基于VHS-ADC的三相整流器高速实时仿真平台的设计

黄江波,付志红,王万宝

(1.长江师范学院 物理学与电子工程学院，重庆408100；2.重庆大学 电气工程学院，重庆 400044)

目前，对三相电压型SVPWM整流器的研究多集中在与传统PWM和SPWM进行比较。空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)动态响应速度快、稳态性能好、容易微处理器实现，但实现复杂、实时控制要求高、需高速微处理器[1-2],仿真方法也多采用MATLAB/SIMULINK的连续域仿真。在传统的纯数字离线仿真研究中，三相电压型SVPWM整流器模型都是在一定假设条件下的简化模型，同时没有考虑开关损耗、开关时间、死区等方面的影响，与实际对象存在差异；此外，纯数字离线仿真无法考虑到包括实际处理器的运算能力、存储器的限制、中断及I/O接口电路电气特性等诸多因素。因此,本文提出基于VHS-ADC高速数字信号处理平台来研究三相电压型SVPWM整流器的硬件在回路仿真方法，设计了平台的接口电路，研究了A/D端口和GPIO端口的衔接，并通过实验验证，达到了较好效果[1-5]。

1 VHS-ADC系统

加拿大Lyrtech公司的VHS-ADC是一种基于FPGA的高速数字信号处理系统，系统采用Xilinx公司的Virtex-II系列FPGA作为主要信号处理模块，为用户提供了基于MATLAB/SIMULINK、Xilinx/Altera FPGA的集成开发环境，无缝地实现自顶向下的开发流程。VHS-ADC内部拥有丰富的门资源与硬件乘法器,工作频率可达420 MHz，高速 A/D通道采样率可达 105 MS/s,高速 D/A通道采样率可达 125 MS/s，32位的 GPIO和 FPDP接口建立了与外界的高速数据通道,具有高度的并行运算能力，实时性强[6-8]。VHS-ADC系统结构如图1所示。

本文构建的三相电压型SVPWM整流器的高速实时仿真平台，以VHS-ADC、CPCI工控机作为控制系统主体，结合主电路拓扑结构，辅以硬件接口电路等设备构成了电路测试和试验平台。整个系统结构如图2所示。

整个系统需要检测的信号有三相电压源信号ua、ub、uc和交流侧输入电流 ia、ib、ic以及直流侧输出电压 udc。这些信号经过信号调理电路之后传输到VHS-ADC平台的A/D接口接收范围内的模拟信号，然后VHS-ADC完成系统的控制部分，最后由平台输出的SVPWM控制脉冲经过驱动及保护电路控制主电路的IGBT。 整个系统结构简单明了，易于实现。

2 平台接口电路设计

(1)电压信号的采集

交流电压信号采集采用SLMV2000E传感器，它是一种高精度、快速电压传感器，电流输出型，初级和次级高度隔离，采集电压范围为 0～2 000 V，变比为400:1，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则电压波形，且价格比LEM霍尔电压传感器低。交流电压采集调理电路如图3所示。

图3 交流侧电压信号采集调理电路

SLC800是一种非常先进的线性光电耦合器,使用高匹配晶体管使伺服反馈回路和传递输出回路达到非常好的匹配。直流侧电压采集调理电路如图4所示。图中,信号检测电路输出的直流侧电压信号调理成 0～2.25 V范围内的模拟电压信号，然后把这些模拟电压信号送给VHS-ADC的 A/D转换接口。其直流侧电压为uin=udc，经过电阻分压和电压跟随器可得到线性光耦的输入电压为：

根据 SLC800的工作原理，可以得到经过调理之后的直流侧的电压信号为：

通过调节电位器R的值，可得到不同倍数下的输出值，同时必须满足uout≤2.25 V,不超过VHS-ADC平台A/D接口所允许通过的最大值。

(2)电流信号的采集

电流信号的采集采用型号为Honeywell CSNR161的霍尔电流传感器,基于霍尔效应和零磁场平衡原理测量电流，最大测量电流为125 A(rms)，输入输出电流比为125 mA/125 A，交流电流信号的采集和调理电路如图5所示。

传感器采用±12 V双电源供电，其输出电流信号经测量电阻R转换为电压信号后，由运算放大器构成的电压跟随器与接口匹配，可调整电位器R的大小，使输出的双极性信号恰好落在-1.125 V～+1.125 V的范围，然后传送给VHS-ADC的A/D端口。

3 VHS-ADC与接口板的衔接

3.1 A/D端口的衔接

通过平台接口板可以检测到交流侧三相电压信号和电流信号以及直流侧的电容输出电压信号，然后传输到VHS-ADC的A/D转换接口。当使用A/D端口时，在VHS-ADAC Control Utility控制板上可以选择是否使用可编程增益(增益的范围为0～255)。如果不采用增益，则模拟输入与数字输出是成正比例关系；如果采用增益，则不成正比例关系。根据A/D特性，输入电压的最高值为2.25 V，可得到模拟量与数字量的比例关系为：

图5 交流电流信号的采集和调理电路

式中，UA为A/D的模拟输入量，UD为数字量。A/D端口的每一位对应的模拟量为0.14 mV。

根据交流侧的电压、电流采集以及调理电路和式(3)，可得电压和电流信号采集后的数字量表达式为：

式中，R为电流传感器的测量电阻，Ua、Ia为电网电压和电流的初始模拟信号，UD、ID为经过A/D转换后的数字量信号。为了恢复初始的模拟信号的量值，需要对数字量信号进行降倍处理。根据式(4)可知,需将电压降低18倍、电流降低7.15R倍。

根据直流侧电压采集和调理电路及式(2)、式(3)，可得直流侧电压信号的数字量表达式为：

取 R=10 kΩ,R1=1 MΩ，R2=10 kΩ，R4=100 kΩ，则式(5)可简化为：udcD=7udc。可见直流侧的电压应该在整流器控制模型内降低7倍才能还原到初始信号值。

3.2 GPIO端口的衔接

(1)三相电压型SVPWM整流器的控制模型获得的控制脉冲信号通过GPIO输出，I/O接口的逻辑电平标准是LVTTL，输出高电平为 3.3 V，低电平≤0.4 V。而接口板与GPIO口衔接的MC74HC08AD是CMOS集成电路，逻辑电平为5 V,接近于电源电压。TTL驱动门的最小输出电平小于CMOS负载门的最小输入电平,无法为CMOS提供符合标准的高、低电平。因此,在TTL与CMOS两种电路并存的情况下,需要设计TTL电路与CMOS电路的接口。此端口的衔接是用TTL电路驱动CMOS电路,采用的方法是在TTL电路的输出端与+5 V电源之间接入上拉电阻RG。当TTL输出高电平时,输出级的负载管和驱动管同时截止，故有：

式中,VOH为TTL驱动管的输出电压，VDD为电路供电电源，IO为TTL电路输出级截止时的漏电流，I1H为负载管的输入电流。由于IO和I1H都很小，所以只要合理选取RG的阻值，TTL的输出电平可被提升为VOH≈VDD=5 V。

(2)GPIO端口是一个32位34针脚的I/O端口，理清GPIO的脉冲输出针脚与6个IGBT之间的对应关系，才能正确地控制IGBT的开关状态。根据GPIO的分配表可得到GPIO针脚与IGBT管脚的对应关系如表1所示。本设计的 PCB 板，信号从 IGBT 的 2、4、6、8、10、12 引脚输出。T1、T2、T3、T4、T5、T6与原理图的三相桥电路IGBT相对应，G为IGBT的集电极端。

4 实验

为了验证所设计平台接口板的正确性，调试完PCB板之后，得到实验结果如下：

(1)电压采集波形如图6所示。图6(a)为电网A相输入电压为Us=30 V，波形1为电网电压经过变压器和电压传感得到的输入波形，波形2为经过调理电路后的输出波形，可以看出电压的相位和幅值完全一致，表明电压采集调理电路的正确性。在图6(b)中，在线形光耦采集调理电路的电阻分压之后输入直流电压信号为0.806 V，输出电压信号为0.077 V，隔离光耦线形度满足要求，验证表明，线形隔离光耦传输线形度好，所设计的采集调理电路正确。

(2)GPIO的输出控制脉冲与IGBT的集电极和基极两端的控制脉冲对应关系如图7所示。

表1 GPIO针脚分配图及其与IGBT管脚对应关系

图7的信号是从GPIO口输出的控制脉冲，最高逻辑电平被上拉电阻提升到5 V，满足了TTL与CMOS电路的转换条件。IGBT的控制脉冲高电平为+14 V，此时管子导通，低电平为-8 V，管子关断。可看出从平台内部输出的GPIO控制脉冲与IGBT的控制脉冲完全对应，验证了平台接口板设计正确性。

本文通过对三相整流器高速实时仿真平台的电压和电流信号采集电路及调理接口电路的设计，通过实验可得接口设计电路电压的相位和幅值完全一致，在线形光耦采集调理电路的电阻分压后,输入直流电压信号与输出电压信号相近，隔离光耦线形度满足要求，验证了线形隔离光耦传输线形度好，设计的采集调理电路的正确性。通过从平台内部输出的GPIO控制脉冲与IGBT的控制脉冲完全对应，验证了仿真平台接口板设计的正确性和可行性，为进一步研究硬件在三相整流回路中实现高速实时仿真奠定了理论基础，具有一定的应用价值。

[1]王永,沈颂华,关淼.新颖的基于电压空间矢量三相双向整流器的研究[J].电工技术学报，2006,21(1):104-110.

[2]赵 亮，张 波.电力电子级联系统稳定性判据研究及仿真验证[J].电子技术应用，2009,35(8):79－82.

[3]YU Fand,YAN Xing,HU Yu Wen.A fast algorithm for SVPWM in three-phase power factor correction application[C].IEEE Power Electronics Specialists Conference,2004:976-979.

[4]邹学渊，王京，张勇军，等.基于内模控制的改进型三相PWM整流器[J].电子技术应用,2009,35(8):76－78.

[5]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社,2001.

[6]鲁建厦,方荣,兰秀菊.国内仿真技术的研究热点[J].系统仿真学报,2004,16(9):1910-1913.

[7]卢子广,柴建云,王祥琦,等.电力驱动系统实时控制虚拟实验平台[J].中国电机工程学报,2003,23(4):119-123.

[8]宋强，刘钟淇，张洪涛，等.大功率电力电子装置实时仿真的研究进展[J].系统仿真学报，2006,18(12):3329-3333.

[9]王兆安，黄俊.电力电子技术（第四版）[D].北京：机械工业出版社，2001.