CN104038055A - 基于fpga的dc/dc转换器预测控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置及方法，该装置包括用于对内存数据的读写和预测控制矩阵的并行运算的读写控制单元；与所述读写控制单元连接，用于根据所述读写控制单元的读写控制信号完成并行优化运算的矩阵并行运算单元；与所述矩阵并行运算单元连接，用于接收矩阵并行运算单元输出的实时占空比信号，并转换成多路PWM信号输出的接口单元；与所述接口单元连接，用于接收所述多路PWM信号，并根据所述多路PWM信号控制DC/DC转换器中的IGBT的通断，实现对所述DC/DC转换器的预测控制的驱动模块。本发明基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置采用模块化的结构，集成度高，体积小，且能够实现对DC/DC转换器输出电压或者电流的精确控制。

Description

基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置及方法

技术领域

本发明涉及DC/DC直流转换器的控制，特别是一种基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置及方法。

背景技术

在燃料电池和光伏发电等新能源系统中，DC/DC转换器有着广泛的应用，是典型的弱电控制强电的设备，它负责将DC/DC转换器的输入端波动电压或者电流，转换成可以设定的输出端稳定电压或者电流。常规的PID等控制方法存在参数难以整定，难以适应多变工况等问题。

模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)，是由Richalet等人于上世纪70年代提出的，是目前公认的处理复杂工业过程多变量约束控制的有效算法。它已经从最初的工业应用发展成为了一门具有丰富内容的新学科。其应用也从传统的石油化工等行业延伸到机电、船舶、航空航天，智能交通等领域。

预测控制具有显式处理约束的能力，它基于对象模型对系统未来行为的预测，通过将约束加入到未来的输入，输出及状态变量中，得以将约束显式表达在一个可以在线求解的二次规划问题中。由于预测控制对对象模型要求并不是很精确，使预测控制能够应用于非线性系统，带不等式约束，甚至多输入，多输出等对象模型时变的系统中。

但现有的预测控制优化算法一般适用于慢动态过程和带有高性能计算机的环境。对于DC/DC转换器等需要快速反应的系统，预测控制较大的在线计算量还不足以使其获得成熟的应用。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置及方法，本发明装置集成度高，体积小，本发明方法能够实现对DC/DC转换器输出电压或者电流的精确控制。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置，包括

读写控制单元，用于对内存数据的读写和预测控制矩阵的并行运算；

矩阵并行运算单元，与所述读写控制单元连接，用于根据所述读写控制单元的读写控制信号完成并行优化运算；

接口单元，与所述矩阵并行运算单元连接，用于接收矩阵并行运算单元输出的实时占空比信号，并转换成多路PWM信号输出；以及

驱动模块，与所述接口单元连接，用于接收所述多路PWM信号，并根据所述多路PWM信号控制DC/DC转换器中的IGBT的通断，实现对所述DC/DC转换器的预测控制。

进一步地，所述基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置还包括：

上位机，通过串口与所述接口单元连接，根据需要使用键盘在上位机中输入电流电压的设y定r值以及占空比参考值，将使输ur出稳定在该设定值，所述上位机用于将电流和电压设定值输出至所述接口单元，以及接收并显示所述上位机的输出电压、电流值和占空比信号。

进一步地，所述基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置还包括：

采集板，与DC/DC转换器连接，所述采集板用于采集所述DC/DC转换器的电压和电流信号；以及

A/D转换模块，连接于所述采集板与所述接口单元之间，用于将所述采集板采集的电压和电流信号转换为数字信号传输至所述接口单元。

在上述技术方案中，所述矩阵并行运算单元包括：

一个RAM，用于存储计算过程中实时更新的变量；

八个ROM，用于同时存储计算过程中的矩阵定量；

八个MAC乘加器，分别与所述八个ROM连接，且所述八个MAC乘加器均与所述RAM连接；以及

约束计算模块，与所述八个MAC乘加器的输出连接，所述约束计算模块的输出端与所述接口单元连接。

在上述技术方案中，所述读写控制单元包括：

时序控制模块；

读内存控制模块，用于接收来自所述时序控制模块的命令调用RAM和八个ROM对应地址的数据，并将该数据送入MAC乘加器参与运算；以及

写内存控制模块，用于将约束计算的中间变量存入RAM。

此外，本发明还提供一种基于FPGA的DC/DC转换器预测控制方法，该方法包括：

根据DC/DC转换器的模型计算出相应的平均状态空间方程，获得A，B，C，D矩阵；

在MATLAB仿真中，基于所述平均状态空间方程模型，通过仿真调节求出最优的控制权矩阵P和误差权矩阵Q，yr表示输出电流或者电压值的设定值，u r是占空比参考值。

并通过下式计算出预测控制所需的神经网络优化的矩阵参数s、t和W，存于FPGA中，

$s=2{\mathrm{\Γ}}^{T}Q\stackrel{\‾}{\mathrm{\Φ}}$

t＝-2Γ^TQy_r-2P^Tu_r

W＝KH^-1K^T H＝2(Γ^TQΓ+P)

上式中，K是8*8的单位矩阵，Γ和是预测控制的初始化矩阵，求得DC/DC转换器的输出电流和电压的估计值，再根据f＝s*x(k)+t计算出f矩阵，存入所述FPGA相应的RAM地址；x(k)代表该时刻的电流电压值；

读控制模块根据时序控制模块所发出的信号读取相应RAM里面的数据送入MAC乘加器，并通过下式计算出q和Px，

q＝-K*H^-1*f；

Px＝W*λ+q-λ；

u＝H^-1[K*μ*(Px_f-Wλ-q)dt-f]；

将计算的结果Px进行约束处理后,得到Px_f,再次存入RAM，重复该步骤，直到达到优化次数，使得λ稳定，以此实现神经网络的优化运算，此时得到符合预测控制要求的占空比控制量u；

μ是拉格朗日乘子，通过接口单元将计算得到的占空比控制量u输出至DC/DC转换器，用于控制DC/DC转换器中IGBT的通断，实现对DC/DC转换器的预测控制。

在上述技术方案中，通过接口单元将计算得到的占空比控制量依次传送给PWM波形输出模块和驱动模块，所述驱动模块将PWM波形输出模块的0～5v驱动信号放大至-10～15v，放大后的驱动信号传送至输出至DC/DC转换器。

本发明基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置采用模块化的结构，集成度高，体积小，由于采用了IP核，更加安全；本发明基于FPGA的DC/DC转换器预测控制方法采用基于神经网络优化的预测控制算法，能够实现对DC/DC转换器输出电压或者电流的精确控制。

附图说明

图1为本发明基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置的结构示意图。

图2为本发明基于FPGA的DC/DC转换器预测控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置包括：FPGA、监控上位机、分别与DC/DC转换器连接的采集板和驱动板。

本实施例所用FPGA采用Altera公司的EP4C系列FPGA，该FPGA包括：读写控制单元、矩阵并行运算单元、I/O接口、卡尔曼滤波器、A/D转换模块、PWM波形输出模块，I/O接口与监控上位机连接，A/D转换模块与采集板连接，PWM波形输出模块与驱动板连接。

其中，所用读写控制单元包括时序控制模块、读内存控制模块和写内存控制模块，读内存控制模块和写内存控制模块分别与时序控制模块连接。

矩阵并行运算单元包括：一个RAM、八个ROM、八个MAC乘加器和约束计算模块，八个MAC乘加器分别与所述八个ROM连接，且八个MAC乘加器均与RAM连接，约束计算模块与八个MAC乘加器的输出连接，约束计算模块的输出端与I/O接口连接。

矩阵并行运算单元根据读写控制单元的读写控制信号来完成相应的约束和优化运算，其中RAM用来存储计算过程中实时更新的变量，如f和电流电压值；八个ROM用来同时存储计算过程中的矩阵定量，包括s，t和W。

读写控制单元实现对内存数据的读写和预测控制矩阵的运算，读控制模块接收来自时序控制模块的命令调用RAM和八个ROM对应地址的数据，并将其送入MAC乘加器参与运算，由于八个MAC同时参与矩阵计算，可以方便地实现神经网络的并行运算；写控制模块将约束计算的中间变量存入RAM，写入完成后，时序控制模块触发下一次读控制，

DC/DC转换器的主板上设有电流和电压传感器、电流传感器和电压传感器，本实施例所用电流传感器为CHB-300SF型号的霍尔电流传感器，电压传感器为CHV-25P型号的霍尔电压传感器。采样板对电流传感器和电压传感器采集的电流和电压信号进行处理，并将处理后的信号后输出至A/D转换模块。

A/D转换模块将采样板接收到的来自DC/DC转换器的输出电压和电流0-3V采样值转换成16位数字信号并经过卡尔曼滤波器滤波后，传递给读写控制单元进行下步运算。

本实施例所用驱动板为基于2SC0435T2A0-17的IGBT驱动，用于将PWM波形输出模块的0～5V驱动信号放大成-10V～15V，采用高性能隔离型IGBT驱动器。

本发明通过上述基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置实现预测控制的方法，包括以下步骤：

首先在MATLAB软件中根据DC/DC转换器的模型计算出相应的平均状态空间方程，获得A，B，C，D矩阵，在MATLAB仿真中求出最优的权矩阵P和误差权矩阵Q，并依此计算出预测控制所需的神经网络优化的矩阵参数s(8*2矩阵)、t(8*1矩阵)和W(8*8矩阵)，存于FPGA内部开辟的8个ROM中，一个ROM存储矩阵的一行8个数据，每行的数据在同一时刻同时参与运算；

神经网络优化的矩阵参数s、t和W通过下式计算：

$s=2{\mathrm{\Γ}}^{T}Q\stackrel{\‾}{\mathrm{\Φ}}$

t＝-2Γ^TQy_r-2P^Tu_r

W＝KH^-1K^T H＝2(Γ^TQΓ+P)

上式中，K是8*8的单位矩阵，Γ和是预测控制的初始化矩阵，y_r表示输出电流或者电压值的参考值，u_r是占空比参考值。

采样板对DC/DC转换器的输出电压和电流进行采样后得到采样值，该采样值经过A/D转换模块转换成16位数字量，经过卡尔曼滤波器后，求得电流和电压的估计值，再根据f＝s*x(k)+t计算出f矩阵，存入所述FPGA相应的RAM地址；x(k)代表该时刻的电流电压值。

读控制模块根据时序控制模块所发出的信号读取相应RAM里面的数据送入MAC乘加器，并通过下式计算出q和Px，

q＝-K*H^-1*f；λ

Px＝W*λ+q-λ；

将计算的结果Px进行约束处理后，得到Px_f,再次存入RAM，重复该步骤，直到达到优化次λ数，使得稳定，以此实现神经网络的优化运算，此时得到符合预测控制要求的占空比控制量u；

u＝H^-1[K*μ*(Px_f-Wλ-q)dt-f]；

μ是拉格朗日乘子，通过I/O接口单元将计算得到的占空比控制量u输出至DC/DC转换器，用于控制DC/DC转换器中IGBT的通断，实现对DC/DC转换器的预测控制。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置，其特征在于，包括：

读写控制单元，用于对内存数据的读写和预测控制矩阵的并行运算；

矩阵并行运算单元，与所述读写控制单元连接，用于根据所述读写控制单元的读写控制信号完成并行优化运算；

接口单元，与所述矩阵并行运算单元连接，用于接收矩阵并行运算单元输出的实时占空比信号，并转换成多路PWM信号输出；以及

驱动模块，与所述接口单元连接，用于接收所述多路PWM信号，并根据所述多路PWM信号控制DC/DC转换器中的IGBT的通断，实现对所述DC/DC转换器的预测控制。

2.根据权利要求1所述基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置，其特征在于，还包括：

上位机，通过串口与所述接口单元连接，根据需要使用键盘在上位机中输入电流电压的设定值yr以及占空比参考值u r，将使输出稳定在该设定值，所述上位机用于将电流和电压设定值输出至所述接口单元，以及接收并显示所述上位机的输出电压、电流值和占空比信号。

3.根据权利要求2所述基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置，其特征在于，还包括：

采集板，与DC/DC转换器连接，所述采集板用于采集所述DC/DC转换器的电压和电流信号；以及

A/D转换模块，连接于所述采集板与所述接口单元之间，用于将所述采集板采集的电压和电流信号转换为数字信号传输至所述接口单元。

4.根据权利要求3所述基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置，其特征在于，所述矩阵并行运算单元包括：

一个RAM，用于存储计算过程中实时更新的变量；

八个ROM，用于同时存储计算过程中的矩阵定量；

八个MAC乘加器，分别与所述八个ROM连接，且所述八个MAC乘加器均与所述RAM连接；以及

约束计算模块，与所述八个MAC乘加器的输出连接，所述约束计算模块的输出端与所述接口单元连接。

5.根据权利要求4所述基于FPGA的DC/DC转换器预测控制装置，其特征在于，所述读写控制单元包括：

时序控制模块；

读内存控制模块，用于接收来自所述时序控制模块的命令调用RAM和八个ROM对应地址的数据，并将该数据送入MAC乘加器参与运算；以及

写内存控制模块，用于将约束计算的中间变量存入RAM。

6.一种基于FPGA的DC/DC转换器预测控制方法，其特征在于，包括：

根据DC/DC转换器的模型计算出相应的平均状态空间方程，获得A，B，C，D矩阵；

在MATLAB仿真中，基于所述平均状态空间方程模型，通过仿真调节求出最优的控制权矩阵P和误差权矩阵Q，yr表示输出电流或者电压值的设定值，ur是占空比参考值；

并通过下式计算出预测控制所需的神经网络优化的矩阵参数s、t和W，存于FPGA中，

$s=2{\mathrm{\Γ}}^{T}Q\stackrel{\‾}{\mathrm{\Φ}}$

t＝-2Γ^TQy_r-2P^Tu_r

W＝KH^-1K^T H＝2(Γ^TQΓ+P)

上式中，K是8*8的单位矩阵，Γ和是预测控制的初始化矩阵，求得DC/DC转换器的输出电流和电压的估计值，再根据f＝s*x(k)+t计算出f矩阵，存入所述FPGA相应的RAM地址；x(k)代表该时刻的电流电压值；

读控制模块根据时序控制模块所发出的信号读取相应RAM里面的数据送入MAC乘加器，并通过下式计算出q和Px，将计算的结果Px进行约束处理后,得到Px_f,再次存入RAM，重复该步骤，直到λ达到优化λ次数，使得稳定，以此实现神经网络的优化运算，此时得到符合预测控制要求的占空比控制量u；

q＝-K*H^-1*f；

Px＝W*λ+q-λ；

u＝H^-1[K*μ*(Px_f-Wλ-q)dt-f]；

μ是拉格朗日乘子，通过接口单元将计算得到的占空比控制量u输出至DC/DC转换器，用于控制DC/DC转换器中IGBT的通断，实现对DC/DC转换器的预测控制。

7.根据权利要求6所述基于FPGA的DC/DC转换器预测控制方法，其特征在于：通过接口单元将计算得到的占空比控制量依次传送给PWM波形输出模块和驱动模块，所述驱动模块将PWM波形输出模块的0～5v驱动信号放大至-10～15v，放大后的驱动信号传送至输出至DC/DC转换器。