CN104536807A - 基于fpga的dc/dc实时仿真器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的DC/DC实时仿真器，其包括：用于将实际DC/DC控制器产生的PWM波模拟信号转换为数字信号的A/D转换器；于将所述A/D转换器转换得到的数字信号计算得到的电压电流值经四阶龙格库塔算法得到下一时刻电压电流数字信号的FPGA；以及用于将所述将电压电流数字信号转换为模拟信号传递给实际的控制器D/A转换器。本发明基于FPGA的DC/DC实时仿真器采用模块化的结构，集成度高，体积小，采用了IP核使得设计更加安全；本发明基于FPGA的DC/DC实时仿真器具有高速的特点并采用并行运算的结构能够对DC/DC变换器进行实时的仿真。

Description

基于FPGA的DC/DC实时仿真器及方法

技术领域

本发明涉及DC/DC仿真器，具体地指一种基于FPGA的DC/DC实时仿真器及方法。

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，其主要功能是将输入端不稳定的电压或者电流，转换成可以设定的输出端稳定的电压或者电流。然而由于开关管，电容等元器件的损坏会造成一系列经济损失甚至会为研究人员带来安全问题。因此建立DC/DC仿真器具有很大的实际应用价值。

DC/DC仿真器的建立方法有很多种，但是大多都是基于CPU的仿真系统，例如VC、MATLAB、LABVIEW等。然而基于CPU的仿真系统，由于硬件架构等限制，无法实现小步长的实时仿真，但电力电子系统具有快速开关的元件需要微妙级的仿真步长，因此普通的基于CPU的仿真系统不能做到对DC/DC转换器的实时仿真。

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实时仿真器及方法，本发明利用FPGA芯片的高速性和程序并行执行的特点，在其内部通过编程模拟DC/DC电路拓扑结构，从而实现对DC/DC转换器的实时仿真

实现本发明目的采用的技术方案是一种基于FPGA的DC/DC实时仿真器，该仿真器包括：

A/D转换器，用于将实际DC/DC控制器产生的PWM波模拟信号转换为数字信号；

FPGA，用于将所述A/D转换器转换得到的数字信号计算得到的电压电流值经四阶龙格库塔算法得到下一时刻电压电流数字信号；以及

D/A转换器，用于将所述将电压电流数字信号转换为模拟信号传递给实际的控制器。

在上述技术方案中，所述FPGA包括读写控制单元、DC/DC仿真并行运算单元和I/O接口；

RAM，用于存储计算过程中实时更新的变量；

ROM，用于存储计算过程中的矩阵定量；

MAC乘加器，分别与ROM和RAM连接；以及

计算结果处理模块，与所述MAC乘加器的输出连接，所述计算结果处理模块的输出端与所述I/O接口连接。

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，用于接受来自所述时序控制模块的命令调用RAM和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，用于将计算结果处理的中间变量存入RAM。

进一步地，所述基于FPGA的DC/DC实时仿真器还包括：

上位机，通过串口与所述I/O接口连接，用于对整个DC/DC实时仿真器进行监控。

此外，本发明还提供一种通过上述基于FPGA的DC/DC实时仿真器进行仿真的方法，该方法包括：

将确定好的仿真步长h和DC/DC变换器电源电动势E、电感L、电容C、负载R的值存放在DC/DC仿真并行运算单元的ROM当中；

A/D转换器将实际DC/DC控制器产生的PWM波模拟信号转换为数字信号送给写内存控制模块，写内存控制模块将PWM数字信号送给DC/DC仿真并行运算单元，DC/DC仿真并行运算单元根据PWM数字信号模拟开关管的开关状态，开关管导通和关断时的状态空间方程如下：

开关管导通：

$\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=\frac{E}{L}-\frac{U}{L}& \frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}=\frac{I}{C}-\frac{U}{\mathrm{RC}}\end{array}$

开关管关断：

$\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=-\frac{U}{L}& \frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}=\frac{I}{C}-\frac{U}{\mathrm{RC}};\end{array}$

读取ROM中存放的参数以及RAM中中间变量的实时值，根据四阶龙格库塔算法计算斜率近似值k1，k2，k3，k4：

K1＝f(t,x_n)

$K2=f(t+\frac{h}{2},x_n+K1*\frac{h}{2})$

$K3=f(t+\frac{h}{2},x_n+K2*\frac{h}{2})$

$K4=f(f+\frac{h}{2},x_n+K3*h)$

其中，h为四阶龙格库塔算法的仿真步长， $f(t,x_n)=\left[\begin{array}{c}\frac{d{U}_n}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dI}}_n}{\mathrm{dt}}\end{array}\right];$

将计算得到k1，k2，k3，k4写入RAM中，然后通过时序控制模块调用读内存控制模块读取RAM中的k1，k2，k3，k4和ROM中的h计算出这一时刻的电压U，电流I的实时值：

$x_{n+1}=x_n+\frac{h*(k1+2k2+2k3+k4)}{6},$ 其中 $x_n=\left[\begin{array}{c}{U}_n\\ I_n\end{array}\right]$

计算结果处理模块对这一时刻的电压电流值进行位数截取并延时使整个计算过程刚好对应仿真步长的时间，最后将这一时刻的电压电流值即本专利仿真计算结果输出到D/A转换器转换成模拟信号输出。

本发明基于FPGA的DC/DC实时仿真器采用模块化的结构，集成度高，体积小，采用了IP核使得设计更加安全；本发明基于FPGA的DC/DC实时仿真器具有高速的特点并采用并行运算的结构能够对DC/DC变换器进行实时的仿真。

附图说明

图1为本发明基于FPGA的DC/DC实时仿真器的结构示意图。

图2为本发明仿真器进行实时仿真的流程图。

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实时仿真器包括：FPGA、A/D转换器、D/A转换器。

其中，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、DC/DC仿真并行运算单元、I/O接口，A/D转换器和D/A转换器分别与I/O接口连接。

本实施例FPGA中的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。

DC/DC仿真并行运算单元包括：多个RAM、多个ROM、多个MAC乘加器和计算处理模块，乘加器分别与所述RAM连接，再分别与ROM的端口连接，计算结果处理模块与MAC乘加器的输出连接，计算结果处理模块的输出端与I/O接口连接。

本发明中，DC/DC仿真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开关管开断模拟以及仿真运算，其中RAM用来存储计算过程中实时更新的变量，如k1、k2、k3、k4、实时电压值U、电流值I；ROM用来存储DC/DC变换器的参数如电源E、电感L、电容C、负载电阻R和四阶龙格库塔算法的仿真步长h。

读内存控制模块实现对内存数据的读写，A/D转换器输出的占空比信息的读写以及DC/DC模型的矩阵并行运算结果的读写，读内存控制模块接受来自时序控制模块的命令调用RAM和ROM对应地址的数据，并将其送入MAC乘加器参与运算，由于多个MAC乘加器同时参与矩阵计算，能够方便地实现DC/DC实时仿真的并行运算；写内存控制模块将运算结果的中间变量存入RAM中，写入完成后，时序控制模块触发下一次读控制。

本发明所采用的AD/DA转换器为基于TI公司的ADA_HSMC子板的AD/DA转换器，其中A/D转换模块将采集到的PWM模拟信号转换成12位数字信号传递给FPGA的I/O接口，D/A转换模块将输出的12位电压电流数字信号转换为0～1V的模拟信号输出。

本发明还通过串口与所述I/O接口连接有上位机，上位机用于对整个DC/DC实时仿真器进行监控。

本发明通过上述基于FPGA的DC/DC实时仿真器实现实时仿真的方法，如图2所示，包括以下具体步骤：

首先将确定好的仿真步长h和DC/DC变换器电源电动势E、电感L、电容C、负载R的值存放在DC/DC仿真并行运算单元的ROM当中。A/D转换器将实际DC/DC控制器产生的PWM波模拟信号转换为数字信号送给写内存控制模块，写内存控制模块将PWM数字信号送给DC/DC仿真并行运算单元，DC/DC仿真并行运算单元根据PWM数字信号模拟开关管的开关状态，其中开关管开通和关断的状态方程为：

开关管导通：

$\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=\frac{E}{L}-\frac{U}{L}& \frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}=\frac{I}{C}-\frac{U}{\mathrm{RC}}\end{array}$

开关管关断：

$\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=-\frac{U}{L}& \frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}=\frac{I}{C}-\frac{U}{\mathrm{RC}};\end{array}$

然后，读取ROM中存放的参数以及RAM中中间变量的实时值，根据四阶龙格库塔算法计算斜率近似值k1，k2，k3，k4

K1＝f(t,x_n)

$K2=f(t+\frac{h}{2},x_n+K1*\frac{h}{2})$

$K3=f(t+\frac{h}{2},x_n+K2*\frac{h}{2})$

$K4=f(f+\frac{h}{2},x_n+K3*h)$

其中，h为四阶龙格库塔算法的仿真步长， $f(t,x_n)=\left[\begin{array}{c}\frac{d{U}_n}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dI}}_n}{\mathrm{dt}}\end{array}\right];$

将计算得到k1，k2，k3，k4写入RAM中，再通过时序控制模块调用读内存控制模块读取RAM中的k1，k2，k3，k4和ROM中的h计算出这一时刻的电压U，电流I的实时值：

$x_{n+1}=x_n+\frac{h*(k1+2k2+2k3+k4)}{6},$ 其中 $x_n=\left[\begin{array}{c}{U}_n\\ I_n\end{array}\right]$

所得这一时刻的电压电流实时值并送入计算结果处理模块，计算结果处理模块对这一时刻的电压电流值进行位数截取并延时使整个计算过程刚好对应仿真步长的时间，最后将这一时刻的电压电流值即本专利仿真计算结果输出到D/A转换器转换成模拟信号输出。

Claims (5)

1.一种基于FPGA的DC/DC实时仿真器，其特征在于，包括：

A/D转换器，用于将实际DC/DC控制器产生的PWM波模拟信号转换为数字信号；

FPGA，用于将所述A/D转换器转换得到的数字信号计算得到的电压电流值经四阶龙格库塔算法得到下一时刻电压电流数字信号；以及

D/A转换器，用于将所述将电压电流数字信号转换为模拟信号传递给实际的控制器。

2.根据权利要求1所述基于FPGA的DC/DC实时仿真器，其特征在于：所述FPGA包括读写控制单元、DC/DC仿真并行运算单元和I/O接口；所述DC/DC仿真并行运算单元包括：

RAM，用于存储计算过程中实时更新的变量；

ROM，用于存储计算过程中的矩阵定量；

MAC乘加器，分别与ROM和RAM连接；以及

计算结果处理模块，与所述MAC乘加器的输出连接，所述计算结果处理模块的输出端与所述I/O接口连接。

3.根据权利要求1所述基于FPGA的DC/DC实时仿真器，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，用于接受来自所述时序控制模块的命令调用RAM和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，用于将计算结果处理的中间变量存入RAM。

4.根据权利要求2所述基于FPGA的DC/DC实时仿真器，其特征在于，还包括：

上位机，通过串口与所述I/O接口连接，用于对整个DC/DC实时仿真器进行监控。

5.一种通过权利要求1所述基于FPGA的DC/DC实时仿真器进行仿真的方法，其特征在于，包括：

将确定好的仿真步长h和DC/DC变换器电源电动势E、电感L、电容C、负载R的值存放在DC/DC仿真并行运算单元的ROM当中；

A/D转换器将实际DC/DC控制器产生的PWM波模拟信号转换为数字信号送给写内存控制模块，写内存控制模块将PWM数字信号送给DC/DC仿真并行运算单元，DC/DC仿真并行运算单元根据PWM数字信号模拟开关管的开关状态，开关管导通和关断时的状态空间方程如下：

开关管导通：

$\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=\frac{E}{L}-\frac{U}{L}& \frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}=\frac{I}{C}-\frac{U}{\mathrm{RC}}\end{array}$

开关管关断：

$\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=-\frac{U}{L}& \frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}=\frac{I}{C}-\frac{U}{\mathrm{RC}};\end{array}$

读取ROM中存放的参数以及RAM中中间变量的实时值，根据四阶龙格库塔算法计算斜率近似值k1，k2，k3，k4：

K1＝f(t,x_n)

$K2=f(t+\frac{h}{2},x_n+K1*\frac{h}{2})$

$K3=f(t+\frac{h}{2},x_n+K2*\frac{h}{2})$

$K4=f(t+\frac{h}{2},x_n+K3*\frac{h}{2})$

其中，h为四阶龙格库塔算法的仿真步长， $f(t,x_n)=\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dU}}_n}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dI}}_n}{\mathrm{dt}}\end{array}\right];$

将计算得到k1，k2，k3，k4写入RAM中，然后通过时序控制模块调用读内存控制模块读取RAM中的k1，k2，k3，k4和ROM中的h计算出这一时刻的电压U，电流I的实时值：

$x_{n+1}=x_n+\frac{h*(k1+2k2+2k3+k4)}{6},$ 其中 $x_n=\left[\begin{array}{c}{U}_n\\ I_n\end{array}\right]$

计算结果处理模块对这一时刻的电压电流值进行位数截取并延时使整个计算过程刚好对应仿真步长的时间，最后将这一时刻的电压电流值即本专利仿真计算结果输出到D/A转换器转换成模拟信号输出。