基于VHS-ADC的電力電子實驗平臺的設計

朱學貴，趙 明，付志紅，李 新

(重慶大學電氣工程學院 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400044)

“電力電子技術”是電氣工程與自動化專業的專業基礎課。目前大多數電力電子實驗平臺是以單片機或DSP為核心構建的，實驗教學和研究中需要學生進行大量的代碼編寫，對學生編程能力要求較高。為了增強學生對該課程知識內容的掌握，增強直觀感性認識，我們設計了一套基于FPGA的VHS-ADC的實驗平臺，可進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中設計的各種先進的控制方法轉化為可在FPGA上運行的實時代碼，使得各種先進控制方法應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的高速數字信號處理系統，系統采用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的集成開發環境，無縫實現自頂而下的開發流程。VHS-ADC內部擁有豐富的門資源與硬件乘法器，其工作頻率可達420MHz，A/D通道采樣率可達105MSPS，高速D/A通道采樣率達125MSPS，32位的GPIO和FPDP接口建立了與外界高速數據通道。具有高度的并行運算能力，實時性更強［1］。VHS-ADC平臺的Xilinx模型庫具有豐富的數字信號處理模塊，但缺乏電力電子控制模型，例如PI和SPWM等，需要在Simulink環境中創建。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，因此需要構建z域電力電子仿真模型。它內含的sysgen模塊提供了co-simulation接口，可以將FPGA的實時運算和Simulink仿真緊密結合在一起，提高仿真效率。

VHS-ADC平臺將系統開發的各種功能與過程進行集成，即從一個產品的概念設計到數學分析與仿真，從實時仿真試驗到實驗結果的監控和調節都可以集成到一套平臺中來完成。VHS-ADC系統結構和典型VHS-ADC控制系統開發流程分別如圖1和圖2所示。

圖1 VHS-ADC系統結構

圖2 基于VHS-ADC的控制系統開發流程

2 基于VHS-ADC的實驗平臺建設

我校高性能電力電子試驗平臺，涉及了硬件系統和軟件系統。其硬件主要兩大部分組成:一部分是由電力電子開關器件和濾波元件和儲能元件等構成的功率電路，另一部分是由控制器和采樣檢測單元以及驅動保護接口構成的測控電路。其軟件系統主要包括大型計算仿真軟件Matlab/Simulink提供的可視化開發環境，以及與Matlab/Simulink集成的Xilinx公司提供的數字信號處理模塊集和Lyrtech公司提供的接口模塊集。本實驗平臺已經建立了較大功率的電力電子實時仿真系統，主要由IGBT功率開關及其驅動電路、電壓傳感器、電流霍爾傳感器、檢測調理電路、VHS-ADC實時仿真系統和CPCI工業控制計算機組成［2］。

VHS-ADC實時仿真系統是實驗平臺的控制中心，通過高速A/D通道完成對電網電壓和電流信號的采樣;平臺內部構建控制模型，通過co-simulation接口進行聯合仿真，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位數據，由板載FPGA生成控制邏輯，根據GPIO的配置圖來分配數據，從GPIO口輸出PWM脈沖控制主電路IGBT開關狀態;平臺中的SDRAM、RTDEX可以實時記錄采樣數據，觀察控制模型中各部分的信號狀態。

3 應用實例

該實驗平臺已經搭建了三相整流/逆變電路，對電路的拓撲結構進行適當修改，就可變成單相電路、DC-DC斬波電路等，將IGBT更換為MOSFET可以形成場效應管開關電路。功率電路可以根據教學和研究需要進行任意搭建。同時，對采樣調理和驅動電路正確設計，以滿足功率開關的驅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中的內容［3］。實驗平臺的關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實驗平臺的優勢所在。

下面以電力電子技術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中的應用。

PWM控制的單相逆變電路如圖3所示。從電網中引入220V三相電壓源，經自耦變壓器調節到一定的電壓值，再經過三相不控整流器得到所需的直流側穩壓源，逆變電路采用單相全橋結構。主電路的控制部分由VHS-ADC和CPCI工控機完成，采用如圖4所示的雙閉環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首先搭建連續域控制模型，進行連續域離線仿真，然后將各個模塊逐一轉換為等價的離散域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，進行半實物實時仿真。在VHS-ADC中建立的離散域實時控制模型可以直接編譯生成可執行代碼，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。該模型實質上是一個包含自定義控制算法的PWM發生器，主要由PI控制模塊、限幅模塊、死區模塊組成。

圖5 控制電路的VHS-ADC模型

根據PI控制的離散方程構建電壓外環的VHS-ADC模型，為電流內環PI子模塊提供參考電流，電壓外環子模塊如圖6所示。電流內環PI子模塊與電壓外環子模塊結構相同，僅PI參數設置不同。

圖6 電壓外環PI模型

圖7中利用三個加法器和一個減法器實現限幅環節，用來避免控制輸出的不穩定。

圖8中利用延遲模塊和邏輯與模塊設置逆變器死區時間。輸入信號經過該子模型后，被延遲四個采樣周期時間，再與原信號進行邏輯與運算，就可得到帶有死區時間的PWM信號，避免同橋臂開關管同時導通而引起輸出故障和造成損壞。

圖7 限幅模型

圖8 死區時間模型

連接功率電路進行半實物仿真，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秒左右才能達到穩定，所以逆變輸出波形在0.01秒之前是逐漸增大的，當直流電壓穩定后，仿真波形幾乎與期望波形重合。

圖9 仿真波形

4 結語

本實驗室構建了一套以VHS-ADC為核心的電力電子實驗平臺。對該實驗平臺的電路拓撲結構或器件、調理電路或驅動接口進行適當改變，我們就可實現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實驗平臺的優勢所在。該平臺還可作為本科生課程設計、畢業設計以及創新研究的實驗平臺。實踐表明，該平臺對培養學生創新能力、實踐能力起到了良好作用。

［1］ 付志紅，馬靜，謝品芳.基于高速數字信號處理平臺的實時仿真技術［J］.北京:系統仿真學報，2007，19(16):3680-3683.

［2］ 付志紅，董玉璽，朱學貴.數字鎖相環與濾波技術在PWM整流器中的應用［J］.重慶:重慶大學學報，2010，33(7):35-41

［3］ 王兆安，劉進軍.電力電子技術(第5版)［M］.北京:機械工業出版社，2009.