺(tái)的啟停，同時(shí)實(shí)現(xiàn)FPGA板卡與主電路的銜接。

基于該平臺(tái)搭建的控制電路的模型如圖5所示。該模型實(shí)質(zhì)上是一個(gè)包含自定義控制算法的PWM發(fā)生器，主要由PI控制模塊、限幅模塊、死區(qū)模塊組成。

圖5 控制電路的VHS-ADC模型

根據(jù)PI控制的離散方程構(gòu)建電壓外環(huán)的VHS-ADC模型，為電流內(nèi)環(huán)PI子模塊提供參考電流，電壓外環(huán)子模塊如圖6所示。電流內(nèi)環(huán)PI子模塊與電壓外環(huán)子模塊結(jié)構(gòu)相同，僅PI參數(shù)設(shè)置不同。

圖6 電壓外環(huán)PI模型

圖7中利用三個(gè)加法器和一個(gè)減法器實(shí)現(xiàn)限幅環(huán)節(jié)，用來(lái)避免控制輸出的不穩(wěn)定。

圖8中利用延遲模塊和邏輯與模塊設(shè)置逆變器死區(qū)時(shí)間。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)該子模型后，被延遲四個(gè)采樣周期時(shí)間，再與原信號(hào)進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，就可得到帶有死區(qū)時(shí)間的PWM信號(hào)，避免同橋臂開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通而引起輸出故障和造成損壞。

圖7 限幅模型

圖8 死區(qū)時(shí)間模型

連接功率電路進(jìn)行半實(shí)物仿真，得到的基波波形如圖9所示。因?yàn)槿嗖豢煽卣魈峁┑闹绷麟妷盒枰?.01秒左右才能達(dá)到穩(wěn)定，所以逆變輸出波形在0.01秒之前是逐漸增大的，當(dāng)直流電壓穩(wěn)定后，仿真波形幾乎與期望波形重合。

圖9 仿真波形

4 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了一套以VHS-ADC為核心的電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或器件、調(diào)理電路或驅(qū)動(dòng)接口進(jìn)行適當(dāng)改變，我們就可實(shí)現(xiàn)電力電子課程中的單相和三相整流、逆變、DC-DC斬波和交流變換等原理性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的關(guān)鍵在于控制算法模塊化搭建、即時(shí)編譯下載、實(shí)時(shí)采樣電壓電流信號(hào)和輸出控制信號(hào)，也可以及時(shí)更新控制算法，這是基于VHS-ADC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)所在。該平臺(tái)還可作為本科生課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及創(chuàng)新研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)踐表明，該平臺(tái)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力起到了良好作用。

［1］ 付志紅，馬靜，謝品芳.基于高速數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)［J］.北京:系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19(16):3680-3683.

［2］ 付志紅，董玉璽，朱學(xué)貴.數(shù)字鎖相環(huán)與濾波技術(shù)在PWM整流器中的應(yīng)用［J］.重慶:重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33(7):35-41

［3］ 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)(第5版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.