基于實時仿真平臺的DSP技術研究

宗勝旺

摘 要： 在實時仿真技術為電力電子技術研究的重要課題之一的背景下，以DSP 作為控制器，FPGA 為仿真器實現目標實時仿真平臺。針對DSP傳統和模型化兩種開發方式，提出基于Matlab/Simulink 和Embedded Coder 的控制器算法開發方法。在實時仿真平臺上，設計并實現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。根據平臺仿真結果可知，模型化開發方式可以縮短控制器算法開發周期、提高開發效率、降低開發風險。

關鍵詞： 實時仿真； DSP； 模型化開發； 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

電力電子技術是利用功率半導體器件的開關作用控制電功率的流動，實現對電能進行變換或控制的技術。數字仿真是電力電子系統設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，實時仿真可節省開發費用、縮短開發周期，提高系統開發的可靠性和安全性。本文主要研究實時仿真系統，實時仿真平臺主要包含FPGA仿真器和DSP 控制器兩大部分。

DSP 控制器主要有傳統式和模型化兩種開發方式。傳統開發方式編程過程費時耗力，對控制器算法的高效開發構成局限。而如圖1所示基于模型的設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 控制器算法設計方法和開發流程。在Simulink 環境下，用C281x等模塊庫中的模塊設計控制算法模型，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開發方式，使得模型參數設置直觀簡便，大大降低了DSP的開發難度。在Simulink環境中實現整個開發流程，增強控制算法的可控性和能觀性。控制對象由FPGA仿真器實時仿真，使DSP控制器等同于連接到實際裝置中，減少開發風險。DSP控制器與FPGA仿真器都采用模型化開發方式，可方便、高效地實現電力電子系統的離線、實時仿真以及DSP控制器的設計、開發和驗證。

1 實時仿真平臺設計

1.1 系統構架

實時仿真平臺硬件架構如圖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，產生PWM控制信號，驅動逆變器上的IGBT器件。I/O機箱可以將仿真結果轉換成模擬量輸出供示波器顯示，也可以和外界物理設備進行交互。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開發板為DSP 開發板。

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，最高可以在150 MHz主頻下工作。該控制器由內核和片內外設兩部分組成，其中片內外設主要包括：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

軟件生成SPWM 波的方法主要有三種[2]：自然采樣法、不對稱規則采樣法和對稱規則采樣法。基于對稱規則采樣法的數據處理量是三種采樣法中最少，且效果較好的方法。本文確定用對稱規則采樣。

1.4 實時仿真實現流程

根據實時仿真系統的硬件架構，整個實時仿真實現的流程圖如圖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腳本程序對仿真模型進行分析和參數提取。因為FPGA實現的實時仿真算法和SimPowerSystem軟件實現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加載到Simulink離線仿真求解器對FPGA實時仿真，并對產生的結果進行預判。

（2） DSP控制器方面：在離線仿真模型中，控制信號是根據PWM波的產生原理，由Simulink模塊搭建實現的，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硬件平臺上實現控制算法。

2 DSP控制器模型化開發

2.1 開發工具

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

Matlab與CCS之間的無縫連接是通過Embedded Coder中的Embedded IDE Link功能實現的，在此基礎上，用戶可以利用Simulink模型在TI系列DSP上調試、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自動調用CCS 開發工具來編譯鏈接生成的C代碼，并自動下載到目標板上執行生成的代碼，其具體流程如圖5所示。

2.2 兩電平三相SPWM 控制波形設計實現

兩電平三相SPWM 控制模型如圖6所示，根據逆變電路輸出信號頻率的要求，設置正弦調制波頻率[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，設置Waveform type為Symmetric，使輸出對稱的PWM波。調制正弦波向上平移量為1 250，使中心值與三角載波對齊。設置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，與其設定的頻率30 kHz 相符合。

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

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

2.3 三電平三相SPWM控制波形設計實現

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，設置Waveform period為2 500，調制比為0.8。Sine Wave 經過Saturation模塊和Add模塊處理后，生成分別對應Ta1，Ta3和 Ta2，Ta4的調制波信號。Sine Wave1和Sine Wave2 經過同樣的處理后，分別產生B相和C相的調制信號。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，]對應時間為[T3，]約為6.67 ms。由此證明，模型產生的三相SPWM波在相位關系上也是正確的。

2.4 兩電平三相SVPWM控制波形設計實現

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對應的仿真圖形是馬鞍波，驗證了模型的正確性。經過代碼自動產生后，DSP運行輸出SVPWM 波，如圖14所示，設置的載波頻率是30 kHz，對應圖中測量的32.2 μs。期望輸出電壓頻率是50 Hz，對應圖中測得的20 ms。

為了進一步清晰地觀察、分析波形規律，更改模型參數，設置Waveform period=50 000。結果如圖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律與SPWM 波的變化規律（整個周期中占空比按正弦規律變化）區別很明顯。由此可證明SVPWM模型產生代碼的正確性。

3 實時仿真平臺的整體驗證

前面設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生波形的正確性。

本文利用RTDX（Real?Time Data Exchange，實時數據交換）技術，實現在不停止DSP程序運行的前提下，完成主機與目標DSP 之間的實時數據交換[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，且已經給出了部分離線仿真結果，現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I/O機箱輸出的線電壓，并與離線仿真結果對比。

如圖16，圖17所示，左邊為離線線電壓，右邊為實時仿真電壓，實時仿真結果與離線仿真結果相同，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生的SVPWM波是正確的，可以驅動逆變電路。同時也驗證了FPGA仿真器實時仿真主電路的正確性。

3.2 離網光伏發電系統實時仿真

在Simulink中設計并搭建一個離網光伏發電系統[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RLC電路濾波后給負載供電。系統相關參數設置為：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置為2 μs。在實時仿真中，FPGA進行主電路模型的實時仿真。控制器部分采用DSP模型化開發技術，生成可執行代碼運行在2812DSP芯片中，產生三相SPWM波信號。

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

3.3 單相逆變電路閉環實時仿真

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

圖21為單相全橋逆變電路電壓瞬時值反饋閉環控制離線仿真模型，電路的參數設置如下：[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。輸出電壓經采樣反饋后輸入PID控制器子模型調節PI 控制器參數，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果如圖22所示，說明閉環控制后，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 模塊參數中選擇在三角載波的周期匹配時觸發ADC轉換。ADC轉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的正確性。

4 結 論

為改善當前電力電子數字控制器的設計現狀，縮短開發周期，本文將模型化開發方式成功地運用在電力電子數字控制器（DSP）的算法開發上，所設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控制等算法，已經在電力電子實時仿真平臺上實現。證明了采用模型化開發方式開發DSP控制器PWM開/閉環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。

同時系統還存在一定缺陷，需要進一步研究：

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

（2） 目前對RTDX的應用只進行了初步探索，后續研究可以利用Matlab的圖形用戶界面GUI和API函數，結合RTDX模塊實現DSP的實時數據交換，設計友好的實驗交互界面。

參考文獻

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[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，2011.

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

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