宗胜旺

摘 要： 在实时仿真技术为电力电子技术研究的重要课题之一的背景下，以DSP 作为控制器，FPGA 为仿真器实现目标实时仿真平台。针对DSP传统和模型化两种开发方式，提出基于Matlab/Simulink 和Embedded Coder 的控制器算法开发方法。在实时仿真平台上，设计并实现两电平三相逆变电路、三电平三相逆变电路、单相逆变电压瞬时值反馈电路的实时仿真。根据平台仿真结果可知，模型化开发方式可以缩短控制器算法开发周期、提高开发效率、降低开发风险。

关键词： 实时仿真； DSP； 模型化开发； FPGA仿真器

中图分类号： TN919?34； TM417 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）05?0155?06

0 引 言

电力电子技术是利用功率半导体器件的开关作用控制电功率的流动，实现对电能进行变换或控制的技术。数字仿真是电力电子系统设计研究的一种基本手段，可分为非实时仿真和实时仿真两类[1]。相对非实时仿真，实时仿真可节省开发费用、缩短开发周期，提高系统开发的可靠性和安全性。本文主要研究实时仿真系统，实时仿真平台主要包含FPGA仿真器和DSP 控制器两大部分。

DSP 控制器主要有传统式和模型化两种开发方式。传统开发方式编程过程费时耗力，对控制器算法的高效开发构成局限。而如图1所示基于模型的设计方法则打破了手工编程的局限性，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 控制器算法设计方法和开发流程。在Simulink 环境下，用C281x等模块库中的模块设计控制算法模型，基于Embedded Coder 代码生成机制自动生成代码、编译链接、下载至DSP运行。

模型的DSP开发方式，使得模型参数设置直观简便，大大降低了DSP的开发难度。在Simulink环境中实现整个开发流程，增强控制算法的可控性和能观性。控制对象由FPGA仿真器实时仿真，使DSP控制器等同于连接到实际装置中，减少开发风险。DSP控制器与FPGA仿真器都采用模型化开发方式，可方便、高效地实现电力电子系统的离线、实时仿真以及DSP控制器的设计、开发和验证。

1 实时仿真平台设计

1.1 系统构架

实时仿真平台硬件架构如图2所示，包含Host计算机、DSP控制器、FPGA仿真板卡和I/O箱。

Host计算机用于电力系统建模，本文采用的建模软件是Matlab R2012b的Simulink软件及其所包含的SimPowerSystem工具箱。FPGA仿真板卡采用Xilin公司的ML605开发板，通过SoPC的方式将仿真求解器IP核、PCIe接口、PWM输入接口、Aurora高速串行接口等资源集成在一起。DSP控制器采用TI公司推出的TMS320F2812，产生PWM控制信号，驱动逆变器上的IGBT器件。I/O机箱可以将仿真结果转换成模拟量输出供示波器显示，也可以和外界物理设备进行交互。综合考虑性能和价格因素，本平台选择了大道科技公司的QQ2812开发板为DSP 开发板。

1.2 DSP控制器

TMS320F2812是一款用于控制的32位定点DSP芯片，兼容F2407的指令系统，最高可以在150 MHz主频下工作。该控制器由内核和片内外设两部分组成，其中片内外设主要包括：两个事件管理器（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、外部中断接口等，如图3所示。

每个281x 处理器都包含两个事件管理（Event Manager，EV）。每个事件管理器包含两个通用定时器（GP）、比较器、PWM 单元、捕获单元、正交编码脉冲电路（QEP）以及中断逻辑电路。

1.3 PWM控制技术

软件生成SPWM 波的方法主要有三种[2]：自然采样法、不对称规则采样法和对称规则采样法。基于对称规则采样法的数据处理量是三种采样法中最少，且效果较好的方法。本文确定用对称规则采样。

1.4 实时仿真实现流程

根据实时仿真系统的硬件架构，整个实时仿真实现的流程图如图4所示。对被仿真对象进行建模，并离线仿真，验证模型功能是否正确。如果模型功能不正确，则进行相应的修改；如果模型功能正确，性能满足要求，则对离线仿真模型进行如下两方面的处理。

（1） FPGA仿真器方面：利用Matlab脚本程序对仿真模型进行分析和参数提取。因为FPGA实现的实时仿真算法和SimPowerSystem软件实现的离线仿真算法存在一定的差异，因此利用脚本语言解析的模型参数加载到Simulink离线仿真求解器对FPGA实时仿真，并对产生的结果进行预判。

（2） DSP控制器方面：在离线仿真模型中，控制信号是根据PWM波的产生原理，由Simulink模块搭建实现的，可以通过示波器模块（Scope）显示及被控仿真电路的输出来判断控制信号是否正确。离线模型验证之后，需要在DSP硬件平台上实现控制算法。

2 DSP控制器模型化开发

2.1 开发工具

本文模型将Matlab/Simulink/Stateflow与CCS集成开发环境（IDE）和C2000微控制器完美地整合在一起。这些产品集成使开发者能够完成自动代码生成、原型设计和嵌入式系统开发。

Matlab与CCS之间的无缝连接是通过Embedded Coder中的Embedded IDE Link功能实现的，在此基础上，用户可以利用Simulink模型在TI系列DSP上调试、验证自动生成的嵌入式代码。利用RTW?EC等工具，从模型生成C代码，通过For Use with TI′s Code Composer Studio自动调用CCS 开发工具来编译链接生成的C代码，并自动下载到目标板上执行生成的代码，其具体流程如图5所示。

2.2 两电平三相SPWM 控制波形设计实现

两电平三相SPWM 控制模型如图6所示，根据逆变电路输出信号频率的要求，设置正弦调制波频率[f0=]50 Hz，载波比[N=600，]则三角载波频率[fc=30] kHz。选择Waveform period为2 500，设置Waveform type为Symmetric，使输出对称的PWM波。调制正弦波向上平移量为1 250，使中心值与三角载波对齐。设置PWM1，3，5为高有效，PWM2，4，6 为低有效。

将PWM1～6管脚接到示波器，可分析输出的波形。如图7所示，三角载波周期约为33.3 μs，与其设定的频率30 kHz 相符合。

为进一步清晰观察和验证代码产生的正确性，更改参数设置。将载波比减小至[N=30，]正弦调制波频率不变，则三角载波频率[fc=]1 500 Hz，Waveform period设置为50 000，调制正弦波偏移量为25 000，调制比仍为0.8，正弦幅值为20 000。同时对C281x PWM设置死区时间，Deadband prescaler 为32，Deadband period为10，死区时间大小为1/75×32×10=4.26 μs。同样经过自动代码生成过程后，用示波器观察运行结果。

测量显示三角载波周期约为667 μs，与设定频率相近。死区时间如图8所示约为4.28 μs，与搭建模型时的设定值（4.26 μs）相符，再次验证了DSP模型化开发方式实现SPWM 波的正确性。

2.3 三电平三相SPWM控制波形设计实现

三电平三相SPWM控制[3]算法模型如图9所示，该控制器需要运用两个C281x PWM模块。图中Sine Wave是频率为50 Hz、相位为0的正弦调制信号， Sine Wave1和Sine Wave2与Sine Wave相位分别相差[2π3]和[4π3。]载波比[N=600，]三角载波频率[fc=]30 kHz，设置Waveform period为2 500，调制比为0.8。Sine Wave 经过Saturation模块和Add模块处理后，生成分别对应Ta1，Ta3和 Ta2，Ta4的调制波信号。Sine Wave1和Sine Wave2 经过同样的处理后，分别产生B相和C相的调制信号。对模型进行离线仿真，用Scope 模块观察Ta1，Ta3 和 Ta2，Ta4 的调制波信号。

示波器测量SPWM波周期约为20 ms，三角载波周期如图10所示约为33.3 μs，与模型设置相符。

由图11可知，控制波方面，Tb1比Ta1超前约6.6 ms，Tc1比Tb1超前约6.6 ms。因SPWM波在相位上相差[2π3，]对应时间为[T3，]约为6.67 ms。由此证明，模型产生的三相SPWM波在相位关系上也是正确的。

2.4 两电平三相SVPWM控制波形设计实现

离线仿真两电平三相SVPWM控制模型如图12所示。利用creat?subsystem功能将SVPWM离线模型封装为一个模块SVPWM_offline，用该模块的输出去控制如图13所示的两电平三相逆变电路，并用Scope模块观察线电压波形。

对模型进行离线仿真，在给定输入条件下，观察到Ta，Tb，Tc对应的仿真图形是马鞍波，验证了模型的正确性。经过代码自动产生后，DSP运行输出SVPWM 波，如图14所示，设置的载波频率是30 kHz，对应图中测量的32.2 μs。期望输出电压频率是50 Hz，对应图中测得的20 ms。

为了进一步清晰地观察、分析波形规律，更改模型参数，设置Waveform period=50 000。结果如图15所示，图中①～⑨的波形时间分别为：568 μs，592 μs，600 μs，592 μs，584 μs，576 μs，600 μs，600 μs，596 μs，可见此处占空比符合马鞍波的规律与SPWM 波的变化规律（整个周期中占空比按正弦规律变化）区别很明显。由此可证明SVPWM模型产生代码的正确性。

3 实时仿真平台的整体验证

前面设计建立了两电平三相、三电平三相SPWM 控制算法模型、两电平三相SVPWM 控制算法模型，并由模型自动生成代码运行，用示波器分析并验证了产生波形的正确性。

本文利用RTDX（Real?Time Data Exchange，实时数据交换）技术，实现在不停止DSP程序运行的前提下，完成主机与目标DSP 之间的实时数据交换[4]。

3.1 两电平三相逆变电路实时仿真

图13采用了一个两电平三相逆变电路，且已经给出了部分离线仿真结果，现将该电路在实时仿真平台上进行仿真。由FPGA实时仿真，控制信号SVPWM代码自动生成模型。用示波器观察经I/O机箱输出的线电压，并与离线仿真结果对比。

如图16，图17所示，左边为离线线电压，右边为实时仿真电压，实时仿真结果与离线仿真结果相同，滤波后的线电压频率为50 Hz 的正弦信号，证明由模型自动生成的控制程序产生的SVPWM波是正确的，可以驱动逆变电路。同时也验证了FPGA仿真器实时仿真主电路的正确性。

3.2 离网光伏发电系统实时仿真

在Simulink中设计并搭建一个离网光伏发电系统[5]离线仿真模型。为方便研究，将光伏电池板用一个恒定直流源代替，三电平逆变器三相输出经RLC电路滤波后给负载供电。系统相关参数设置为：直流电源电压[Ud=]600 V，电感[L=]0.1 mH，电容[C1=C2=]1 000 μF，[C3=]200 μF，电阻[R1=R2=]0.001 Ω，[R3=10-4]Ω，[R4=]20 Ω，PWM控制器的三角载波频率[fc=]30 kHz，正弦调制波频率[f0=]50 Hz。

分别利用SimPowerSystem软件仿真工具和实时仿真平台进行了离线仿真和实时仿真，离线和实时仿真的步长均设置为2 μs。在实时仿真中，FPGA进行主电路模型的实时仿真。控制器部分采用DSP模型化开发技术，生成可执行代码运行在2812DSP芯片中，产生三相SPWM波信号。

图18～图20为实时仿真与离线仿真结果对比，左侧图为Simulink 中的离线仿真波形，右侧图为实时仿真示波器观察的波形。分析可知，实时仿真的实验结果与离线仿真的结果基本相同，验证了仿真平台中应用DSP模型化开发技术的正确性和整个实时仿真系统的正确性。

3.3 单相逆变电路闭环实时仿真

本文以一台5 VA的单相全桥逆变器电路为仿真对象，研究设计单相逆变电路电压瞬时值闭环控制的实时仿真[6]。

图21为单相全桥逆变电路电压瞬时值反馈闭环控制离线仿真模型，电路的参数设置如下：[Udc=]400 V，电感[L=0.22] mH，电容[C=20] μF，电阻[R=]4.48 Ω，PWM控制器的三角载波频率[fc=]30 kHz，参考正弦电压频率[f0=]50 Hz，峰值为220 V。输出电压经采样反馈后输入PID控制器子模型调节PI 控制器参数，使输出电压能够跟随给定正弦信号。

参考正弦信号和输出电压仿真结果如图22所示，说明闭环控制后，输出电压在相位和幅值上都能准确跟踪参考正弦信号。

在实时仿真时，DSP控制器闭环控制模型如图23所示。

选择从ADCINA0引脚输入反馈电压值，在PWM 模块参数中选择在三角载波的周期匹配时触发ADC转换。ADC转换后的输入值与参考正弦信号做差得误差信号，输入PI控制器，PI控制器的输出作为PWM模块的占空比输入。将I/O机箱输出的反馈信号与板卡相应ADC输入管脚连接，自动生成代码后，用示波器观察输出电压波形如图24所示，输出电压为50 Hz正弦信号。验证了整个实时仿真系统的正确性。

4 结 论

为改善当前电力电子数字控制器的设计现状，缩短开发周期，本文将模型化开发方式成功地运用在电力电子数字控制器（DSP）的算法开发上，所设计的两电平三相逆变器SPWM控制、两电平三相逆变器SVPWM控制、三电平三相逆变器SPWM控制、单相逆变器电压反馈闭环控制等算法，已经在电力电子实时仿真平台上实现。证明了采用模型化开发方式开发DSP控制器PWM开/闭环控制算法的高效性和正确性，同时也验证了整个电力电子实时仿真平台的正确性。

同时系统还存在一定缺陷，需要进一步研究：

（1） 在闭环控制策略上，目前只研究了单相逆变电路的电压瞬时值单环控制，且没有定量地分析控制性能，后续可以研究三相逆变电路的闭环控制和其他更先进的控制算法。

（2） 目前对RTDX的应用只进行了初步探索，后续研究可以利用Matlab的图形用户界面GUI和API函数，结合RTDX模块实现DSP的实时数据交换，设计友好的实验交互界面。

参考文献

[1] 彭冲.电力系统数字仿真技术现状及展望[J].河北电力技术，2013，32（4）：23?26.

[2] 季伟.基于DSP 的SPWM 交流变压电源的设计[D].宁波：宁波大学，2012.

[3] 吴小溪.二极管钳位型三电平逆变器的研究[D].武汉：华中科技大学，2011.

[4] 许海丽，张茂青，严震宇.基于Matlab的DSP2812RTDX 实时绘制电机转速曲线[J].苏州大学学报（工科版），2012，32（5）：47?50.

[5] 郭伟，宗波，乔尔敏.基于LabVIEW的大功率电力电子装置监控系统设计[J].计算机测量与控制，2012，20（10）：2676?2679.

[6] 罗长春.基于DSP单相逆变器数字控制实验系统研究[D].杭州：浙江大学，2007.