基于VHS-ADC的电力电子实验平台的设计

朱学贵，赵 明，付志红，李 新

(重庆大学电气工程学院 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044)

“电力电子技术”是电气工程与自动化专业的专业基础课。目前大多数电力电子实验平台是以单片机或DSP为核心构建的，实验教学和研究中需要学生进行大量的代码编写，对学生编程能力要求较高。为了增强学生对该课程知识内容的掌握，增强直观感性认识，我们设计了一套基于FPGA的VHS-ADC的实验平台，可进行单相和三相的电力电子整流和逆变的试验。同时，也可将在VHS-ADC中设计的各种先进的控制方法转化为可在FPGA上运行的实时代码，使得各种先进控制方法应用于电力电子试验中成为可能。

1 VHS-ADC简介

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。该平台为用户提供了基于Matlab/Simulink和Xilinx/Altera FPGA的集成开发环境，无缝实现自顶而下的开发流程。VHS-ADC内部拥有丰富的门资源与硬件乘法器，其工作频率可达420MHz，A/D通道采样率可达105MSPS，高速D/A通道采样率达125MSPS，32位的GPIO和FPDP接口建立了与外界高速数据通道。具有高度的并行运算能力，实时性更强［1］。VHS-ADC平台的Xilinx模型库具有丰富的数字信号处理模块，但缺乏电力电子控制模型，例如PI和SPWM等，需要在Simulink环境中创建。Simulink自带的模型库不能编译成FPGA代码，而Xilinx模型库是基于离散信号z域模型，因此需要构建z域电力电子仿真模型。它内含的sysgen模块提供了co-simulation接口，可以将FPGA的实时运算和Simulink仿真紧密结合在一起，提高仿真效率。

VHS-ADC平台将系统开发的各种功能与过程进行集成，即从一个产品的概念设计到数学分析与仿真，从实时仿真试验到实验结果的监控和调节都可以集成到一套平台中来完成。VHS-ADC系统结构和典型VHS-ADC控制系统开发流程分别如图1和图2所示。

图1 VHS-ADC系统结构

图2 基于VHS-ADC的控制系统开发流程

2 基于VHS-ADC的实验平台建设

我校高性能电力电子试验平台，涉及了硬件系统和软件系统。其硬件主要两大部分组成:一部分是由电力电子开关器件和滤波元件和储能元件等构成的功率电路，另一部分是由控制器和采样检测单元以及驱动保护接口构成的测控电路。其软件系统主要包括大型计算仿真软件Matlab/Simulink提供的可视化开发环境，以及与Matlab/Simulink集成的Xilinx公司提供的数字信号处理模块集和Lyrtech公司提供的接口模块集。本实验平台已经建立了较大功率的电力电子实时仿真系统，主要由IGBT功率开关及其驱动电路、电压传感器、电流霍尔传感器、检测调理电路、VHS-ADC实时仿真系统和CPCI工业控制计算机组成［2］。

VHS-ADC实时仿真系统是实验平台的控制中心，通过高速A/D通道完成对电网电压和电流信号的采样;平台内部构建控制模型，通过co-simulation接口进行联合仿真，判断模型的正确性，并编译成FPGA代码;采样DIO模块，将控制脉冲打包成32位数据，由板载FPGA生成控制逻辑，根据GPIO的配置图来分配数据，从GPIO口输出PWM脉冲控制主电路IGBT开关状态;平台中的SDRAM、RTDEX可以实时记录采样数据，观察控制模型中各部分的信号状态。

3 应用实例

该实验平台已经搭建了三相整流/逆变电路，对电路的拓扑结构进行适当修改，就可变成单相电路、DC-DC斩波电路等，将IGBT更换为MOSFET可以形成场效应管开关电路。功率电路可以根据教学和研究需要进行任意搭建。同时，对采样调理和驱动电路正确设计，以满足功率开关的驱动特性和平台接口要求，因而硬件部分完全可以涵盖电力电子课程教学中的内容［3］。实验平台的关键在于控制算法模块化搭建、即时编译下载、实时采样电压电流信号和输出控制信号，也可以及时更新控制算法，这是基于VHS-ADC实验平台的优势所在。

下面以电力电子技术中常见的单相无源逆变电路为例，说明该实验平台在电力电子教学中的应用。

PWM控制的单相逆变电路如图3所示。从电网中引入220V三相电压源，经自耦变压器调节到一定的电压值，再经过三相不控整流器得到所需的直流侧稳压源，逆变电路采用单相全桥结构。主电路的控制部分由VHS-ADC和CPCI工控机完成，采用如图4所示的双闭环PWM控制策略，从尽可能抑制高次谐波，获得低频正弦电压源。

图3 PWM控制的单相逆变电路

图4 电压电流双闭环控制原理框图

对于PWM控制算法，我们可以利用Matlab/Simulink首先搭建连续域控制模型，进行连续域离线仿真，然后将各个模块逐一转换为等价的离散域Xilinx模块。如果对控制算法熟悉，且熟悉Xilinx模块，也可以直接建立离散域模型，进行半实物实时仿真。在VHS-ADC中建立的离散域实时控制模型可以直接编译生成可执行代码，并自动映射到FPGA板卡上，建立起了软件与硬件的桥梁。通过控制VHS-ADC控制台(Control Utility)来操作高速仿真平台的启停，同时实现FPGA板卡与主电路的衔接。

基于该平台搭建的控制电路的模型如图5所示。该模型实质上是一个包含自定义控制算法的PWM发生器，主要由PI控制模块、限幅模块、死区模块组成。

图5 控制电路的VHS-ADC模型

根据PI控制的离散方程构建电压外环的VHS-ADC模型，为电流内环PI子模块提供参考电流，电压外环子模块如图6所示。电流内环PI子模块与电压外环子模块结构相同，仅PI参数设置不同。

图6 电压外环PI模型

图7中利用三个加法器和一个减法器实现限幅环节，用来避免控制输出的不稳定。

图8中利用延迟模块和逻辑与模块设置逆变器死区时间。输入信号经过该子模型后，被延迟四个采样周期时间，再与原信号进行逻辑与运算，就可得到带有死区时间的PWM信号，避免同桥臂开关管同时导通而引起输出故障和造成损坏。

图7 限幅模型

图8 死区时间模型

连接功率电路进行半实物仿真，得到的基波波形如图9所示。因为三相不可控整流提供的直流电压需要0.01秒左右才能达到稳定，所以逆变输出波形在0.01秒之前是逐渐增大的，当直流电压稳定后，仿真波形几乎与期望波形重合。

图9 仿真波形

4 结语

本实验室构建了一套以VHS-ADC为核心的电力电子实验平台。对该实验平台的电路拓扑结构或器件、调理电路或驱动接口进行适当改变，我们就可实现电力电子课程中的单相和三相整流、逆变、DC-DC斩波和交流变换等原理性实验。实验平台的关键在于控制算法模块化搭建、即时编译下载、实时采样电压电流信号和输出控制信号，也可以及时更新控制算法，这是基于VHS-ADC实验平台的优势所在。该平台还可作为本科生课程设计、毕业设计以及创新研究的实验平台。实践表明，该平台对培养学生创新能力、实践能力起到了良好作用。

［1］ 付志红，马静，谢品芳.基于高速数字信号处理平台的实时仿真技术［J］.北京:系统仿真学报，2007，19(16):3680-3683.

［2］ 付志红，董玉玺，朱学贵.数字锁相环与滤波技术在PWM整流器中的应用［J］.重庆:重庆大学学报，2010，33(7):35-41

［3］ 王兆安，刘进军.电力电子技术(第5版)［M］.北京:机械工业出版社，2009.