一种基于dSPACE和FPGA的多模式移相调制设计

程 林 林志法 宋冬冬 杜海江



一种基于dSPACE和FPGA的多模式移相调制设计

程 林 林志法 宋冬冬 杜海江

（中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083）

移相技术在双有源全桥电路、高频隔离电源、多电平变换器等诸多领域应用广泛。鉴于原有dSPACE平台ds1103板卡不具备移相脉冲输出能力，本文利用dSPACE和FPGA搭建应用于移相控制的半实物仿真平台。通过dSPACE实现控制算法，以端口通信方式向FPGA传输移相信息；同时通过FPGA生成移相调制脉冲，输出至相应的驱动模块。该平台具备应用于不同工况下的多种移相模式及切换功能。搭建双有源全桥实验电路验证了所设计算法的正确性。

移相；dSPACE；FPGA；调制；半实物仿真

随着新能源领域的发展，双有源全桥电路（dual- active-bridge，DAB）、高频隔离电源、多电平变换器成为研究热点[1-6]，而移相技术是其中控制回路的重要组成环节。对不同的应用场景，移相控制可分为多种模式，一种模式为设备运行在不同工况下移相角度实时发生变化，如高频隔离电源中采用内移相[2]；DAB电路中采用外移相、双重或多重移相[1,3-4]。另一种在运行过程中移相角度固定不变，如多电平变换器[5]。

dSPACE作为一种应用较广泛的实时仿真平台，可快速实现基于Matlab/Simulink的离线仿真到实时仿真的过渡过程。其ds1103板卡虽然包含多路高速输出接口，但相应模块仅能实现占空比和开关频率的变化，不具备移相脉冲的输出功能。因此有必要对dSPACE平台进行扩展以使其能够应用于移相控制的实时仿真。

现有文献[7-9]针对dSPACE平台的局限性，应用FPGA的并行计算能力对其进行了扩展，研究重点主要在分担计算资源或扩充输入输出接口方向，没有涉及移相控制。文献[10]使用DSP完成控制算法，FPGA实现移相脉冲调制，其中仅针对外移相控制方式进行研究。基于Matlab的dSPACE平台相对于DSP编程灵活性强，通过可视化界面进行操作，易于在开发初期完成控制算法的修改和验证。

本文提出一种基于FPGA和dSPACE的具备多种移相模式的实时仿真平台，应用于不同的移相工作场景，减少重复搭建平台的复杂性，为研发初期的测试提供便利。由dSPACE完成控制算法并生成相应的移相信息，以端口通信方式下发至FPGA，调制后输出移相脉冲。该平台实现了内移相、外移相、双重移相和多重移相方式。DAB电路双侧全桥的特性使其具备工作在多种移相模式下的能力，因此搭建DAB电路为例对该平台进行验证。

1 半实物仿真平台设计及运行机理

以DAB拓扑为研究对象，设计的半实物仿真平台结构如图1所示。dSPACE实现采样、故障检测和控制算法3部分功能。采样模块采集DAB电路的双侧直流电压和直流电流；故障检测模块接收IGBT驱动上传的故障信息，向FPGA下发脉冲封锁信号。在dSPACE操作界面设置手动封锁按钮及复位按钮，以便在实验过程中随时进行停机或复位操作。

图1 DAB电路拓扑及控制结构

为理解方便，所述4种移相时序在图2中统一表示。S1—S8为相应开关管的驱动脉冲，每个半桥的上下管互补导通。hs为开关周期的一半，1、2、3分别为半个周期内的1侧内移相比、桥间外移相比、2侧内移相比，调节范围均为-1～1，大于0为超前移相，小于0为滞后移相，等效为移相角度调节范围为-p～p。图2中移相比与hs的乘积表示移相角。

在内移相模式时，DAB电路变压器一侧为移相全桥方式，另一侧为二极管全桥整流方式，改变全桥的移相角度，输出电压相应变化。其中，1为S4相对于S1的移相，3为S8相对于S5的移相。

外移相模式工作机理为：两侧全桥的内移相比均为0，分别输出电压为AB和CD。通过调节两侧全桥开关的通断时序，使高频变压器两侧方波电压AB和CD之间存在相位差，进而在电感两侧形成电压差，产生功率流动。其中，2为S5相对于S1的移相，2＞0时，功率由1向2传输，2＜0时，功率由2向1传输。

图2 DAB电路开关时序

仅外移相工作时，DAB电路存在的功率环流和电流应力相对较大[1-6]，研究人员提出双重[1]和多重移相控制[4]，在外移相基础上增加单侧全桥的内移相或双侧全桥的内移相。简言之，当1和3均为0时，即外移相；当1或3仅其中一个为0时，为双重移相；当1和3都不为0时，称为多重移相。

在不同工况下，为了使DAB电路工作在最优状态，需要几种模式移相模式进行交替工作[3]。

2 FPGA脉冲实现过程

为实现图2的移相时序，设计的FPGA工作流程如图3所示，由5个进程并行执行，由上至下依次为基准方波电平计数进程、基准半桥（第一半桥）脉冲调制进程、三路移相脉冲调制进程。FPGA接收到基准方波后，通过电平计数器up和down对其高低电平进行累加计数。

在无故障工况下，在基准方波的基础上生成两路带死区的互补脉冲，作为第一半桥驱动脉冲S1/S2，死区时间计数器dead内置在FPGA程序中；移相信息包含三路占空比可变的脉冲，通过移相比计数器读取占空比作为其余3个半桥的移相比，并与基准方波的电平计数器比较后生成移相脉冲。3个半桥的移相脉冲调制机理相同，如图3所示，使用同一进程表示，但在内移相模式下，需要封锁其中一侧全桥的驱动脉冲，此时虚线框中的流程参与工作。在接受到故障封锁信号时，所有驱动脉冲置低，待故障消除且复位后重新恢复工作。另在dSPACE与FPGA间设置两路端口表征移相调制模式切换标识。

图3 FPGA调制流程图

图4以基准半桥和第三半桥为例，用时序图仔细表示了图3流程中关键变量和端口的变化过程，其中2为第三半桥移相比计数器，代表死区时间。

图4 移相时序图

3 离线仿真及半实物实验结果分析

分别通过Matlab离线仿真和搭建的实时仿真实验平台进行了测试，仿真及实验参数见表1。其中，dSPACE采用1103板卡，FPGA采用Xilinx XC3S400。

图5 实验平台

表1 实验器材及参数

分别针对4种移相方式进行仿真和实验，如图6所示，其中（a）/（b）为内移相方式；（c）/（d）为外移相方式；（e）/（f）为双重移相方式；（g）/（h）为多重移相方式。每种方式下分别测量AB，CD以及电感电流L3个变量。

内移相模式下，1=0.4，1侧内移相，2侧脉冲封锁，采用5W负载。AB为三电平电压，CD为方波电压，存在占空比丢失。

外移相模式下，1=3=0，2=0.6。AB与CD均为方波电压，后者相对于前者产生相位差。

（a）

（b）

（c）

（d）

（e）

（f）

（g）

（h）

图6 4种移相方式下仿真与实验波形图

双重移相模式下，1=0.4，2=1，3=0。AB为三电平电压，CD为方波电压。

多重移相模式下，1=0.4，2=1，3=0.4。AB与CD均为三电平电压。

4 结论

1）利用dSAPCE完成控制算法，通过FPGA调制生成移相脉冲，在原有实时仿真平台的基础上扩展了移相脉冲的输出功能，并且通过dSPACE指令可在多种移相控制模式之间灵活进行切换，可应用于不同移相工作场景。

2）以DAB电路为例，搭建实际功率回路，通过离线仿真和实时仿真验证了所设计移相调制算法的正确性。

3）FPGA丰富的接口仍有较大扩展空间，可在此基础上扩充输出脉冲数量，应用其他需要移相控制的场合。

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The Design of Multi-mode Phase-shift Modulation Method based on dSPACE and FPGA

Cheng Lin Lin Zhifa Song Dongdong Du Haijiang

(College of Information and Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083)

Phase-shift technology is widely used in dual-active full bridge circuit, high-frequency isolated power supply, multi-level converter and many other fields. As the 1103 board of dSPACE platform does not have the ability to output shift pulse, a hardware-in-the-loop simulation (HILS) platform based on dSPACE and FPGA is proposed to realize phase-shifting control. The control algorithm is achieved by dSPACE and the information of phase-shifting is transported to FPGA through port communication. FPGA modulates the shift pulses and transport them to the driver module. This platform can work in different modes of phase-shift. Finally, a DAB circuit is built to verify the correctness of the algorithm.

phase-shift; dSPACE; FPGA; modulation; HILS

程 林（1990-），男，辽宁省葫芦岛市人，硕士研究生，研究方向为变流器技术。