基于VHS-ADC的電力電子實驗平臺的設(shè)計

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)國家重點實驗室，重慶 400044)

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

1 VHS-ADC簡介

加拿大Lyrtech公司的VHS-ADC是一種基于FPGA的高速數(shù)字信號處理系統(tǒng)，系統(tǒng)采用Xilinx公司的Virtex-II系列FPGA作為主要信號處理模塊。該平臺為用戶提供了基于Matlab/Simulink和Xilinx/Altera FPGA的集成開發(fā)環(huán)境，無縫實現(xiàn)自頂而下的開發(fā)流程。VHS-ADC內(nèi)部擁有豐富的門資源與硬件乘法器，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，實時性更強(qiáng)［1］。VHS-ADC平臺的Xilinx模型庫具有豐富的數(shù)字信號處理模塊，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自帶的模型庫不能編譯成FPGA代碼，而Xilinx模型庫是基于離散信號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的實時運(yùn)算和Simulink仿真緊密結(jié)合在一起，提高仿真效率。

VHS-ADC平臺將系統(tǒng)開發(fā)的各種功能與過程進(jìn)行集成，即從一個產(chǎn)品的概念設(shè)計到數(shù)學(xué)分析與仿真，從實時仿真試驗到實驗結(jié)果的監(jiān)控和調(diào)節(jié)都可以集成到一套平臺中來完成。VHS-ADC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和典型VHS-ADC控制系統(tǒng)開發(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)開發(fā)流程

2 基于VHS-ADC的實驗平臺建設(shè)

我校高性能電力電子試驗平臺，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關(guān)器件和濾波元件和儲能元件等構(gòu)成的功率電路，另一部分是由控制器和采樣檢測單元以及驅(qū)動保護(hù)接口構(gòu)成的測控電路。其軟件系統(tǒng)主要包括大型計算仿真軟件Matlab/Simulink提供的可視化開發(fā)環(huán)境，以及與Matlab/Simulink集成的Xilinx公司提供的數(shù)字信號處理模塊集和Lyrtech公司提供的接口模塊集。本實驗平臺已經(jīng)建立了較大功率的電力電子實時仿真系統(tǒng)，主要由IGBT功率開關(guān)及其驅(qū)動電路、電壓傳感器、電流霍爾傳感器、檢測調(diào)理電路、VHS-ADC實時仿真系統(tǒng)和CPCI工業(yè)控制計算機(jī)組成［2］。

VHS-ADC實時仿真系統(tǒng)是實驗平臺的控制中心，通過高速A/D通道完成對電網(wǎng)電壓和電流信號的采樣;平臺內(nèi)部構(gòu)建控制模型，通過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的配置圖來分配數(shù)據(jù)，從GPIO口輸出PWM脈沖控制主電路IGBT開關(guān)狀態(tài);平臺中的SDRAM、RTDEX可以實時記錄采樣數(shù)據(jù)，觀察控制模型中各部分的信號狀態(tài)。

3 應(yīng)用實例

該實驗平臺已經(jīng)搭建了三相整流/逆變電路，對電路的拓?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可以形成場效應(yīng)管開關(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，對采樣調(diào)理和驅(qū)動電路正確設(shè)計，以滿足功率開關(guān)的驅(qū)動特性和平臺接口要求，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］。實驗平臺的關(guān)鍵在于控制算法模塊化搭建、即時編譯下載、實時采樣電壓電流信號和輸出控制信號，也可以及時更新控制算法，這是基于VHS-ADC實驗平臺的優(yōu)勢所在。

下面以電力電子技術(shù)中常見的單相無源逆變電路為例，說明該實驗平臺在電力電子教學(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)域離線仿真，然后將各個模塊逐一轉(zhuǎn)換為等價的離散域Xilinx模塊。如果對控制算法熟悉，且熟悉Xilinx模塊，也可以直接建立離散域模型，進(jìn)行半實物實時仿真。在VHS-ADC中建立的離散域?qū)崟r控制模型可以直接編譯生成可執(zhí)行代碼，并自動映射到FPGA板卡上，建立起了軟件與硬件的橋梁。通過控制VHS-ADC控制臺(Control Utility)來操作高速仿真平臺的啟停，同時實現(xiàn)FPGA板卡與主電路的銜接。

基于該平臺搭建的控制電路的模型如圖5所示。該模型實質(zhì)上是一個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中利用三個加法器和一個減法器實現(xiàn)限幅環(huán)節(jié)，用來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)時間。輸入信號經(jīng)過該子模型后，被延遲四個采樣周期時間，再與原信號進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，就可得到帶有死區(qū)時間的PWM信號，避免同橋臂開關(guān)管同時導(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)時間模型

連接功率電路進(jìn)行半實物仿真，得到的基波波形如圖9所示。因為三相不可控整流提供的直流電壓需要0.01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

本實驗室構(gòu)建了一套以VHS-ADC為核心的電力電子實驗平臺。對該實驗平臺的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或器件、調(diào)理電路或驅(qū)動接口進(jìn)行適當(dāng)改變，我們就可實現(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驗。實驗平臺的關(guān)鍵在于控制算法模塊化搭建、即時編譯下載、實時采樣電壓電流信號和輸出控制信號，也可以及時更新控制算法，這是基于VHS-ADC實驗平臺的優(yōu)勢所在。該平臺還可作為本科生課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計以及創(chuàng)新研究的實驗平臺。實踐表明，該平臺對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實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)字信號處理平臺的實時仿真技術(shù)［J］.北京:系統(tǒng)仿真學(xué)報，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，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.