基于實時仿真平臺的DSP技術(shù)研究

宗勝旺

摘 要： 在實時仿真技術(shù)為電力電子技術(shù)研究的重要課題之一的背景下，以DSP 作為控制器，F(xiàn)PGA 為仿真器實現(xiàn)目標實時仿真平臺。針對DSP傳統(tǒng)和模型化兩種開發(fā)方式，提出基于Matlab/Simulink 和Embedded Coder 的控制器算法開發(fā)方法。在實時仿真平臺上，設(shè)計并實現(xiàn)兩電平三相逆變電路、三電平三相逆變電路、單相逆變電壓瞬時值反饋電路的實時仿真。根據(jù)平臺仿真結(jié)果可知，模型化開發(fā)方式可以縮短控制器算法開發(fā)周期、提高開發(fā)效率、降低開發(fā)風(fēng)險。

關(guān)鍵詞： 實時仿真； DSP； 模型化開發(fā)； FPGA仿真器

中圖分類號： TN919?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）05?0155?06

0 引 言

電力電子技術(shù)是利用功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)作用控制電功率的流動，實現(xiàn)對電能進行變換或控制的技術(shù)。數(shù)字仿真是電力電子系統(tǒng)設(shè)計研究的一種基本手段，可分為非實時仿真和實時仿真兩類[1]。相對非實時仿真，實時仿真可節(jié)省開發(fā)費用、縮短開發(fā)周期，提高系統(tǒng)開發(fā)的可靠性和安全性。本文主要研究實時仿真系統(tǒng)，實時仿真平臺主要包含F(xiàn)PGA仿真器和DSP 控制器兩大部分。

DSP 控制器主要有傳統(tǒng)式和模型化兩種開發(fā)方式。傳統(tǒng)開發(fā)方式編程過程費時耗力，對控制器算法的高效開發(fā)構(gòu)成局限。而如圖1所示基于模型的設(shè)計方法則打破了手工編程的局限性，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 控制器算法設(shè)計方法和開發(fā)流程。在Simulink 環(huán)境下，用C281x等模塊庫中的模塊設(shè)計控制算法模型，基于Embedded Coder 代碼生成機制自動生成代碼、編譯鏈接、下載至DSP運行。

模型的DSP開發(fā)方式，使得模型參數(shù)設(shè)置直觀簡便，大大降低了DSP的開發(fā)難度。在Simulink環(huán)境中實現(xiàn)整個開發(fā)流程，增強控制算法的可控性和能觀性?？刂茖ο笥蒄PGA仿真器實時仿真，使DSP控制器等同于連接到實際裝置中，減少開發(fā)風(fēng)險。DSP控制器與FPGA仿真器都采用模型化開發(fā)方式，可方便、高效地實現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的離線、實時仿真以及DSP控制器的設(shè)計、開發(fā)和驗證。

1 實時仿真平臺設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)架

實時仿真平臺硬件架構(gòu)如圖2所示，包含Host計算機、DSP控制器、FPGA仿真板卡和I/O箱。

Host計算機用于電力系統(tǒng)建模，本文采用的建模軟件是Matlab R2012b的Simulink軟件及其所包含的SimPowerSystem工具箱。FPGA仿真板卡采用Xilin公司的ML605開發(fā)板，通過SoPC的方式將仿真求解器IP核、PCIe接口、PWM輸入接口、Aurora高速串行接口等資源集成在一起。DSP控制器采用TI公司推出的TMS320F2812，產(chǎn)生PWM控制信號，驅(qū)動逆變器上的IGBT器件。I/O機箱可以將仿真結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量輸出供示波器顯示，也可以和外界物理設(shè)備進行交互。綜合考慮性能和價格因素，本平臺選擇了大道科技公司的QQ2812開發(fā)板為DSP 開發(fā)板。

1.2 DSP控制器

TMS320F2812是一款用于控制的32位定點DSP芯片，兼容F2407的指令系統(tǒng)，最高可以在150 MHz主頻下工作。該控制器由內(nèi)核和片內(nèi)外設(shè)兩部分組成，其中片內(nèi)外設(shè)主要包括：兩個事件管理器（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、外部中斷接口等，如圖3所示。

每個281x 處理器都包含兩個事件管理（Event Manager，EV）。每個事件管理器包含兩個通用定時器（GP）、比較器、PWM 單元、捕獲單元、正交編碼脈沖電路（QEP）以及中斷邏輯電路。

1.3 PWM控制技術(shù)

軟件生成SPWM 波的方法主要有三種[2]：自然采樣法、不對稱規(guī)則采樣法和對稱規(guī)則采樣法?；趯ΨQ規(guī)則采樣法的數(shù)據(jù)處理量是三種采樣法中最少，且效果較好的方法。本文確定用對稱規(guī)則采樣。

1.4 實時仿真實現(xiàn)流程

根據(jù)實時仿真系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，整個實時仿真實現(xiàn)的流程圖如圖4所示。對被仿真對象進行建模，并離線仿真，驗證模型功能是否正確。如果模型功能不正確，則進行相應(yīng)的修改；如果模型功能正確，性能滿足要求，則對離線仿真模型進行如下兩方面的處理。

（1） FPGA仿真器方面：利用Matlab腳本程序?qū)Ψ抡婺Ｐ瓦M行分析和參數(shù)提取。因為FPGA實現(xiàn)的實時仿真算法和SimPowerSystem軟件實現(xiàn)的離線仿真算法存在一定的差異，因此利用腳本語言解析的模型參數(shù)加載到Simulink離線仿真求解器對FPGA實時仿真，并對產(chǎn)生的結(jié)果進行預(yù)判。

（2） DSP控制器方面：在離線仿真模型中，控制信號是根據(jù)PWM波的產(chǎn)生原理，由Simulink模塊搭建實現(xiàn)的，可以通過示波器模塊（Scope）顯示及被控仿真電路的輸出來判斷控制信號是否正確。離線模型驗證之后，需要在DSP硬件平臺上實現(xiàn)控制算法。

2 DSP控制器模型化開發(fā)

2.1 開發(fā)工具

本文模型將Matlab/Simulink/Stateflow與CCS集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和C2000微控制器完美地整合在一起。這些產(chǎn)品集成使開發(fā)者能夠完成自動代碼生成、原型設(shè)計和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

Matlab與CCS之間的無縫連接是通過Embedded Coder中的Embedded IDE Link功能實現(xiàn)的，在此基礎(chǔ)上，用戶可以利用Simulink模型在TI系列DSP上調(diào)試、驗證自動生成的嵌入式代碼。利用RTW?EC等工具，從模型生成C代碼，通過For Use with TI′s Code Composer Studio自動調(diào)用CCS 開發(fā)工具來編譯鏈接生成的C代碼，并自動下載到目標板上執(zhí)行生成的代碼，其具體流程如圖5所示。

2.2 兩電平三相SPWM 控制波形設(shè)計實現(xiàn)

兩電平三相SPWM 控制模型如圖6所示，根據(jù)逆變電路輸出信號頻率的要求，設(shè)置正弦調(diào)制波頻率[f0=]50 Hz，載波比[N=600，]則三角載波頻率[fc=30] kHz。選擇Waveform period為2 500，設(shè)置Waveform type為Symmetric，使輸出對稱的PWM波。調(diào)制正弦波向上平移量為1 250，使中心值與三角載波對齊。設(shè)置PWM1，3，5為高有效，PWM2，4，6 為低有效。

將PWM1～6管腳接到示波器，可分析輸出的波形。如圖7所示，三角載波周期約為33.3 μs，與其設(shè)定的頻率30 kHz 相符合。

為進一步清晰觀察和驗證代碼產(chǎn)生的正確性，更改參數(shù)設(shè)置。將載波比減小至[N=30，]正弦調(diào)制波頻率不變，則三角載波頻率[fc=]1 500 Hz，Waveform period設(shè)置為50 000，調(diào)制正弦波偏移量為25 000，調(diào)制比仍為0.8，正弦幅值為20 000。同時對C281x PWM設(shè)置死區(qū)時間，Deadband prescaler 為32，Deadband period為10，死區(qū)時間大小為1/75×32×10=4.26 μs。同樣經(jīng)過自動代碼生成過程后，用示波器觀察運行結(jié)果。

測量顯示三角載波周期約為667 μs，與設(shè)定頻率相近。死區(qū)時間如圖8所示約為4.28 μs，與搭建模型時的設(shè)定值（4.26 μs）相符，再次驗證了DSP模型化開發(fā)方式實現(xiàn)SPWM 波的正確性。

2.3 三電平三相SPWM控制波形設(shè)計實現(xiàn)

三電平三相SPWM控制[3]算法模型如圖9所示，該控制器需要運用兩個C281x PWM模塊。圖中Sine Wave是頻率為50 Hz、相位為0的正弦調(diào)制信號， Sine Wave1和Sine Wave2與Sine Wave相位分別相差[2π3]和[4π3。]載波比[N=600，]三角載波頻率[fc=]30 kHz，設(shè)置Waveform period為2 500，調(diào)制比為0.8。Sine Wave 經(jīng)過Saturation模塊和Add模塊處理后，生成分別對應(yīng)Ta1，Ta3和 Ta2，Ta4的調(diào)制波信號。Sine Wave1和Sine Wave2 經(jīng)過同樣的處理后，分別產(chǎn)生B相和C相的調(diào)制信號。對模型進行離線仿真，用Scope 模塊觀察Ta1，Ta3 和 Ta2，Ta4 的調(diào)制波信號。

示波器測量SPWM波周期約為20 ms，三角載波周期如圖10所示約為33.3 μs，與模型設(shè)置相符。

由圖11可知，控制波方面，Tb1比Ta1超前約6.6 ms，Tc1比Tb1超前約6.6 ms。因SPWM波在相位上相差[2π3，]對應(yīng)時間為[T3，]約為6.67 ms。由此證明，模型產(chǎn)生的三相SPWM波在相位關(guān)系上也是正確的。

2.4 兩電平三相SVPWM控制波形設(shè)計實現(xiàn)

離線仿真兩電平三相SVPWM控制模型如圖12所示。利用creat?subsystem功能將SVPWM離線模型封裝為一個模塊SVPWM_offline，用該模塊的輸出去控制如圖13所示的兩電平三相逆變電路，并用Scope模塊觀察線電壓波形。

對模型進行離線仿真，在給定輸入條件下，觀察到Ta，Tb，Tc對應(yīng)的仿真圖形是馬鞍波，驗證了模型的正確性。經(jīng)過代碼自動產(chǎn)生后，DSP運行輸出SVPWM 波，如圖14所示，設(shè)置的載波頻率是30 kHz，對應(yīng)圖中測量的32.2 μs。期望輸出電壓頻率是50 Hz，對應(yīng)圖中測得的20 ms。

為了進一步清晰地觀察、分析波形規(guī)律，更改模型參數(shù)，設(shè)置Waveform period=50 000。結(jié)果如圖15所示，圖中①～⑨的波形時間分別為：568 μs，592 μs，600 μs，592 μs，584 μs，576 μs，600 μs，600 μs，596 μs，可見此處占空比符合馬鞍波的規(guī)律與SPWM 波的變化規(guī)律（整個周期中占空比按正弦規(guī)律變化）區(qū)別很明顯。由此可證明SVPWM模型產(chǎn)生代碼的正確性。

3 實時仿真平臺的整體驗證

前面設(shè)計建立了兩電平三相、三電平三相SPWM 控制算法模型、兩電平三相SVPWM 控制算法模型，并由模型自動生成代碼運行，用示波器分析并驗證了產(chǎn)生波形的正確性。

本文利用RTDX（Real?Time Data Exchange，實時數(shù)據(jù)交換）技術(shù)，實現(xiàn)在不停止DSP程序運行的前提下，完成主機與目標DSP 之間的實時數(shù)據(jù)交換[4]。

3.1 兩電平三相逆變電路實時仿真

圖13采用了一個兩電平三相逆變電路，且已經(jīng)給出了部分離線仿真結(jié)果，現(xiàn)將該電路在實時仿真平臺上進行仿真。由FPGA實時仿真，控制信號SVPWM代碼自動生成模型。用示波器觀察經(jīng)I/O機箱輸出的線電壓，并與離線仿真結(jié)果對比。

如圖16，圖17所示，左邊為離線線電壓，右邊為實時仿真電壓，實時仿真結(jié)果與離線仿真結(jié)果相同，濾波后的線電壓頻率為50 Hz 的正弦信號，證明由模型自動生成的控制程序產(chǎn)生的SVPWM波是正確的，可以驅(qū)動逆變電路。同時也驗證了FPGA仿真器實時仿真主電路的正確性。

3.2 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)實時仿真

在Simulink中設(shè)計并搭建一個離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)[5]離線仿真模型。為方便研究，將光伏電池板用一個恒定直流源代替，三電平逆變器三相輸出經(jīng)RLC電路濾波后給負載供電。系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：直流電源電壓[Ud=]600 V，電感[L=]0.1 mH，電容[C1=C2=]1 000 μF，[C3=]200 μF，電阻[R1=R2=]0.001 Ω，[R3=10-4]Ω，[R4=]20 Ω，PWM控制器的三角載波頻率[fc=]30 kHz，正弦調(diào)制波頻率[f0=]50 Hz。

分別利用SimPowerSystem軟件仿真工具和實時仿真平臺進行了離線仿真和實時仿真，離線和實時仿真的步長均設(shè)置為2 μs。在實時仿真中，F(xiàn)PGA進行主電路模型的實時仿真?？刂破鞑糠植捎肈SP模型化開發(fā)技術(shù)，生成可執(zhí)行代碼運行在2812DSP芯片中，產(chǎn)生三相SPWM波信號。

圖18～圖20為實時仿真與離線仿真結(jié)果對比，左側(cè)圖為Simulink 中的離線仿真波形，右側(cè)圖為實時仿真示波器觀察的波形。分析可知，實時仿真的實驗結(jié)果與離線仿真的結(jié)果基本相同，驗證了仿真平臺中應(yīng)用DSP模型化開發(fā)技術(shù)的正確性和整個實時仿真系統(tǒng)的正確性。

3.3 單相逆變電路閉環(huán)實時仿真

本文以一臺5 VA的單相全橋逆變器電路為仿真對象，研究設(shè)計單相逆變電路電壓瞬時值閉環(huán)控制的實時仿真[6]。

圖21為單相全橋逆變電路電壓瞬時值反饋閉環(huán)控制離線仿真模型，電路的參數(shù)設(shè)置如下：[Udc=]400 V，電感[L=0.22] mH，電容[C=20] μF，電阻[R=]4.48 Ω，PWM控制器的三角載波頻率[fc=]30 kHz，參考正弦電壓頻率[f0=]50 Hz，峰值為220 V。輸出電壓經(jīng)采樣反饋后輸入PID控制器子模型調(diào)節(jié)PI 控制器參數(shù)，使輸出電壓能夠跟隨給定正弦信號。

參考正弦信號和輸出電壓仿真結(jié)果如圖22所示，說明閉環(huán)控制后，輸出電壓在相位和幅值上都能準確跟蹤參考正弦信號。

在實時仿真時，DSP控制器閉環(huán)控制模型如圖23所示。

選擇從ADCINA0引腳輸入反饋電壓值，在PWM 模塊參數(shù)中選擇在三角載波的周期匹配時觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換。ADC轉(zhuǎn)換后的輸入值與參考正弦信號做差得誤差信號，輸入PI控制器，PI控制器的輸出作為PWM模塊的占空比輸入。將I/O機箱輸出的反饋信號與板卡相應(yīng)ADC輸入管腳連接，自動生成代碼后，用示波器觀察輸出電壓波形如圖24所示，輸出電壓為50 Hz正弦信號。驗證了整個實時仿真系統(tǒng)的正確性。

4 結(jié) 論

為改善當(dāng)前電力電子數(shù)字控制器的設(shè)計現(xiàn)狀，縮短開發(fā)周期，本文將模型化開發(fā)方式成功地運用在電力電子數(shù)字控制器（DSP）的算法開發(fā)上，所設(shè)計的兩電平三相逆變器SPWM控制、兩電平三相逆變器SVPWM控制、三電平三相逆變器SPWM控制、單相逆變器電壓反饋閉環(huán)控制等算法，已經(jīng)在電力電子實時仿真平臺上實現(xiàn)。證明了采用模型化開發(fā)方式開發(fā)DSP控制器PWM開/閉環(huán)控制算法的高效性和正確性，同時也驗證了整個電力電子實時仿真平臺的正確性。

同時系統(tǒng)還存在一定缺陷，需要進一步研究：

（1） 在閉環(huán)控制策略上，目前只研究了單相逆變電路的電壓瞬時值單環(huán)控制，且沒有定量地分析控制性能，后續(xù)可以研究三相逆變電路的閉環(huán)控制和其他更先進的控制算法。

（2） 目前對RTDX的應(yīng)用只進行了初步探索，后續(xù)研究可以利用Matlab的圖形用戶界面GUI和API函數(shù)，結(jié)合RTDX模塊實現(xiàn)DSP的實時數(shù)據(jù)交換，設(shè)計友好的實驗交互界面。

參考文獻

[1] 彭沖.電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].河北電力技術(shù)，2013，32（4）：23?26.

[2] 季偉.基于DSP 的SPWM 交流變壓電源的設(shè)計[D].寧波：寧波大學(xué)，2012.

[3] 吳小溪.二極管鉗位型三電平逆變器的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[4] 許海麗，張茂青，嚴震宇.基于Matlab的DSP2812RTDX 實時繪制電機轉(zhuǎn)速曲線[J].蘇州大學(xué)學(xué)報（工科版），2012，32（5）：47?50.

[5] 郭偉，宗波，喬爾敏.基于LabVIEW的大功率電力電子裝置監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2012，20（10）：2676?2679.

[6] 羅長春.基于DSP單相逆變器數(shù)字控制實驗系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.