基于VHS-ADC的三相整流器高速实时仿真平台的设计

摘  要： 针对目前研究三相电压型SVPWM整流器的仿真不足，提出了基于VHS-ADC高速信号处理系统构建三相电压型SVPWM整流器的高速实时仿真平台，并设计了VHS-ADC平台与主电路的通用接口板。实验验证了接口板设计的正确性，为VHS-ADC硬件在三相整流器回路中实现高速实时仿真奠定了基础，达到了较好的效果。
关键词： VHS-ADC； 高速实时仿真平台； 设计
       目前，对三相电压型SVPWM整流器的研究多集中在与传统PWM和SPWM进行比较。空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)动态响应速度快、稳态性能好、容易微处理器实现，但实现复杂、实时控制要求高、需高速微处理器[1-2],仿真方法也多采用MATLAB/SIMULINK的连续域仿真。在传统的纯数字离线仿真研究中，三相电压型SVPWM整流器模型都是在一定假设条件下的简化模型，同时没有考虑开关损耗、开关时间、死区等方面的影响，与实际对象存在差异；此外，纯数字离线仿真无法考虑到包括实际处理器的运算能力、存储器的限制、中断及I/O接口电路电气特性等诸多因素。因此,本文提出基于VHS-ADC高速数字信号处理平台来研究三相电压型SVPWM整流器的硬件在回路仿真方法，设计了平台的接口电路，研究了A/D端口和GPIO端口的衔接，并通过实验验证，达到了较好效果[1-5]。
1 VHS-ADC系统
     加拿大Lyrtech公司的VHS-ADC是一种基于FPGA的高速数字信号处理系统，系统采用Xilinx公司的Virtex-II系列FPGA作为主要信号处理模块，为用户提供了基于MATLAB/SIMULINK、Xilinx/Altera FPGA的集成开发环境，无缝地实现自顶向下的开发流程。VHS-ADC内部拥有丰富的门资源与硬件乘法器,工作频率可达420 MHz，高速A/D通道采样率可达105 MS/s,高速D/A通道采样率可达125 MS/s，32位的GPIO和FPDP接口建立了与外界的高速数据通道,具有高度的并行运算能力，实时性强[6-8]。VHS-ADC系统结构如图1所示。
   
       本文构建的三相电压型SVPWM整流器的高速实时仿真平台，以VHS-ADC、CPCI工控机作为控制系统主体，结合主电路拓扑结构，辅以硬件接口电路等设备构成了电路测试和试验平台。整个系统结构如图2所示。
   
       整个系统需要检测的信号有三相电压源信号ua、ub、uc和交流侧输入电流ia、ib、ic以及直流侧输出电压udc。这些信号经过信号调理电路之后传输到VHS-ADC平台的A/D接口接收范围内的模拟信号，然后VHS-ADC完成系统的控制部分，最后由平台输出的SVPWM控制脉冲经过驱动及保护电路控制主电路的IGBT。 整个系统结构简单明了，易于实现。
2 平台接口电路设计
     (1)电压信号的采集
     交流电压信号采集采用SLMV2000E传感器，它是一种高精度、快速电压传感器，电流输出型，初级和次级高度隔离，采集电压范围为0~2 000 V，变比为400:1，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则电压波形，且价格比LEM霍尔电压传感器低。交流电压采集调理电路如图3所示。
   
       SLC800是一种非常先进的线性光电耦合器, 使用高匹配晶体管使伺服反馈回路和传递输出回路达到非常好的匹配。直流侧电压采集调理电路如图4所示。图中,信号检测电路输出的直流侧电压信号调理成 0~2.25 V 范围内的模拟电压信号，然后把这些模拟电压信号送给VHS-ADC的 A/D 转换接口。其直流侧电压为uin=udc，经过电阻分压和电压跟随器可得到线性光耦的输入电压为：
   
   
　
     (2)电流信号的采集
     电流信号的采集采用型号为Honeywell CSNR161的霍尔电流传感器,基于霍尔效应和零磁场平衡原理测量电流，最大测量电流为125 A(rms)，输入输出电流比为125 mA/125 A，交流电流信号的采集和调理电路如图5所示。
   
   
     传感器采用±12 V双电源供电，其输出电流信号经测量电阻R转换为电压信号后，由运算放大器构成的电压跟随器与接口匹配，可调整电位器R的大小，使输出的双极性信号恰好落在-1.125 V~+1.125 V的范围，然后传送给VHS-ADC的A/D端口。
3 VHS-ADC与接口板的衔接
3.1 A/D端口的衔接
      通过平台接口板可以检测到交流侧三相电压信号和电流信号以及直流侧的电容输出电压信号，然后传输到VHS-ADC的A/D转换接口。当使用A/D端口时，在VHS-ADAC Control Utility控制板上可以选择是否使用可编程增益(增益的范围为0~255)。如果不采用增益，则模拟输入与数字输出是成正比例关系；如果采用增益，则不成正比例关系。根据A/D特性，输入电压的最高值为2.25 V，可得到模拟量与数字量的比例关系为：



4  实验
     为了验证所设计平台接口板的正确性，调试完PCB板之后，得到实验结果如下：
     (1) 电压采集波形如图6所示。图6(a)为电网A相输入电压为Us=30 V，波形1为电网电压经过变压器和电压传感得到的输入波形，波形2为经过调理电路后的输出波形，可以看出电压的相位和幅值完全一致，表明电压采集调理电路的正确性。在图6(b)中，在线形光耦采集调理电路的电阻分压之后输入直流电压信号为0.806 V，输出电压信号为0.077 V，隔离光耦线形度满足要求，验证表明，线形隔离光耦传输线形度好，所设计的采集调理电路正确。
   
       (2) GPIO的输出控制脉冲与IGBT的集电极和基极两端的控制脉冲对应关系如图7所示。
   
       图7的信号是从GPIO口输出的控制脉冲，最高逻辑电平被上拉电阻提升到5 V，满足了TTL与CMOS电路的转换条件。IGBT的控制脉冲高电平为+14 V，此时管子导通，低电平为-8 V，管子关断。可看出从平台内部输出的GPIO控制脉冲与IGBT的控制脉冲完全对应，验证了平台接口板设计正确性。
     本文通过对三相整流器高速实时仿真平台的电压和电流信号采集电路及调理接口电路的设计，通过实验可得接口设计电路电压的相位和幅值完全一致，在线形光耦采集调理电路的电阻分压后,输入直流电压信号与输出电压信号相近，隔离光耦线形度满足要求，验证了线形隔离光耦传输线形度好，设计的采集调理电路的正确性。通过从平台内部输出的GPIO控制脉冲与IGBT的控制脉冲完全对应，验证了仿真平台接口板设计的正确性和可行性，为进一步研究硬件在三相整流回路中实现高速实时仿真奠定了理论基础，具有一定的应用价值。
参考文献
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