一種基于fpga的高性能實時仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明是用于電力傳動實時仿真系統(tǒng)的一種快速成型的仿真方法。一種完全基于FPGA硬件的仿真器系統(tǒng)，包括：1）電力電子器件模型的FPGA實現(xiàn)，使用曲線擬合、分段線性化對開關(guān)特性模擬；2）電動機(jī)的FPGA實現(xiàn)，分析電動機(jī)的等效電路，利用離散化方法對電動機(jī)進(jìn)行精確模擬；3）電力傳動系統(tǒng)其余硬件部分的FPGA實現(xiàn)，將其簡化成一階的線性模型；4）接口部分設(shè)計，利用PC代碼來完成開發(fā)。本發(fā)明采用一種自頂向下的設(shè)計方法，將一個完整的電力傳動實時仿真系統(tǒng)經(jīng)過初級仿真、混合仿真和FPGA在回路仿真形成快速成型的仿真方法，簡化了裝置建模的復(fù)雜性，促進(jìn)了用戶接口模塊與用戶的信息交換，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
【專利說明】—種基于FPGA的高性能實時仿真方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于FPGA快速成型的仿真方法，具體的說，涉及一種對電力電子與電力傳動系統(tǒng)中基于FPGA快速成型的實時仿真方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,基于純軟件環(huán)境的仿真系統(tǒng)，如Matlab / Simulink,Saber, PSPICE等也逐漸發(fā)展起來。這類系統(tǒng)運(yùn)行在基于個人計算機(jī)(PC)的軟件平臺上，采用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型代替實際系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證?；诩冘浖h(huán)境的仿真系統(tǒng)具有操作簡單、復(fù)雜度不高等優(yōu)點(diǎn)，但由于軟件采用串行執(zhí)行機(jī)制，導(dǎo)致仿真速度較慢.且算法復(fù)雜度的增加對PC硬件要求較高。此類仿真系統(tǒng)最大的不足是缺乏與實際系統(tǒng)接口的能力。
[0003]針對純軟件環(huán)境的仿真系統(tǒng)的不足，目前，基于硬件在回路方法的仿真已經(jīng)廣泛應(yīng)用于控制器的設(shè)計與評估之中，并因其可以較好地模擬實際系統(tǒng)，在控制器的故障與缺陷捕獲之中發(fā)揮了巨大的作用。它的基本思想是將整個電力傳動系統(tǒng)或者其子系統(tǒng)集成到仿真環(huán)境之中，并通過特定的接口與實際系統(tǒng)相聯(lián)接。為了滿足實時仿真的速度要求，對于較為復(fù)雜的電力傳動系統(tǒng)，一般使用多機(jī)并行處理，或分布式運(yùn)算的思想。該類仿真一般使用PC簇(PC-cluster)，其售價較高，擴(kuò)展性不夠靈活，且其性能的提高日益受限于各并行處理機(jī)之間通信總線的速率與帶寬限制。
[0004]由于上述缺點(diǎn)，使得電力傳動實時仿真系統(tǒng)在上述各種方式中都存在性能、設(shè)計上的局限，也限制了電力傳動實時仿真系統(tǒng)的發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于不降低系統(tǒng)性能的情況下，利用場可編程門陣列(fi e I dprogrammable gate array, FPGA)技術(shù),對電力傳動系統(tǒng)實現(xiàn)了高性能的實時仿真方法。針對電力電子器件開關(guān)特性復(fù)雜、非線性度高的問題，使用曲線擬合、分段線性化等手段模擬其開關(guān)特性；針對傳統(tǒng)基于狀態(tài)空間模型的電機(jī)仿真運(yùn)算復(fù)雜、處理速度慢的問題，研究其動態(tài)等效電路模型，并利用FPGA并行處理；該方法還包含電力傳動系統(tǒng)中其它組件的模擬及人機(jī)接口的設(shè)計。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，一種基于FPGA的高性能實時仿真方法，包括:
[0007]I)電力電子器件模型的FPGA實現(xiàn)，使用曲線擬合、分段線性化對開關(guān)特性模擬；
[0008]2)電動機(jī)的FPGA實現(xiàn)，分析電動機(jī)的等效電路，利用離散化方法對電動機(jī)進(jìn)行精確模擬；
[0009]3)電力傳動系統(tǒng)其余硬件部分的FPGA實現(xiàn)，將其簡化成一階的線性模型；
[0010]4)接口部分設(shè)計，利用PC代碼來完成開發(fā)。
[0011]本發(fā)明進(jìn)一步實現(xiàn)方案敘述如下:
[0012]1.電力傳動系統(tǒng)中各硬件部分的模擬
[0013]常用的IGBT、IGCT等電力電子器件在仿真時常用的建模方法有系統(tǒng)級和器件級兩種。系統(tǒng)級建模中又分理想模型、開關(guān)函數(shù)模型和平均模型三種，它們精度不高，只能在系統(tǒng)建模的層面上對電力電子器件做出描述。器件級建模充分考慮了電力電子器件的各種特性，模型精確，但在傳統(tǒng)仿真軟件中使用時仿真效率較低，仿真速度緩慢。本仿真方法使用FPGA采用硬件并行實現(xiàn)的方法，對電力電子器件的特性進(jìn)行實時模擬，主要的研究內(nèi)容包括:電力電子器件開關(guān)特性的測試、開關(guān)損耗、器件的熱模型等，并最終使用FPGA實現(xiàn)。
[0014]電力傳動系統(tǒng)的核心電動機(jī)是一個非線性、多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。傳統(tǒng)的仿真環(huán)境中使用狀態(tài)空間模型進(jìn)行計算，數(shù)據(jù)處理量大，并涉及到多維矩陣的乘法等大型運(yùn)算，使得其仿真處理非常復(fù)雜。本仿真方法首先研究電機(jī)的等效電路模型，并將其分解為多個等效電路以使用FPGA并行實現(xiàn)，從而提高仿真速度和效率。
[0015]電力電子器件與電動機(jī)是實時仿真系統(tǒng)實現(xiàn)中的主要難點(diǎn)。對于電力傳統(tǒng)系統(tǒng)的其他組件，如電源、電阻、電感、電容以及電動機(jī)的負(fù)載等，雖然也存在一定的非線性因素，但對系統(tǒng)整體影響較小，故本方法在此只考慮其主要特性，從而將它們簡化為一階的線性模型以方便處理。另外在實際系統(tǒng)中，存在編碼器、電壓、電流傳感器等測量元件，需要研究它們的特性，如編碼器的分辨率、有效位數(shù)等，并使用FPGA進(jìn)行模擬。
[0016]2.數(shù)學(xué)運(yùn)算的處理
[0017]在對電力傳動系統(tǒng)中的建模中，通常得到的是時域或者頻域的連續(xù)模型。為了將其實現(xiàn)到以一定時鐘頻率工作的FPGA器件中，需要對電力傳動系統(tǒng)中的模型離散化；則本部分包括:離散化方法、仿真步長的選取、積分與微分方程的數(shù)值方法選取等。
[0018]其次，現(xiàn)階段的絕大部分FPGA都不含有浮點(diǎn)處理單元(FPU, floating pointunit)，而在仿真過程中，大部分?jǐn)?shù)據(jù)又都是浮點(diǎn)的。為此，需要在保證精度和處理速度的前提下研究FPGA開發(fā)中浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的方法。
[0019]3.接口部分設(shè)計
[0020]基于FPGA的實時仿真系統(tǒng)雖然最終將仿真系統(tǒng)下載到FPGA中，并變?yōu)榫唧w的硬件電路實現(xiàn)，但是得益于FPGA高度靈活的可配置性，在設(shè)計完成之后可以對現(xiàn)有硬件芯片中的系統(tǒng)進(jìn)行重新配置，以完成參數(shù)重新分配、系統(tǒng)升級等任務(wù)；同時，一個友好的人機(jī)接口可以極大地方便調(diào)試過程中對所需信息的觀察，從而簡化調(diào)試步驟、提高調(diào)試效率。
[0021]4.仿真過程的建模方式
[0022]使用系統(tǒng)級建模方法實現(xiàn)電力電子裝置的特性模擬采用自頂向下的設(shè)計流程，分為3個步驟:初級仿真、混合仿真及FPGA在回路仿真。
[0023]I)初級仿真
[0024]初級仿真采用Matlab/Simulink工具箱中的基本模塊對控制單元和電力電子裝置進(jìn)行模擬，并對其控制算法和主電路的拓?fù)溥M(jìn)行驗證，其得出的結(jié)果將成為混合仿真的參考標(biāo)準(zhǔn)。
[0025]2)混合仿真
[0026]在混合仿真中，利用上述方法將電力電子裝置抽象成對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，利用Matlab中的System Generator中的模塊對其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散化，利用Simulink環(huán)境對混合系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證，以確保所得出的離散化模型的正確性。若出現(xiàn)的結(jié)果與初級仿真不相符，需要對離散化模型進(jìn)行調(diào)整和修改。
[0027]3 ) FPGA在回路仿真
[0028]FPGA在回路仿真中采用控制器代替Simulink環(huán)境中的控制單元，混合仿真中采用System Generator搭建的模型可通過自動化綜合工具直接轉(zhuǎn)換成HDL代碼,并生成相應(yīng)的比特流。將硬件比特流下載到FPGA芯片內(nèi)部，并通過通信解樓模塊與控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而構(gòu)成一個FPGA在回路實時仿真系統(tǒng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是實時仿真方法的整體系統(tǒng)
[0030]圖2是電力傳動實時仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
[0031]圖3是系統(tǒng)及設(shè)計流程圖
[0032]圖4是FPGA在回路仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
[0033]圖5是逆變器帶阻感負(fù)載電路結(jié)構(gòu)
[0034]圖6是阻感負(fù)載電路模型

【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述:
[0036]根據(jù)圖1可知，整個系統(tǒng)由①、②、③、④部分構(gòu)成，其中①由DSP構(gòu)成，實現(xiàn)發(fā)射PWM波，測速，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測，電機(jī)電壓、電流采集的功能；②利用FPGA模擬實際系統(tǒng)，包括電源、變壓器、電阻、電感、電力電子器件、電機(jī)等效電路、編碼器、傳感器等；③利用FPGA模擬人機(jī)接口，包含參數(shù)配置、通信模塊、在線邏輯分析儀；用戶通過④的JTAG進(jìn)行調(diào)試。
[0037]根據(jù)圖2可知，該方法對電力傳動實時仿真的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，控制單元實現(xiàn)控制算法，電力電子裝置模型主要包括電源模塊、電力電子變換器模塊及負(fù)載。通?？刂茊卧碗娏﹄娮友b置組成閉環(huán)回路，傳感器將電力電子裝置中的信號反饋到控制單元，控制單元則向其發(fā)出控制脈沖。用戶接口模塊負(fù)責(zé)仿真波形的顯示、用戶指令的接收。
[0038]根據(jù)圖3是系統(tǒng)的設(shè)計流程圖，該系統(tǒng)級建模的方法實現(xiàn)電力電子裝置的特性模擬可采用自頂向下的設(shè)計流程，分為3個步驟:初級仿真、混合仿真及FPGA在回路仿真。
[0039]根據(jù)圖4是FPGA在回路仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用FPGA仿真中用控制器代替控制單元，并將其轉(zhuǎn)換成HDL代碼，并生成相應(yīng)的硬件比特流。將硬件比特流下載到FPGA芯片內(nèi)部，并通過通信解樓模塊與控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，構(gòu)成一個FPGA在回路實時仿真系統(tǒng)；在每個采樣周期控制器將控制指令及數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA內(nèi)部，F(xiàn)PGA完成裝置數(shù)學(xué)模型的實時模擬，并通過用戶接口模塊與用戶進(jìn)行信息交換。
[0040]根據(jù)圖5是逆變器帶阻感負(fù)載電路結(jié)構(gòu)圖，對電力電子裝置建模采用功能模型。同一橋逼上兩個IGBT開關(guān)器件共有3種有效開關(guān)狀態(tài):00，00及01。其中I代表IGBT導(dǎo)通，O代表其關(guān)斷。在整個系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行中，逆變器的電壓輸出是由IGBT的當(dāng)前開關(guān)狀態(tài)和負(fù)載電流共同決定。
[0041]圖6是阻感負(fù)載特性分析圖，可得其公式為Ldi (t)/dt+Ri (t)=u(t)，采用雙線性變換對其進(jìn)行離散化，得到相應(yīng)差分方程為:
[0042]=++。
【權(quán)利要求】
1.一種基于FPGA的高性能實時仿真方法，包括: O電力電子器件模型的FPGA實現(xiàn)，使用曲線擬合、分段線性化對開關(guān)特性模擬； 2)電動機(jī)的FPGA實現(xiàn)，分析電動機(jī)的等效電路，利用離散化方法對電動機(jī)進(jìn)行精確模擬； 3)電力傳動系統(tǒng)其余硬件部分的FPGA實現(xiàn)，將其簡化成一階的線性模型； 4)接口部分設(shè)計，利用PC代碼來完成開發(fā)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于利用FPGA采用硬件并行實現(xiàn)，對電力電子器件的特性進(jìn)行實時模型，包括電力電子器件開關(guān)特性的測試、開關(guān)損耗、器件的熱模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于利用電動機(jī)的等效電路，分析不同的離散化方法和仿真步長對所使用的等效電路精度和效率的影響，從而確定合適的離散方法與仿真步長。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于只考慮電力系統(tǒng)中其余硬件部分的主要特性，將其簡化成一階線性模型，可使用線性表達(dá)式將其簡單實現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于接口部分主要包括參數(shù)配置模塊、通信模塊和在線邏輯分析儀模塊，包括參數(shù)在線調(diào)節(jié)、JTAG協(xié)議、RS-232通信；該部分的軟件開發(fā)與硬件相關(guān)度較高、工作量較大，但易于模塊化，本仿真方法使用FPGA廠商提供的基于PC的代碼生產(chǎn)工具來完成其開發(fā)。
【文檔編號】G06F17/50GK104252550SQ201310265509
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月27日
【發(fā)明者】戴鵬, 伍小杰, 袁慶慶, 朱洪順, 于月森, 張婷婷, 張金科, 吳強(qiáng), 趙明龍, 王釗 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)