一种基于FPGA的电力电子半实物仿真系统的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种基于fpga的电力电子半实物仿真系统。

背景技术：

电力电子行业发展迅速，各种电力电子设备逐步扩大至大功率领域，导致对于运行环境的要求越来越高，在装置实际运行之前，有必要对其进行仿真，目前使用较多的是纯数学仿真，即完全使用软件对电力电子电力电子系统进行仿真，缺乏与外部实际系统的联系，缺乏准确性。

而随着电力电子技术的发展，传统的纯软件仿真难以考虑仿真模型和外部真实环境之间的联系，甚至由于实际系统过于复杂，所建的模型准确度不高。因此，有些场合需要将实际系统对象原型放置于仿真系统中，实现联合仿真。传统的半实物仿真系统多采用单fpga架构，硬件设计相对简单，通过i/o接口与被测的电子控制单元(ecu)，对被测ecu进行测试。然而，单一的fpga的电力电子仿真结构简单，当进行半实物仿真时，所有模型计算及接口程序全部映射于fpga中，对fpga容量要求较高，而且受限于封装技术；此外，单片fpga可以自由使用的i/o口数量基本是确定的，在对复杂电力电子模型进行实时仿真时会表现出i/o接口资源不足的现象。

此外，商业化电力电子半实物系统均由国外公司垄断，价格昂贵，仿真容量和接口数量也受限。在验证大型电力电子装置时，往往涉及到系统的扩容，然而其专有的通信协议并不对外开放，导致系统升级、维护费用极高。因此针对电力电子领域对半实物仿真系统的需求，研发一套实时性好、仿真精度高、容量大、价格低廉、通用性好的半实物仿真平台具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于fpga的电力电子半实物仿真系统，该系统采用全硬件fpga的形式实现电力电子实时仿真对小步长、高实时性，多fpga以及独立式功能板卡架构增强了系统容量，使其更具有通用性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于fpga的电力电子半实物仿真系统包括分别分布在相互独立设置的五个fpga仿真板卡上的a/d板卡、d/a板卡、di板卡、do板卡和核心计算板卡，各板卡的数据计算、存储及通信均采用fpga实现，所述核心计算板卡分别与a/d板卡、d/a板卡、di板卡、do板卡通信连接，该系统的电路输入部分包括ad板卡和di板卡，电路输出部分包括da板卡和do板卡。五个fpga仿真卡板级联拓扑采用星形对称互联结构。

所述核心计算板卡分别与a/d板卡、d/a板卡、di板卡、do板卡采用jtag接口连接。a/d板卡、d/a板卡、di板卡、do板卡依次连接；所述jtag接口的tdi接口连接所述a/d板卡的tdi接口，所述jtag接口的tdo接口连接所述do卡板的tdo接口，所述jtag接口的tms接口连接四块板卡的tms接口，所述jtag接口的tck接口连接四块板卡的tck接口。

所述a/d板卡接收外部的数据，经过模数转换根据需求传送到其他四块fpga仿真卡板中，输出信号则由从do板卡输出，其中a/d板卡和do板卡的数据通过核心计算板卡交互，且从d/a板卡通过光纤接口将数据高速送出。

当单块fpga仿真板卡的资源不足时，扩展fpga仿真卡板间的数据通信，其中，在fpga核心计算板卡间采用lvds通信，在接口属性的板卡与fpga核心计算板卡间采用spi通信。

所述a/d板卡利用io接口数据接收外部数据，经过io接口反馈的数据通过上位机接收，所述io接口与上位机采用网络接口连接。

该系统的供电模块包括5v电源，与5v电源分别连接的3.3v稳压芯片、2.5v稳压芯片和1.2v稳压芯片。所述3.3v稳压芯片连接各fpga仿真卡板的i/o接口和epcs存储模块，所述2.5v稳压芯片连接jtag链路、lvds通信和锁相环模块，所述1.2v稳压芯片连接内核以及锁相环模块。

利用该基于fpga的电力电子半实物仿真系统进行仿真试验时，将需要仿真的电路模型载入所述fpga核心计算板卡中，将该基于fpga的电力电子半实物仿真系统与实际控制器相连接，外部控制器通过di板卡送入pwm控制信号及状态控制信号，di板卡将接收到的数据传送至fpga核心计算板卡的模型输入接口，内部模型由此开始半实物仿真，仿真模型计算出的数据通过fpga核心计算板卡传送至d/a板卡和d/o板卡输出，外部控制器通过d/a卡板输出的模拟信号以及接受do板卡输出的数字反馈信号实现对仿真模型的闭环控制。

本发明提供的基于fpga的电力电子半实物仿真系统，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

一、本发明利用fpga的响应快、准确度高的特点，采用多片fpga级联的方式实现多fpga的电力电子半实物仿真系统，解决了单fpga半实物仿真的容量和i/o口不足的问题，可以安全、方便地模拟出并用于考察控制系统对于故障的反应，更加真实地反映了系统的实际运行情况；

二、采用五块fpga组成半实物仿真平台的控制核心模块，以通信的方式实现板卡间计算数据的交换，且各板卡间独立并行运行，并可以采用扩容处理器板卡的方式方便地增加扩容；

三、采用全硬件fpga架构，以多片fpga作为并行核心运算单元，有效增加了系统仿真容量，缩短了仿真步长，保障了系统的仿真精度；

四、本发明系统只需要购买一定数量的fpga板卡和电子元件即可实现，解决通信协议以后扩容方便，无需高昂的费用。

附图说明

图1为实施例中基于fpga的电力电子半实物仿真系统的具体架构图；

图2为实施例中基于fpga的电力电子半实物仿真系统的供电结构图；

图3为实施例中多个fpga的星型互联结构图；

图4为实施例中基于fpga的电力电子半实物仿真系统中jtag连接链路图；

图5为实施例中fpga核心计算板卡的硬件电路结构图；

图6为实施例中10kv静止同步补偿器电路拓扑图；

图7为实施例中10kv静止同步补偿器半实物仿真结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

在电力电子领域，半实物仿真可以加速复杂电力电子装置的开发，缩短装置的开发周期；一些难以实际模拟的故障，采用半实物仿真系统可以安全、方便地模拟出并用于考察控制系统对故障的反应，对于电力电子的仿真有很大的实用性。

本发明涉及一种基于fpga的电力电子半实物仿真系统，为了尽可能增加各类接口的数量并方便各模块以及系统的扩容，本发明将所有接口模块以及仿真计算模块设计成独立板卡式结构，分别形成a/d板卡、d/a板卡、di板卡，do板卡、核心计算板卡(fpga板卡)，各板卡的数据计算、存储及通信均采用fpga实现。将核心计算板卡作为主fpga仿真卡板，其余四个fpga作为从fpga仿真卡板。多fpga电力电子半实物仿真系统的具体架构图如图1所示。

图1中，将采用fpga实现的a/d板卡、d/a板卡、di板卡，do板卡分别视作从fpga仿真板卡1、从fpga仿真板卡2、从fpga仿真板卡3、从fpga仿真板卡4。第一采样调理模块、a/d转换模块和第一数据整合及通信模块依次连接，a/d板卡的一端与第一整合及通信模块连接，另一端通过spi通信模块与其他fpga板卡连接。第二采样调理模块、d/a转换模块和第二数据整合及通信模块依次连接，d/a板卡的一端与第二整合及通信模块连接，另一端通过spi通信模块与其他fpga板卡连接。第三采样调理模块、第一电平转换模块和第三数据整合及通信模块依次连接，di板卡的一端与第三整合及通信模块连接，另一端通过spi通信模块与其他fpga板卡连接。第四采样调理模块、第二电平转换模块和第四数据整合及通信模块依次连接，do板卡的一端与第四整合及通信模块连接，另一端通过spi通信模块与其他fpga板卡连接。

io接口数据负责接收外部数据，上位机则可以接收到io反馈出来的数据，网络接口则用来连接io口与上位机，电路模型则是把需要仿真的模型下载到fpga板卡中，a/d与d/a板卡则是负责模数与数模转换方便fpga处理数据。

对多fpga系统设计中的需求进行分析，首先供电需求，一般fpga正常工作需要三种电源：3.3v、2.5v、1.2v，需要由稳压电源芯片输出供电，供电结构如图2所示，5v电源分别连接3.3v稳压芯片、2.5v稳压芯片和1.2v稳压芯片。3.3v稳压芯片连接fpgai/o口、epcs存储模块。2.5v稳压芯片连接jtag链路、lvds通信和锁相环模块。1.2v稳压芯片连接内核以及锁相环模块。

多fpga级联拓扑选择星形对称互联结构，从fpga1与从fpga4之间无硬件连接线，方便中间的主fpga出线，中心fpga可以充当各fpga间的信息交流媒介，如图3所示，主fpga分别连接从fpga1芯片、从fpga2芯片、从fpga3芯片、从fpga4芯片；从fpga1芯片、从fpga2芯片、从fpga3芯片，从fpga4芯片依次连接。在单块fpga仿真板卡资源不足时用于拓展fpga仿真板卡间的数据通信，在fpga核心计算板卡间采用lvds通信，接口板卡与核心计算板卡间采用spi通信。采用lvds高速通信可实现扩容fpga核心计算板卡间的数据交换，并将半实物仿真系统的各功能模块独立开来，形成不同功能板卡，方便系统扩容。

确定核心计算板卡与接口板卡的型号，使用jtag在线配置下载调试电路，多fpga系统的jtag连接链路图如图4所示。从fpga1芯片、从fpga2芯片、从fpga3芯片、从fpga4芯片依次连接；jtag接口的tdi接口连接从fpga1芯片的tdi接口，jtag的tdo接口连接从fpga4芯片的tdo接口；jtag的tms接口连接各从fpga芯片的tms接口，jtag的tck接口连接各从fpga芯片的tck接口。

核心计算板卡硬件电路结构如图5所示。电路的输入部分包括ad板卡、di板卡，输出部分包括da板卡、do板卡。在使用时，从fpga1芯片接收外部的数据，经过模数转换按照需要传送到其他四块芯片中，输出信号则由从fpga4芯片最后输出，其中芯片1和4的数据通过主fpga芯片交互，并且从fpga2芯片可以将数据高速送出，lvds通信链路的使用可更方便系统的扩容和数据交流。

本实施例以10kv静止同步补偿器为例，对使用本发明系统进行仿真的过程进行说明。

10kv静止同步补偿器的电路拓扑图如图6所示，编写仿真模型，与实际的控制器联合仿真，再与matlab仿真结果进行对比分析，相关电路参数设置如表1所示：

表1相关电路参数

试验时，将10kv静止同步补偿器的电路模型载入fpga核心计算板卡中，其半实物仿真结构图如图7所示，将半实物仿真系统与实际控制器相连接。外部控制器通过di板卡送入pwm控制信号及接触器等状态控制信号，di板卡将接收到的数据传送至fpga核心计算板卡的模型输入接口，内部模型由此开始半实物仿真，仿真模型计算出的数据则通过fpga板卡传送至d/a板卡和d/o板卡输出，外部控制器通过采样d/a输出的模拟信号以及接受do板卡输出的数字反馈信号实现对仿真模型的闭环控制。

本发明利用fpga的响应快、准确度高的特点，采用多片fpga级联的方式实现多fpga的电力电子半实物仿真系统，解决了单fpga半实物仿真的容量和i/o口不足的问题，可以安全、方便地模拟出并用于考察控制系统对于故障的反应，更加真实地反映了系统的实际运行情况。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。