宗勝旺

摘 要： 在實(shí)時(shí)仿真技術(shù)為電力電子技術(shù)研究的重要課題之一的背景下，以DSP 作為控制器，F(xiàn)PGA 為仿真器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。針對(duì)DSP傳統(tǒng)和模型化兩種開發(fā)方式，提出基于Matlab/Simulink 和Embedded Coder 的控制器算法開發(fā)方法。在實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)兩電平三相逆變電路、三電平三相逆變電路、單相逆變電壓瞬時(shí)值反饋電路的實(shí)時(shí)仿真。根據(jù)平臺(tái)仿真結(jié)果可知，模型化開發(fā)方式可以縮短控制器算法開發(fā)周期、提高開發(fā)效率、降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞： 實(shí)時(shí)仿真； DSP； 模型化開發(fā)； FPGA仿真器

中圖分類號(hào)： TN919?34； TM417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）05?0155?06

0 引 言

電力電子技術(shù)是利用功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)作用控制電功率的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能進(jìn)行變換或控制的技術(shù)。數(shù)字仿真是電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的一種基本手段，可分為非實(shí)時(shí)仿真和實(shí)時(shí)仿真兩類[1]。相對(duì)非實(shí)時(shí)仿真，實(shí)時(shí)仿真可節(jié)省開發(fā)費(fèi)用、縮短開發(fā)周期，提高系統(tǒng)開發(fā)的可靠性和安全性。本文主要研究實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)主要包含F(xiàn)PGA仿真器和DSP 控制器兩大部分。

DSP 控制器主要有傳統(tǒng)式和模型化兩種開發(fā)方式。傳統(tǒng)開發(fā)方式編程過程費(fèi)時(shí)耗力，對(duì)控制器算法的高效開發(fā)構(gòu)成局限。而如圖1所示基于模型的設(shè)計(jì)方法則打破了手工編程的局限性，大大提高了算法的可移植性。因此本文提出基于Simulink/Embedded Coder 的DSP 控制器算法設(shè)計(jì)方法和開發(fā)流程。在Simulink 環(huán)境下，用C281x等模塊庫中的模塊設(shè)計(jì)控制算法模型，基于Embedded Coder 代碼生成機(jī)制自動(dòng)生成代碼、編譯鏈接、下載至DSP運(yùn)行。

模型的DSP開發(fā)方式，使得模型參數(shù)設(shè)置直觀簡便，大大降低了DSP的開發(fā)難度。在Simulink環(huán)境中實(shí)現(xiàn)整個(gè)開發(fā)流程，增強(qiáng)控制算法的可控性和能觀性?？刂茖?duì)象由FPGA仿真器實(shí)時(shí)仿真，使DSP控制器等同于連接到實(shí)際裝置中，減少開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。DSP控制器與FPGA仿真器都采用模型化開發(fā)方式，可方便、高效地實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的離線、實(shí)時(shí)仿真以及DSP控制器的設(shè)計(jì)、開發(fā)和驗(yàn)證。

1 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)架

實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)硬件架構(gòu)如圖2所示，包含Host計(jì)算機(jī)、DSP控制器、FPGA仿真板卡和I/O箱。

Host計(jì)算機(jī)用于電力系統(tǒng)建模，本文采用的建模軟件是Matlab R2012b的Simulink軟件及其所包含的SimPowerSystem工具箱。FPGA仿真板卡采用Xilin公司的ML605開發(fā)板，通過SoPC的方式將仿真求解器IP核、PCIe接口、PWM輸入接口、Aurora高速串行接口等資源集成在一起。DSP控制器采用TI公司推出的TMS320F2812，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變器上的IGBT器件。I/O機(jī)箱可以將仿真結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量輸出供示波器顯示，也可以和外界物理設(shè)備進(jìn)行交互。綜合考慮性能和價(jià)格因素，本平臺(tái)選擇了大道科技公司的QQ2812開發(fā)板為DSP 開發(fā)板。

1.2 DSP控制器

TMS320F2812是一款用于控制的32位定點(diǎn)DSP芯片，兼容F2407的指令系統(tǒng)，最高可以在150 MHz主頻下工作。該控制器由內(nèi)核和片內(nèi)外設(shè)兩部分組成，其中片內(nèi)外設(shè)主要包括：兩個(gè)事件管理器（EVA和EVB），16 路12位精度的ADC，1路SPI，2路SCI通信接口（SCIA 和SCIB），1 路CAN、外部中斷接口等，如圖3所示。

每個(gè)281x 處理器都包含兩個(gè)事件管理（Event Manager，EV）。每個(gè)事件管理器包含兩個(gè)通用定時(shí)器（GP）、比較器、PWM 單元、捕獲單元、正交編碼脈沖電路（QEP）以及中斷邏輯電路。

1.3 PWM控制技術(shù)

軟件生成SPWM 波的方法主要有三種[2]：自然采樣法、不對(duì)稱規(guī)則采樣法和對(duì)稱規(guī)則采樣法?；趯?duì)稱規(guī)則采樣法的數(shù)據(jù)處理量是三種采樣法中最少，且效果較好的方法。本文確定用對(duì)稱規(guī)則采樣。

1.4 實(shí)時(shí)仿真實(shí)現(xiàn)流程

根據(jù)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，整個(gè)實(shí)時(shí)仿真實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖4所示。對(duì)被仿真對(duì)象進(jìn)行建模，并離線仿真，驗(yàn)證模型功能是否正確。如果模型功能不正確，則進(jìn)行相應(yīng)的修改；如果模型功能正確，性能滿足要求，則對(duì)離線仿真模型進(jìn)行如下兩方面的處理。

（1） FPGA仿真器方面：利用Matlab腳本程序?qū)Ψ抡婺Ｐ瓦M(jìn)行分析和參數(shù)提取。因?yàn)镕PGA實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)仿真算法和SimPowerSystem軟件實(shí)現(xiàn)的離線仿真算法存在一定的差異，因此利用腳本語言解析的模型參數(shù)加載到Simulink離線仿真求解器對(duì)FPGA實(shí)時(shí)仿真，并對(duì)產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行預(yù)判。

（2） DSP控制器方面：在離線仿真模型中，控制信號(hào)是根據(jù)PWM波的產(chǎn)生原理，由Simulink模塊搭建實(shí)現(xiàn)的，可以通過示波器模塊（Scope）顯示及被控仿真電路的輸出來判斷控制信號(hào)是否正確。離線模型驗(yàn)證之后，需要在DSP硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)控制算法。

2 DSP控制器模型化開發(fā)

2.1 開發(fā)工具

本文模型將Matlab/Simulink/Stateflow與CCS集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和C2000微控制器完美地整合在一起。這些產(chǎn)品集成使開發(fā)者能夠完成自動(dòng)代碼生成、原型設(shè)計(jì)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

Matlab與CCS之間的無縫連接是通過Embedded Coder中的Embedded IDE Link功能實(shí)現(xiàn)的，在此基礎(chǔ)上，用戶可以利用Simulink模型在TI系列DSP上調(diào)試、驗(yàn)證自動(dòng)生成的嵌入式代碼。利用RTW?EC等工具，從模型生成C代碼，通過For Use with TI′s Code Composer Studio自動(dòng)調(diào)用CCS 開發(fā)工具來編譯鏈接生成的C代碼，并自動(dòng)下載到目標(biāo)板上執(zhí)行生成的代碼，其具體流程如圖5所示。

2.2 兩電平三相SPWM 控制波形設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

兩電平三相SPWM 控制模型如圖6所示，根據(jù)逆變電路輸出信號(hào)頻率的要求，設(shè)置正弦調(diào)制波頻率[f0=]50 Hz，載波比[N=600，]則三角載波頻率[fc=30] kHz。選擇Waveform period為2 500，設(shè)置Waveform type為Symmetric，使輸出對(duì)稱的PWM波。調(diào)制正弦波向上平移量為1 250，使中心值與三角載波對(duì)齊。設(shè)置PWM1，3，5為高有效，PWM2，4，6 為低有效。

將PWM1～6管腳接到示波器，可分析輸出的波形。如圖7所示，三角載波周期約為33.3 μs，與其設(shè)定的頻率30 kHz 相符合。

為進(jìn)一步清晰觀察和驗(yàn)證代碼產(chǎn)生的正確性，更改參數(shù)設(shè)置。將載波比減小至[N=30，]正弦調(diào)制波頻率不變，則三角載波頻率[fc=]1 500 Hz，Waveform period設(shè)置為50 000，調(diào)制正弦波偏移量為25 000，調(diào)制比仍為0.8，正弦幅值為20 000。同時(shí)對(duì)C281x PWM設(shè)置死區(qū)時(shí)間，Deadband prescaler 為32，Deadband period為10，死區(qū)時(shí)間大小為1/75×32×10=4.26 μs。同樣經(jīng)過自動(dòng)代碼生成過程后，用示波器觀察運(yùn)行結(jié)果。

測量顯示三角載波周期約為667 μs，與設(shè)定頻率相近。死區(qū)時(shí)間如圖8所示約為4.28 μs，與搭建模型時(shí)的設(shè)定值（4.26 μs）相符，再次驗(yàn)證了DSP模型化開發(fā)方式實(shí)現(xiàn)SPWM 波的正確性。

2.3 三電平三相SPWM控制波形設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

三電平三相SPWM控制[3]算法模型如圖9所示，該控制器需要運(yùn)用兩個(gè)C281x PWM模塊。圖中Sine Wave是頻率為50 Hz、相位為0的正弦調(diào)制信號(hào)， Sine Wave1和Sine Wave2與Sine Wave相位分別相差[2π3]和[4π3。]載波比[N=600，]三角載波頻率[fc=]30 kHz，設(shè)置Waveform period為2 500，調(diào)制比為0.8。Sine Wave 經(jīng)過Saturation模塊和Add模塊處理后，生成分別對(duì)應(yīng)Ta1，Ta3和 Ta2，Ta4的調(diào)制波信號(hào)。Sine Wave1和Sine Wave2 經(jīng)過同樣的處理后，分別產(chǎn)生B相和C相的調(diào)制信號(hào)。對(duì)模型進(jìn)行離線仿真，用Scope 模塊觀察Ta1，Ta3 和 Ta2，Ta4 的調(diào)制波信號(hào)。

示波器測量SPWM波周期約為20 ms，三角載波周期如圖10所示約為33.3 μs，與模型設(shè)置相符。

由圖11可知，控制波方面，Tb1比Ta1超前約6.6 ms，Tc1比Tb1超前約6.6 ms。因SPWM波在相位上相差[2π3，]對(duì)應(yīng)時(shí)間為[T3，]約為6.67 ms。由此證明，模型產(chǎn)生的三相SPWM波在相位關(guān)系上也是正確的。

2.4 兩電平三相SVPWM控制波形設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

離線仿真兩電平三相SVPWM控制模型如圖12所示。利用creat?subsystem功能將SVPWM離線模型封裝為一個(gè)模塊SVPWM_offline，用該模塊的輸出去控制如圖13所示的兩電平三相逆變電路，并用Scope模塊觀察線電壓波形。

對(duì)模型進(jìn)行離線仿真，在給定輸入條件下，觀察到Ta，Tb，Tc對(duì)應(yīng)的仿真圖形是馬鞍波，驗(yàn)證了模型的正確性。經(jīng)過代碼自動(dòng)產(chǎn)生后，DSP運(yùn)行輸出SVPWM 波，如圖14所示，設(shè)置的載波頻率是30 kHz，對(duì)應(yīng)圖中測量的32.2 μs。期望輸出電壓頻率是50 Hz，對(duì)應(yīng)圖中測得的20 ms。

為了進(jìn)一步清晰地觀察、分析波形規(guī)律，更改模型參數(shù)，設(shè)置Waveform period=50 000。結(jié)果如圖15所示，圖中①～⑨的波形時(shí)間分別為：568 μs，592 μs，600 μs，592 μs，584 μs，576 μs，600 μs，600 μs，596 μs，可見此處占空比符合馬鞍波的規(guī)律與SPWM 波的變化規(guī)律（整個(gè)周期中占空比按正弦規(guī)律變化）區(qū)別很明顯。由此可證明SVPWM模型產(chǎn)生代碼的正確性。

3 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的整體驗(yàn)證

前面設(shè)計(jì)建立了兩電平三相、三電平三相SPWM 控制算法模型、兩電平三相SVPWM 控制算法模型，并由模型自動(dòng)生成代碼運(yùn)行，用示波器分析并驗(yàn)證了產(chǎn)生波形的正確性。

本文利用RTDX（Real?Time Data Exchange，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在不停止DSP程序運(yùn)行的前提下，完成主機(jī)與目標(biāo)DSP 之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換[4]。

3.1 兩電平三相逆變電路實(shí)時(shí)仿真

圖13采用了一個(gè)兩電平三相逆變電路，且已經(jīng)給出了部分離線仿真結(jié)果，現(xiàn)將該電路在實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真。由FPGA實(shí)時(shí)仿真，控制信號(hào)SVPWM代碼自動(dòng)生成模型。用示波器觀察經(jīng)I/O機(jī)箱輸出的線電壓，并與離線仿真結(jié)果對(duì)比。

如圖16，圖17所示，左邊為離線線電壓，右邊為實(shí)時(shí)仿真電壓，實(shí)時(shí)仿真結(jié)果與離線仿真結(jié)果相同，濾波后的線電壓頻率為50 Hz 的正弦信號(hào)，證明由模型自動(dòng)生成的控制程序產(chǎn)生的SVPWM波是正確的，可以驅(qū)動(dòng)逆變電路。同時(shí)也驗(yàn)證了FPGA仿真器實(shí)時(shí)仿真主電路的正確性。

3.2 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真

在Simulink中設(shè)計(jì)并搭建一個(gè)離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)[5]離線仿真模型。為方便研究，將光伏電池板用一個(gè)恒定直流源代替，三電平逆變器三相輸出經(jīng)RLC電路濾波后給負(fù)載供電。系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：直流電源電壓[Ud=]600 V，電感[L=]0.1 mH，電容[C1=C2=]1 000 μF，[C3=]200 μF，電阻[R1=R2=]0.001 Ω，[R3=10-4]Ω，[R4=]20 Ω，PWM控制器的三角載波頻率[fc=]30 kHz，正弦調(diào)制波頻率[f0=]50 Hz。

分別利用SimPowerSystem軟件仿真工具和實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)進(jìn)行了離線仿真和實(shí)時(shí)仿真，離線和實(shí)時(shí)仿真的步長均設(shè)置為2 μs。在實(shí)時(shí)仿真中，F(xiàn)PGA進(jìn)行主電路模型的實(shí)時(shí)仿真?？刂破鞑糠植捎肈SP模型化開發(fā)技術(shù)，生成可執(zhí)行代碼運(yùn)行在2812DSP芯片中，產(chǎn)生三相SPWM波信號(hào)。

圖18～圖20為實(shí)時(shí)仿真與離線仿真結(jié)果對(duì)比，左側(cè)圖為Simulink 中的離線仿真波形，右側(cè)圖為實(shí)時(shí)仿真示波器觀察的波形。分析可知，實(shí)時(shí)仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與離線仿真的結(jié)果基本相同，驗(yàn)證了仿真平臺(tái)中應(yīng)用DSP模型化開發(fā)技術(shù)的正確性和整個(gè)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的正確性。

3.3 單相逆變電路閉環(huán)實(shí)時(shí)仿真

本文以一臺(tái)5 VA的單相全橋逆變器電路為仿真對(duì)象，研究設(shè)計(jì)單相逆變電路電壓瞬時(shí)值閉環(huán)控制的實(shí)時(shí)仿真[6]。

圖21為單相全橋逆變電路電壓瞬時(shí)值反饋閉環(huán)控制離線仿真模型，電路的參數(shù)設(shè)置如下：[Udc=]400 V，電感[L=0.22] mH，電容[C=20] μF，電阻[R=]4.48 Ω，PWM控制器的三角載波頻率[fc=]30 kHz，參考正弦電壓頻率[f0=]50 Hz，峰值為220 V。輸出電壓經(jīng)采樣反饋后輸入PID控制器子模型調(diào)節(jié)PI 控制器參數(shù)，使輸出電壓能夠跟隨給定正弦信號(hào)。

參考正弦信號(hào)和輸出電壓仿真結(jié)果如圖22所示，說明閉環(huán)控制后，輸出電壓在相位和幅值上都能準(zhǔn)確跟蹤參考正弦信號(hào)。

在實(shí)時(shí)仿真時(shí)，DSP控制器閉環(huán)控制模型如圖23所示。

選擇從ADCINA0引腳輸入反饋電壓值，在PWM 模塊參數(shù)中選擇在三角載波的周期匹配時(shí)觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換。ADC轉(zhuǎn)換后的輸入值與參考正弦信號(hào)做差得誤差信號(hào)，輸入PI控制器，PI控制器的輸出作為PWM模塊的占空比輸入。將I/O機(jī)箱輸出的反饋信號(hào)與板卡相應(yīng)ADC輸入管腳連接，自動(dòng)生成代碼后，用示波器觀察輸出電壓波形如圖24所示，輸出電壓為50 Hz正弦信號(hào)。驗(yàn)證了整個(gè)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的正確性。

4 結(jié) 論

為改善當(dāng)前電力電子數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，縮短開發(fā)周期，本文將模型化開發(fā)方式成功地運(yùn)用在電力電子數(shù)字控制器（DSP）的算法開發(fā)上，所設(shè)計(jì)的兩電平三相逆變器SPWM控制、兩電平三相逆變器SVPWM控制、三電平三相逆變器SPWM控制、單相逆變器電壓反饋閉環(huán)控制等算法，已經(jīng)在電力電子實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。證明了采用模型化開發(fā)方式開發(fā)DSP控制器PWM開/閉環(huán)控制算法的高效性和正確性，同時(shí)也驗(yàn)證了整個(gè)電力電子實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的正確性。

同時(shí)系統(tǒng)還存在一定缺陷，需要進(jìn)一步研究：

（1） 在閉環(huán)控制策略上，目前只研究了單相逆變電路的電壓瞬時(shí)值單環(huán)控制，且沒有定量地分析控制性能，后續(xù)可以研究三相逆變電路的閉環(huán)控制和其他更先進(jìn)的控制算法。

（2） 目前對(duì)RTDX的應(yīng)用只進(jìn)行了初步探索，后續(xù)研究可以利用Matlab的圖形用戶界面GUI和API函數(shù)，結(jié)合RTDX模塊實(shí)現(xiàn)DSP的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，設(shè)計(jì)友好的實(shí)驗(yàn)交互界面。

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