程 林 林志法 宋冬冬 杜海江

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一種基于dSPACE和FPGA的多模式移相調(diào)制設(shè)計(jì)

程 林 林志法 宋冬冬 杜海江

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083）

移相技術(shù)在雙有源全橋電路、高頻隔離電源、多電平變換器等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。鑒于原有dSPACE平臺(tái)ds1103板卡不具備移相脈沖輸出能力，本文利用dSPACE和FPGA搭建應(yīng)用于移相控制的半實(shí)物仿真平臺(tái)。通過dSPACE實(shí)現(xiàn)控制算法，以端口通信方式向FPGA傳輸移相信息；同時(shí)通過FPGA生成移相調(diào)制脈沖，輸出至相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊。該平臺(tái)具備應(yīng)用于不同工況下的多種移相模式及切換功能。搭建雙有源全橋?qū)嶒?yàn)電路驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)算法的正確性。

移相；dSPACE；FPGA；調(diào)制；半實(shí)物仿真

隨著新能源領(lǐng)域的發(fā)展，雙有源全橋電路（dual- active-bridge，DAB）、高頻隔離電源、多電平變換器成為研究熱點(diǎn)[1-6]，而移相技術(shù)是其中控制回路的重要組成環(huán)節(jié)。對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，移相控制可分為多種模式，一種模式為設(shè)備運(yùn)行在不同工況下移相角度實(shí)時(shí)發(fā)生變化，如高頻隔離電源中采用內(nèi)移相[2]；DAB電路中采用外移相、雙重或多重移相[1,3-4]。另一種在運(yùn)行過程中移相角度固定不變，如多電平變換器[5]。

dSPACE作為一種應(yīng)用較廣泛的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，可快速實(shí)現(xiàn)基于Matlab/Simulink的離線仿真到實(shí)時(shí)仿真的過渡過程。其ds1103板卡雖然包含多路高速輸出接口，但相應(yīng)模塊僅能實(shí)現(xiàn)占空比和開關(guān)頻率的變化，不具備移相脈沖的輸出功能。因此有必要對(duì)dSPACE平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展以使其能夠應(yīng)用于移相控制的實(shí)時(shí)仿真。

現(xiàn)有文獻(xiàn)[7-9]針對(duì)dSPACE平臺(tái)的局限性，應(yīng)用FPGA的并行計(jì)算能力對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展，研究重點(diǎn)主要在分擔(dān)計(jì)算資源或擴(kuò)充輸入輸出接口方向，沒有涉及移相控制。文獻(xiàn)[10]使用DSP完成控制算法，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)移相脈沖調(diào)制，其中僅針對(duì)外移相控制方式進(jìn)行研究?；贛atlab的dSPACE平臺(tái)相對(duì)于DSP編程靈活性強(qiáng)，通過可視化界面進(jìn)行操作，易于在開發(fā)初期完成控制算法的修改和驗(yàn)證。

本文提出一種基于FPGA和dSPACE的具備多種移相模式的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，應(yīng)用于不同的移相工作場(chǎng)景，減少重復(fù)搭建平臺(tái)的復(fù)雜性，為研發(fā)初期的測(cè)試提供便利。由dSPACE完成控制算法并生成相應(yīng)的移相信息，以端口通信方式下發(fā)至FPGA，調(diào)制后輸出移相脈沖。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)移相、外移相、雙重移相和多重移相方式。DAB電路雙側(cè)全橋的特性使其具備工作在多種移相模式下的能力，因此搭建DAB電路為例對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)及運(yùn)行機(jī)理

以DAB拓?fù)錇檠芯繉?duì)象，設(shè)計(jì)的半實(shí)物仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。dSPACE實(shí)現(xiàn)采樣、故障檢測(cè)和控制算法3部分功能。采樣模塊采集DAB電路的雙側(cè)直流電壓和直流電流；故障檢測(cè)模塊接收IGBT驅(qū)動(dòng)上傳的故障信息，向FPGA下發(fā)脈沖封鎖信號(hào)。在dSPACE操作界面設(shè)置手動(dòng)封鎖按鈕及復(fù)位按鈕，以便在實(shí)驗(yàn)過程中隨時(shí)進(jìn)行停機(jī)或復(fù)位操作。

圖1 DAB電路拓?fù)浼翱刂平Y(jié)構(gòu)

為理解方便，所述4種移相時(shí)序在圖2中統(tǒng)一表示。S1—S8為相應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖，每個(gè)半橋的上下管互補(bǔ)導(dǎo)通。hs為開關(guān)周期的一半，1、2、3分別為半個(gè)周期內(nèi)的1側(cè)內(nèi)移相比、橋間外移相比、2側(cè)內(nèi)移相比，調(diào)節(jié)范圍均為-1～1，大于0為超前移相，小于0為滯后移相，等效為移相角度調(diào)節(jié)范圍為-p～p。圖2中移相比與hs的乘積表示移相角。

在內(nèi)移相模式時(shí)，DAB電路變壓器一側(cè)為移相全橋方式，另一側(cè)為二極管全橋整流方式，改變?nèi)珮虻囊葡嘟嵌?，輸出電壓相?yīng)變化。其中，1為S4相對(duì)于S1的移相，3為S8相對(duì)于S5的移相。

外移相模式工作機(jī)理為：兩側(cè)全橋的內(nèi)移相比均為0，分別輸出電壓為AB和CD。通過調(diào)節(jié)兩側(cè)全橋開關(guān)的通斷時(shí)序，使高頻變壓器兩側(cè)方波電壓AB和CD之間存在相位差，進(jìn)而在電感兩側(cè)形成電壓差，產(chǎn)生功率流動(dòng)。其中，2為S5相對(duì)于S1的移相，2＞0時(shí)，功率由1向2傳輸，2＜0時(shí)，功率由2向1傳輸。

圖2 DAB電路開關(guān)時(shí)序

僅外移相工作時(shí)，DAB電路存在的功率環(huán)流和電流應(yīng)力相對(duì)較大[1-6]，研究人員提出雙重[1]和多重移相控制[4]，在外移相基礎(chǔ)上增加單側(cè)全橋的內(nèi)移相或雙側(cè)全橋的內(nèi)移相。簡(jiǎn)言之，當(dāng)1和3均為0時(shí)，即外移相；當(dāng)1或3僅其中一個(gè)為0時(shí)，為雙重移相；當(dāng)1和3都不為0時(shí)，稱為多重移相。

在不同工況下，為了使DAB電路工作在最優(yōu)狀態(tài)，需要幾種模式移相模式進(jìn)行交替工作[3]。

2 FPGA脈沖實(shí)現(xiàn)過程

為實(shí)現(xiàn)圖2的移相時(shí)序，設(shè)計(jì)的FPGA工作流程如圖3所示，由5個(gè)進(jìn)程并行執(zhí)行，由上至下依次為基準(zhǔn)方波電平計(jì)數(shù)進(jìn)程、基準(zhǔn)半橋（第一半橋）脈沖調(diào)制進(jìn)程、三路移相脈沖調(diào)制進(jìn)程。FPGA接收到基準(zhǔn)方波后，通過電平計(jì)數(shù)器up和down對(duì)其高低電平進(jìn)行累加計(jì)數(shù)。

在無故障工況下，在基準(zhǔn)方波的基礎(chǔ)上生成兩路帶死區(qū)的互補(bǔ)脈沖，作為第一半橋驅(qū)動(dòng)脈沖S1/S2，死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器dead內(nèi)置在FPGA程序中；移相信息包含三路占空比可變的脈沖，通過移相比計(jì)數(shù)器讀取占空比作為其余3個(gè)半橋的移相比，并與基準(zhǔn)方波的電平計(jì)數(shù)器比較后生成移相脈沖。3個(gè)半橋的移相脈沖調(diào)制機(jī)理相同，如圖3所示，使用同一進(jìn)程表示，但在內(nèi)移相模式下，需要封鎖其中一側(cè)全橋的驅(qū)動(dòng)脈沖，此時(shí)虛線框中的流程參與工作。在接受到故障封鎖信號(hào)時(shí)，所有驅(qū)動(dòng)脈沖置低，待故障消除且復(fù)位后重新恢復(fù)工作。另在dSPACE與FPGA間設(shè)置兩路端口表征移相調(diào)制模式切換標(biāo)識(shí)。

圖3 FPGA調(diào)制流程圖

圖4以基準(zhǔn)半橋和第三半橋?yàn)槔?，用時(shí)序圖仔細(xì)表示了圖3流程中關(guān)鍵變量和端口的變化過程，其中2為第三半橋移相比計(jì)數(shù)器，代表死區(qū)時(shí)間。

圖4 移相時(shí)序圖

3 離線仿真及半實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

分別通過Matlab離線仿真和搭建的實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試，仿真及實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。其中，dSPACE采用1103板卡，F(xiàn)PGA采用Xilinx XC3S400。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

表1 實(shí)驗(yàn)器材及參數(shù)

分別針對(duì)4種移相方式進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，如圖6所示，其中（a）/（b）為內(nèi)移相方式；（c）/（d）為外移相方式；（e）/（f）為雙重移相方式；（g）/（h）為多重移相方式。每種方式下分別測(cè)量AB，CD以及電感電流L3個(gè)變量。

內(nèi)移相模式下，1=0.4，1側(cè)內(nèi)移相，2側(cè)脈沖封鎖，采用5W負(fù)載。AB為三電平電壓，CD為方波電壓，存在占空比丟失。

外移相模式下，1=3=0，2=0.6。AB與CD均為方波電壓，后者相對(duì)于前者產(chǎn)生相位差。

（a）

（b）

（c）

（d）

（e）

（f）

（g）

（h）

圖6 4種移相方式下仿真與實(shí)驗(yàn)波形圖

雙重移相模式下，1=0.4，2=1，3=0。AB為三電平電壓，CD為方波電壓。

多重移相模式下，1=0.4，2=1，3=0.4。AB與CD均為三電平電壓。

4 結(jié)論

1）利用dSAPCE完成控制算法，通過FPGA調(diào)制生成移相脈沖，在原有實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了移相脈沖的輸出功能，并且通過dSPACE指令可在多種移相控制模式之間靈活進(jìn)行切換，可應(yīng)用于不同移相工作場(chǎng)景。

2）以DAB電路為例，搭建實(shí)際功率回路，通過離線仿真和實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)移相調(diào)制算法的正確性。

3）FPGA豐富的接口仍有較大擴(kuò)展空間，可在此基礎(chǔ)上擴(kuò)充輸出脈沖數(shù)量，應(yīng)用其他需要移相控制的場(chǎng)合。

[1] 趙彪, 于慶廣, 孫偉欣. 雙重移相控制的雙向全橋DC-DC變換器及其功率回流特性的分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(3): 99-103.

[2] 劉闖, 劉艷鵬, 劉海洋, 等. 高頻隔離型電動(dòng)汽車快速直流充電器研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(3): 40-49.

[3] 高寧, 陳強(qiáng), 李睿, 等. 一種基于模式切換的隔離型雙向直流變換器效率優(yōu)化方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(6): 135-143.

[4] 侯聶, 宋文勝. 全橋隔離DC/DC變換器的三重相移控制及其軟啟動(dòng)方法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(23): 6113-6121.

[5] 公錚, 伍小杰, 王釗, 等. 基于載波移相調(diào)制的模塊化多電平變換器變頻運(yùn)行控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(11): 2822-2830, 后插21.

[6] 晏坤, 王輝, 漆文龍, 等. 微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中基于PWM加雙重移相控制的雙向DC/DC變換器研究[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2015, 35(4): 44-52.

[7] 舒楊. 基于FPGA的dSPACE平臺(tái)擴(kuò)展方法[J]. 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào), 2013, 11(5): 802-806.

[8] Gupta R K, Somani A, Mohapatra K K, et al. Space vector PWM for a direct matrix converter based Open- End winding AC drives with enhanced capabilities[C]// 2010 Twenty-Fifth Annual Ieee Applied Power Elec- tronics Conference and Exposition (APEC). Palm Springs, CA, 2010: 901- 908.

[9] 吳瑕杰, 王順亮, 宋文勝, 等. 基于FPGA的三電平空間矢量脈寬調(diào)制算法半實(shí)物實(shí)驗(yàn)方案[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2014, 38(3): 78-82, 88.

[10] 李新培, 陳強(qiáng), 李睿, 等. 基于大容量鏈?zhǔn)絻?chǔ)能系統(tǒng)的DAB移相控制研究[J]. 電力電子技術(shù), 2015, 49(12): 98-100.

The Design of Multi-mode Phase-shift Modulation Method based on dSPACE and FPGA

Cheng Lin Lin Zhifa Song Dongdong Du Haijiang

(College of Information and Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083)

Phase-shift technology is widely used in dual-active full bridge circuit, high-frequency isolated power supply, multi-level converter and many other fields. As the 1103 board of dSPACE platform does not have the ability to output shift pulse, a hardware-in-the-loop simulation (HILS) platform based on dSPACE and FPGA is proposed to realize phase-shifting control. The control algorithm is achieved by dSPACE and the information of phase-shifting is transported to FPGA through port communication. FPGA modulates the shift pulses and transport them to the driver module. This platform can work in different modes of phase-shift. Finally, a DAB circuit is built to verify the correctness of the algorithm.

phase-shift; dSPACE; FPGA; modulation; HILS

程 林（1990-），男，遼寧省葫蘆島市人，碩士研究生，研究方向?yàn)樽兞髌骷夹g(shù)。