CN204810169U - 基于模型设计的级联式五电平逆变系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于模型设计的级联式五电平逆变系统，包括上位机控制设计部分和下位机执行与被控部分；上位机控制设计部分为PC机；下位机执行与被控部分包括嵌入式控制器，功率放大器，级联式五电平逆变主电路，负载，传感器，信号调理电路。PC机作为上位机，设计逆变系统的控制算法模型，经一系列测试与验证，自动生成代码并通过仿真器下载到嵌入式控制器，控制器的输出经过功率放大器控制逆变主电路中开关管的通断，传感器采集输出电压信息反馈到控制器，通过闭环回路对电压进行控制。本实用新型提高了五电平逆变系统的变换效率，提高了产品开发效率，降低了成本，缩短了开发周期。

Description

基于模型设计的级联式五电平逆变系统

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于模型设计的级联式五电平逆变系统。

背景技术

多电平逆变系统凭借较低的谐波含量和良好的电磁兼容性能备受关注，在中压大容量场合，五电平逆变器得到广泛的应用。由于传统的嵌入式开发方式电路复杂，软件代码数量呈现快速增长趋势，因此用其设计开关元件较多的多电平逆变系统存在种种弊端。而且传统的嵌入式开发方式各个阶段独立，设计阶段必须搭建硬件原型进行，开发成本大，手工编程代码，错误多效率低，测试验证只能在软硬件完成之后进行，查错更改难度大，修正费用高，开发周期长，不能满足市场需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提出了基于模型设计的级联式五电平逆变系统，能够在开发过程中不断的测试与验证，使缺陷暴露在设计的初期，而且自动生成代码，解决了手工编程效率低，错误多等问题，提高了系统开发效率，降低了开发成本，缩短了开发周期。

为了达到以上目的，本实用新型采取如下技术方案予以实现：

基于模型设计的级联式五电平逆变系统，包括上位机控制设计部分和下位机执行与被控部分，所述上位机控制设计部分为PC机；所述下位机执行与被控部分包括嵌入式控制器，功率放大器，级联式五电平逆变主电路，负载，传感器，信号调理电路。所述PC机通过数据线与嵌入式控制器的代码输入端建立连接，嵌入式控制器的数据输出端与功率放大器的输入端建立连接，功率放大器的输出端与级联式五电平逆变主电路建立连接，逆变主电路的输出端通过导线分别与负载和传感器建立连接，传感器的输出端与信号调理电路的输入端建立连接，信号调理电路的输出端与嵌入式控制器的输入端建立连接。

进一步，所述级联式五电平逆变主电路由六个基本模块级联构成，每个基本模块结构相同，所述基本模块包括相互并联的直流稳压电源、第一桥臂、第二桥臂，所述第一桥臂和第二桥臂结构相同，所述第一桥臂包括串联连接的第一开关管(T1)和第二开关管(T2)，每个开关管均反并联二极，所述桥臂的两个开关管之间的连接点为桥臂的中点。

进一步，所述第一个基本模块(1)的第二桥臂的中点与第二个基本模块(2)的第一桥臂的中点相连接，所述第三个基本模块(3)的第二桥臂的中点与第四个基本模块(4)的第一桥臂的中点相连接，所述第五个基本模块(5)的第二桥臂的中点与第六个基本模块(6)的第一桥臂的中点相连接；第二、四、六个基本模块的第二桥臂的中点相连接，第一、三、五基本模块的第一桥臂的中点分别通过导线与负载建立连接。

进一步，所述嵌入式控制器采用TMS320F28335浮点DSP控制器，通过仿真器与PC机相连。

进一步，所述PC机为台式机，利用Matlab\Simulink设计控制算法模型，经一系列验证与测试，自动生成嵌入式控制器可执行的代码。

相对于现有技术，本实用新型具有的可益效果：

本实用新型利用传感器采集逆变系统输出电压信号，将信号送至嵌入式控制器，实现对系统的电压闭环控制，解决了以往的仿真与控制实施分离的做法造成的模型不匹配问题，因此在发明控制设计过程中，不断完善控制算法，使缺陷暴露在设计初期。

本实用新型采用基于模型设计的方法建立逆变系统的控制算法模型，控制五电平逆变系统，解决了传统嵌入式逆变系统软硬件分离的开发模式，开发时间和所需成本只是传统方法的1/5到1/2左右，体现了基于模型设计方法具有极大的优越性。

本实用新型采用上位机设计控制系统和控制算法，建立控制算法模型，并自动生成代码下载到嵌入式控制器，大大简化了手工编写代码的过程，缩短了控制系统的开发设计周期，降低了成本。

本实用新型设计的逆变系统和控制系统开发方法可以移植到其他的控制系统研究中，具有广阔的应用前景。

附图说明

附图1是本实用新型的结构示意图。

附图2是本实用新型的五电平逆变器装置的结构示意图。

其中，1-第一基本模块；2-第二基本模块；3-第三基本模块；4-第四基本模块；5-第五基本模块；6-第六基本模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

参见图1，本实用新型包括上位机控制设计部分和下位机执行与被控部分。其中，上位机控制设计部分为PC机，PC机作为控制系统设计的主要部分，在Matlab\Simulink环境中搭建控制算法模型，经一系列测试与验证，自动生成代码并借助集成开发环境CCS3.3通过仿真器下载到下位机嵌入式控制器中运行。下位机执行与被控部分包括嵌入式控制器、功率放大器、级联式五电平逆变主电路、负载、传感器、信号调理电路。

PC机、嵌入式控制器、功率放大器、级联式五电平逆变主电路、负载和采集电压信息的传感器及信号调理电路依次连接，信号调理电路输出与嵌入式控制器相连。

本实用新型使用Simulink搭建控制算法的仿真模型，编译后自动连接CCS，生成控制代码，嵌入式控制器作为下位机，执行上位机生成的代码，完成信号的A/D和D/A转换，输出控制信号，是五电平逆变系统的控制中心。功率放大器将控制器输出的信号进行放大，直接输出到逆变器的开关管，作为其通断的控制信号，传感器采集电压信号，并将信号经过信号调理电路，输出到控制器进行A/D转换，完成电压信号的反馈过程，实现电压的闭环控制。

参见图2，本实用新型的级联式五电平逆变主电路由六个基本模块级联构成，每个基本模块结构相同，所述基本模块包括相互并联的直流稳压电源、第一桥臂、第二桥臂，所述第一桥臂和第二桥臂结构相同，所述第一桥臂包括串联连接的第一开关管(T1)和第二开关管(T2)，每个开关管均反并联二极，所述桥臂的两个开关管之间的连接点为桥臂的中点。

所述第一个基本模块(1)的第二桥臂的中点与第二个基本模块(2)的第一桥臂的中点相连接，所述第三个基本模块(3)的第二桥臂的中点与第四个基本模块(4)的第一桥臂的中点相连接，所述第五个基本模块(5)的第二桥臂的中点与第六个基本模块(6)的第一桥臂的中点相连接；第二、四、六个基本模块的第二桥臂的中点相连接，第一、三、五基本模块的第一桥臂的中点分别通过导线与负载建立连接。

所述的嵌入式控制器为TMS320F28335eZdsp嵌入式开发套件，所述逆变主电路的开关器件选用型号为MOSFETIRF3205，二极管选用型号为IN5399，所述功率放大器选用美国IR公司生产的IR2110，所述传感器选用HOP电压互感器。

本实用新型的工作过程如下：

参见图1和图2连接好上位机和下位机的逆变装置，上位机PC对系统进行控制算法设计，建立系统的控制算法模型，对模型进行一系列测试与验证，自动代码生成，并调用代码集成开发环境CCS3.3通过仿真器下载到下位机嵌入式控制器中。控制器执行程序，输出D/A信号，此信号微弱，不足以驱动开关管通断，因此将此信号通过功率放大器，然后输出作为开关管通断的控制信号，逆变装置输出的电压信号经传感器采集后，作为反馈信号经过信号调理电路，送至控制器，控制器将此信号进行A/D转换，此反馈信号和给定小电压信号相减得到偏差，控制器根据偏差再次调整输出的信号值，循环此过程。

级联式五电平逆变系统基于模型设计的方法：

步骤一、以MATLAB软件为设计平台构建控制系统模型，所述系统模型包括中断子模型和定时器模块，定时器中断模块达到预定时间进入中断子模型。所述中断子模型包括占空比计算模型、A/D转换电压采集模型、调压模型，占空比计算模型采用可移植的载波移相的PWM控制算法，设定载波比为12，通过M语言编写的MATLABFunction模块实现，装载了采样点的MATLABFunction模块，延迟环节等效成为周期值，实现按固定的时间周期循环提取采样点，另两个MATLABFunction模块则分别装载了三角波顶点和底点时刻采样点所对应的采样值，输出与调制度相乘，经过计算配置增强型脉冲编码调制模块即可得到一组按规律变化的占空比值。占空比计算模型里有12个，因为主电路有24路PWM控制信号，每个占空比模型都是一样的，每个生成2路PWM信号共12个，其作用为对信号进行编码调制，得到合适的控制信号参数，通过占空比计算模型将信号进行处理得到占空比值，并将信号输出；A/D转换电压采集模型将采样信号转换成输出电压值，将转换的电压值送入调压模型，在调压模型内将转换的电压值与给定电压比较，并根据需要进行PID调节，将调压模型得到的调节量送入占空比计算模型中，整个系统模型中设有多个增强型脉冲编码调制模块。

步骤二、对建立好的模型进行功能性验证：将占空比计算模型输出的控制信号送到逆变系统中，验证逆变系统的输出结果。在ModelAdvisor中选择Simulink，EmbeddedCoder等决定生成代码质量的选项对模型进行检查。软件在环测试：将模型生成的代码反封装为S-Function模块也就是SIL模块，比较SIL模块与原模块的输出，来确认生成代码的正确性。处理器在环测试：将系统所需的算法模型全部纳入控制模型中，在模型中添加TargetPreferences，选择目标型号为F28335eZdsp，在配置窗口选择生成PIL模块并进行PIL测试，观察输出看是否符合设计要求。

步骤三、将模型调试到符合控制要求的最佳程度，利用DO-178B标准将步骤一所述模型转换成所需的软件代码，下载到系统嵌入式主控芯片内以产生控制信号，控制系统工作，完成逆变系统的电压闭环控制。

Claims (4)

1.基于模型设计的级联式五电平逆变系统，其特征在于：包括上位机控制设计部分和下位机执行与被控部分，所述上位机控制设计部分为PC机；所述下位机执行与被控部分包括嵌入式控制器，功率放大器，级联式五电平逆变主电路，负载，传感器，信号调理电路；所述PC机通过数据线与嵌入式控制器的代码输入端建立连接，嵌入式控制器的数据输出端与功率放大器的输入端建立连接，功率放大器的输出端与级联式五电平逆变主电路建立连接，逆变主电路的输出端通过导线分别与负载和传感器建立连接，传感器的输出端与信号调理电路的输入端建立连接，信号调理电路的输出端与嵌入式控制器的输入端建立连接。

2.根据权利要求1所述的基于模型设计的级联式五电平逆变系统，其特征在于：所述级联式五电平逆变主电路由六个基本模块级联构成，每个基本模块结构相同，所述基本模块包括相互并联的直流稳压电源、第一桥臂、第二桥臂，所述第一桥臂和第二桥臂结构相同，所述第一桥臂包括串联连接的第一开关管(T1)和第二开关管(T2)，每个开关管均反并联二极，所述桥臂的两个开关管之间的连接点为桥臂的中点。

3.根据权利要求2所述的基于模型设计的级联式五电平逆变系统，其特征在于：所述第一个基本模块(1)的第二桥臂的中点与第二个基本模块(2)的第一桥臂的中点相连接，所述第三个基本模块(3)的第二桥臂的中点与第四个基本模块(4)的第一桥臂的中点相连接，所述第五个基本模块(5)的第二桥臂的中点与第六个基本模块(6)的第一桥臂的中点相连接；第二、四、六个基本模块的第二桥臂的中点相连接，第一、三、五基本模块的第一桥臂的中点分别通过导线与负载建立连接。

4.根据权利要求1所述的基于模型设计的级联式五电平逆变系统，其特征在于：所述嵌入式控制器采用TMS320F28335浮点DSP控制器，通过仿真器与PC机相连。