基于VHS-ADC的三相整流器高速實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)目前研究三相電壓型SVPWM整流器的仿真不足，提出了基于VHS-ADC高速信號(hào)處理系統(tǒng)構(gòu)建三相電壓型SVPWM整流器的高速實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了VHS-ADC平臺(tái)與主電路的通用接口板。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了接口板設(shè)計(jì)的正確性，為VHS-ADC硬件在三相整流器回路中實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)仿真奠定了基礎(chǔ)，達(dá)到了較好的效果。
關(guān)鍵詞： VHS-ADC； 高速實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)； 設(shè)計(jì)

目前，對(duì)三相電壓型SVPWM整流器的研究多集中在與傳統(tǒng)PWM和SPWM進(jìn)行比較。空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)性能好、容易微處理器實(shí)現(xiàn)，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、實(shí)時(shí)控制要求高、需高速微處理器[1-2],仿真方法也多采用MATLAB/SIMULINK的連續(xù)域仿真。在傳統(tǒng)的純數(shù)字離線仿真研究中，三相電壓型SVPWM整流器模型都是在一定假設(shè)條件下的簡(jiǎn)化模型，同時(shí)沒(méi)有考慮開(kāi)關(guān)損耗、開(kāi)關(guān)時(shí)間、死區(qū)等方面的影響，與實(shí)際對(duì)象存在差異；此外，純數(shù)字離線仿真無(wú)法考慮到包括實(shí)際處理器的運(yùn)算能力、存儲(chǔ)器的限制、中斷及I/O接口電路電氣特性等諸多因素。因此,本文提出基于VHS-ADC高速數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)來(lái)研究三相電壓型SVPWM整流器的硬件在回路仿真方法，設(shè)計(jì)了平臺(tái)的接口電路，研究了A/D端口和GPIO端口的銜接，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了較好效果[1-5]。
1 VHS-ADC系統(tǒng)
加拿大Lyrtech公司的VHS-ADC是一種基于FPGA的高速數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)采用Xilinx公司的Virtex-II系列FPGA作為主要信號(hào)處理模塊，為用戶提供了基于MATLAB/SIMULINK、Xilinx/Altera FPGA的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，無(wú)縫地實(shí)現(xiàn)自頂向下的開(kāi)發(fā)流程。VHS-ADC內(nèi)部擁有豐富的門資源與硬件乘法器,工作頻率可達(dá)420 MHz，高速A/D通道采樣率可達(dá)105 MS/s,高速D/A通道采樣率可達(dá)125 MS/s，32位的GPIO和FPDP接口建立了與外界的高速數(shù)據(jù)通道,具有高度的并行運(yùn)算能力，實(shí)時(shí)性強(qiáng)[6-8]。VHS-ADC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文構(gòu)建的三相電壓型SVPWM整流器的高速實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，以VHS-ADC、CPCI工控機(jī)作為控制系統(tǒng)主體，結(jié)合主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輔以硬件接口電路等設(shè)備構(gòu)成了電路測(cè)試和試驗(yàn)平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個(gè)系統(tǒng)需要檢測(cè)的信號(hào)有三相電壓源信號(hào)ua、ub、uc和交流側(cè)輸入電流ia、ib、ic以及直流側(cè)輸出電壓udc。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路之后傳輸?shù)絍HS-ADC平臺(tái)的A/D接口接收范圍內(nèi)的模擬信號(hào)，然后VHS-ADC完成系統(tǒng)的控制部分，最后由平臺(tái)輸出的SVPWM控制脈沖經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路控制主電路的IGBT。 整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，易于實(shí)現(xiàn)。
2 平臺(tái)接口電路設(shè)計(jì)
(1)電壓信號(hào)的采集
交流電壓信號(hào)采集采用SLMV2000E傳感器，它是一種高精度、快速電壓傳感器，電流輸出型，初級(jí)和次級(jí)高度隔離，采集電壓范圍為0~2 000 V，變比為400:1，能在電隔離條件下測(cè)量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則電壓波形，且價(jià)格比LEM霍爾電壓傳感器低。交流電壓采集調(diào)理電路如圖3所示。

SLC800是一種非常先進(jìn)的線性光電耦合器, 使用高匹配晶體管使伺服反饋回路和傳遞輸出回路達(dá)到非常好的匹配。直流側(cè)電壓采集調(diào)理電路如圖4所示。圖中,信號(hào)檢測(cè)電路輸出的直流側(cè)電壓信號(hào)調(diào)理成 0~2.25 V 范圍內(nèi)的模擬電壓信號(hào)，然后把這些模擬電壓信號(hào)送給VHS-ADC的 A/D 轉(zhuǎn)換接口。其直流側(cè)電壓為uin=udc，經(jīng)過(guò)電阻分壓和電壓跟隨器可得到線性光耦的輸入電壓為：

　
(2)電流信號(hào)的采集
電流信號(hào)的采集采用型號(hào)為Honeywell CSNR161的霍爾電流傳感器,基于霍爾效應(yīng)和零磁場(chǎng)平衡原理測(cè)量電流，最大測(cè)量電流為125 A(rms)，輸入輸出電流比為125 mA/125 A，交流電流信號(hào)的采集和調(diào)理電路如圖5所示。

傳感器采用±12 V雙電源供電，其輸出電流信號(hào)經(jīng)測(cè)量電阻R轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器與接口匹配，可調(diào)整電位器R的大小，使輸出的雙極性信號(hào)恰好落在-1.125 V~+1.125 V的范圍，然后傳送給VHS-ADC的A/D端口。
3 VHS-ADC與接口板的銜接
3.1 A/D端口的銜接
通過(guò)平臺(tái)接口板可以檢測(cè)到交流側(cè)三相電壓信號(hào)和電流信號(hào)以及直流側(cè)的電容輸出電壓信號(hào)，然后傳輸?shù)絍HS-ADC的A/D轉(zhuǎn)換接口。當(dāng)使用A/D端口時(shí)，在VHS-ADAC Control Utility控制板上可以選擇是否使用可編程增益(增益的范圍為0~255)。如果不采用增益，則模擬輸入與數(shù)字輸出是成正比例關(guān)系；如果采用增益，則不成正比例關(guān)系。根據(jù)A/D特性，輸入電壓的最高值為2.25 V，可得到模擬量與數(shù)字量的比例關(guān)系為：



4 實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)平臺(tái)接口板的正確性，調(diào)試完P(guān)CB板之后，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：
(1) 電壓采集波形如圖6所示。圖6(a)為電網(wǎng)A相輸入電壓為Us=30 V，波形1為電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)變壓器和電壓傳感得到的輸入波形，波形2為經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后的輸出波形，可以看出電壓的相位和幅值完全一致，表明電壓采集調(diào)理電路的正確性。在圖6(b)中，在線形光耦采集調(diào)理電路的電阻分壓之后輸入直流電壓信號(hào)為0.806 V，輸出電壓信號(hào)為0.077 V，隔離光耦線形度滿足要求，驗(yàn)證表明，線形隔離光耦傳輸線形度好，所設(shè)計(jì)的采集調(diào)理電路正確。

(2) GPIO的輸出控制脈沖與IGBT的集電極和基極兩端的控制脈沖對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

圖7的信號(hào)是從GPIO口輸出的控制脈沖，最高邏輯電平被上拉電阻提升到5 V，滿足了TTL與CMOS電路的轉(zhuǎn)換條件。IGBT的控制脈沖高電平為+14 V，此時(shí)管子導(dǎo)通，低電平為-8 V，管子關(guān)斷?？煽闯鰪钠脚_(tái)內(nèi)部輸出的GPIO控制脈沖與IGBT的控制脈沖完全對(duì)應(yīng)，驗(yàn)證了平臺(tái)接口板設(shè)計(jì)正確性。
本文通過(guò)對(duì)三相整流器高速實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的電壓和電流信號(hào)采集電路及調(diào)理接口電路的設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得接口設(shè)計(jì)電路電壓的相位和幅值完全一致，在線形光耦采集調(diào)理電路的電阻分壓后,輸入直流電壓信號(hào)與輸出電壓信號(hào)相近，隔離光耦線形度滿足要求，驗(yàn)證了線形隔離光耦傳輸線形度好，設(shè)計(jì)的采集調(diào)理電路的正確性。通過(guò)從平臺(tái)內(nèi)部輸出的GPIO控制脈沖與IGBT的控制脈沖完全對(duì)應(yīng)，驗(yàn)證了仿真平臺(tái)接口板設(shè)計(jì)的正確性和可行性，為進(jìn)一步研究硬件在三相整流回路中實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)仿真奠定了理論基礎(chǔ)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
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