一種基于dSPACE和FPGA的多模式移相調制設計

程 林 林志法 宋冬冬 杜海江

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一種基于dSPACE和FPGA的多模式移相調制設計

程 林 林志法 宋冬冬 杜海江

（中國農業大學信息與電氣工程學院，北京 100083）

移相技術在雙有源全橋電路、高頻隔離電源、多電平變換器等諸多領域應用廣泛。鑒于原有dSPACE平臺ds1103板卡不具備移相脈沖輸出能力，本文利用dSPACE和FPGA搭建應用于移相控制的半實物仿真平臺。通過dSPACE實現控制算法，以端口通信方式向FPGA傳輸移相信息；同時通過FPGA生成移相調制脈沖，輸出至相應的驅動模塊。該平臺具備應用于不同工況下的多種移相模式及切換功能。搭建雙有源全橋實驗電路驗證了所設計算法的正確性。

移相；dSPACE；FPGA；調制；半實物仿真

隨著新能源領域的發展，雙有源全橋電路（dual- active-bridge，DAB）、高頻隔離電源、多電平變換器成為研究熱點[1-6]，而移相技術是其中控制回路的重要組成環節。對不同的應用場景，移相控制可分為多種模式，一種模式為設備運行在不同工況下移相角度實時發生變化，如高頻隔離電源中采用內移相[2]；DAB電路中采用外移相、雙重或多重移相[1,3-4]。另一種在運行過程中移相角度固定不變，如多電平變換器[5]。

dSPACE作為一種應用較廣泛的實時仿真平臺，可快速實現基于Matlab/Simulink的離線仿真到實時仿真的過渡過程。其ds1103板卡雖然包含多路高速輸出接口，但相應模塊僅能實現占空比和開關頻率的變化，不具備移相脈沖的輸出功能。因此有必要對dSPACE平臺進行擴展以使其能夠應用于移相控制的實時仿真。

現有文獻[7-9]針對dSPACE平臺的局限性，應用FPGA的并行計算能力對其進行了擴展，研究重點主要在分擔計算資源或擴充輸入輸出接口方向，沒有涉及移相控制。文獻[10]使用DSP完成控制算法，FPGA實現移相脈沖調制，其中僅針對外移相控制方式進行研究。基于Matlab的dSPACE平臺相對于DSP編程靈活性強，通過可視化界面進行操作，易于在開發初期完成控制算法的修改和驗證。

本文提出一種基于FPGA和dSPACE的具備多種移相模式的實時仿真平臺，應用于不同的移相工作場景，減少重復搭建平臺的復雜性，為研發初期的測試提供便利。由dSPACE完成控制算法并生成相應的移相信息，以端口通信方式下發至FPGA，調制后輸出移相脈沖。該平臺實現了內移相、外移相、雙重移相和多重移相方式。DAB電路雙側全橋的特性使其具備工作在多種移相模式下的能力，因此搭建DAB電路為例對該平臺進行驗證。

1 半實物仿真平臺設計及運行機理

以DAB拓撲為研究對象，設計的半實物仿真平臺結構如圖1所示。dSPACE實現采樣、故障檢測和控制算法3部分功能。采樣模塊采集DAB電路的雙側直流電壓和直流電流；故障檢測模塊接收IGBT驅動上傳的故障信息，向FPGA下發脈沖封鎖信號。在dSPACE操作界面設置手動封鎖按鈕及復位按鈕，以便在實驗過程中隨時進行停機或復位操作。

圖1 DAB電路拓撲及控制結構

為理解方便，所述4種移相時序在圖2中統一表示。S1—S8為相應開關管的驅動脈沖，每個半橋的上下管互補導通。hs為開關周期的一半，1、2、3分別為半個周期內的1側內移相比、橋間外移相比、2側內移相比，調節范圍均為-1～1，大于0為超前移相，小于0為滯后移相，等效為移相角度調節范圍為-p～p。圖2中移相比與hs的乘積表示移相角。

在內移相模式時，DAB電路變壓器一側為移相全橋方式，另一側為二極管全橋整流方式，改變全橋的移相角度，輸出電壓相應變化。其中，1為S4相對于S1的移相，3為S8相對于S5的移相。

外移相模式工作機理為：兩側全橋的內移相比均為0，分別輸出電壓為AB和CD。通過調節兩側全橋開關的通斷時序，使高頻變壓器兩側方波電壓AB和CD之間存在相位差，進而在電感兩側形成電壓差，產生功率流動。其中，2為S5相對于S1的移相，2＞0時，功率由1向2傳輸，2＜0時，功率由2向1傳輸。

圖2 DAB電路開關時序

僅外移相工作時，DAB電路存在的功率環流和電流應力相對較大[1-6]，研究人員提出雙重[1]和多重移相控制[4]，在外移相基礎上增加單側全橋的內移相或雙側全橋的內移相。簡言之，當1和3均為0時，即外移相；當1或3僅其中一個為0時，為雙重移相；當1和3都不為0時，稱為多重移相。

在不同工況下，為了使DAB電路工作在最優狀態，需要幾種模式移相模式進行交替工作[3]。

2 FPGA脈沖實現過程

為實現圖2的移相時序，設計的FPGA工作流程如圖3所示，由5個進程并行執行，由上至下依次為基準方波電平計數進程、基準半橋（第一半橋）脈沖調制進程、三路移相脈沖調制進程。FPGA接收到基準方波后，通過電平計數器up和down對其高低電平進行累加計數。

在無故障工況下，在基準方波的基礎上生成兩路帶死區的互補脈沖，作為第一半橋驅動脈沖S1/S2，死區時間計數器dead內置在FPGA程序中；移相信息包含三路占空比可變的脈沖，通過移相比計數器讀取占空比作為其余3個半橋的移相比，并與基準方波的電平計數器比較后生成移相脈沖。3個半橋的移相脈沖調制機理相同，如圖3所示，使用同一進程表示，但在內移相模式下，需要封鎖其中一側全橋的驅動脈沖，此時虛線框中的流程參與工作。在接受到故障封鎖信號時，所有驅動脈沖置低，待故障消除且復位后重新恢復工作。另在dSPACE與FPGA間設置兩路端口表征移相調制模式切換標識。

圖3 FPGA調制流程圖

圖4以基準半橋和第三半橋為例，用時序圖仔細表示了圖3流程中關鍵變量和端口的變化過程，其中2為第三半橋移相比計數器，代表死區時間。

圖4 移相時序圖

3 離線仿真及半實物實驗結果分析

分別通過Matlab離線仿真和搭建的實時仿真實驗平臺進行了測試，仿真及實驗參數見表1。其中，dSPACE采用1103板卡，FPGA采用Xilinx XC3S400。

圖5 實驗平臺

表1 實驗器材及參數

分別針對4種移相方式進行仿真和實驗，如圖6所示，其中（a）/（b）為內移相方式；（c）/（d）為外移相方式；（e）/（f）為雙重移相方式；（g）/（h）為多重移相方式。每種方式下分別測量AB，CD以及電感電流L3個變量。

內移相模式下，1=0.4，1側內移相，2側脈沖封鎖，采用5W負載。AB為三電平電壓，CD為方波電壓，存在占空比丟失。

外移相模式下，1=3=0，2=0.6。AB與CD均為方波電壓，后者相對于前者產生相位差。

（a）

（b）

（c）

（d）

（e）

（f）

（g）

（h）

圖6 4種移相方式下仿真與實驗波形圖

雙重移相模式下，1=0.4，2=1，3=0。AB為三電平電壓，CD為方波電壓。

多重移相模式下，1=0.4，2=1，3=0.4。AB與CD均為三電平電壓。

4 結論

1）利用dSAPCE完成控制算法，通過FPGA調制生成移相脈沖，在原有實時仿真平臺的基礎上擴展了移相脈沖的輸出功能，并且通過dSPACE指令可在多種移相控制模式之間靈活進行切換，可應用于不同移相工作場景。

2）以DAB電路為例，搭建實際功率回路，通過離線仿真和實時仿真驗證了所設計移相調制算法的正確性。

3）FPGA豐富的接口仍有較大擴展空間，可在此基礎上擴充輸出脈沖數量，應用其他需要移相控制的場合。

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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，遼寧省葫蘆島市人，碩士研究生，研究方向為變流器技術。