一种双向DC/DC变换器半实物仿真系统的制作方法

本发明涉及电力电子应用技术领域，特别是涉及一种双向dc/dc变换器半实物仿真系统。

背景技术：

随着科技的发展，人们对双向dc/dc变换器的需求也随之日益增加。主要体现在电动汽车与车载电源系统、不停电电源系统(ups)、航空航天电源系统、燃料电池、新能源和分布式发电系统等应用场合。

目前，针对大功率双向dc/dc变换器的研究仍处于仿真和样机阶段，成熟可靠的控制算法仍在研究当中，而由于隔离型双向dc/dc变换器拓扑种类繁多所用到的开关管数量也多，以往的研究都使用嵌入式控制芯片如单片机或dsp以及fpga控制变换器系统，这样的方式需要将控制模型编写成控制芯片可识别的语言程序，耗费大量开发时间。而且，不能实现在线调整参数，影响开发速度。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种双向dc/dc变换器半实物仿真系统，可实现在线调整参数，节省控制模型编程时间，降低开发时间以及成本。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种双向dc/dc变换器半实物仿真系统，其包括上位机、下位机和双向dc/dc变换器，上位机与下位机连接，下位机与双向dc/dc变换器连接；

上位机用于建立数学控制模型、在线调整设定参数和实时监控检测量信号以及数据存储；

下位机是基于pc的实时仿真器，配置多块数字量和模拟量输入输出板卡，为采样信号和控制信号提供输入输出通道。

优选的，上位机通过tcp/ip协议通讯连接下位机，下位机通过i/o板卡连接到双向dc/dc变换器。

优选的，上位机建立的数学控制模型包括开环控制、闭环控制、滞环控制、脉冲宽度调制控制、pid控制、双极型控制、移相控制、小信号分析控制、自适应控制模糊控制、神经网络控制、单周控制、矢量控制和滑膜控制。

优选的，实时监控检测量信号包括双向dc/dc原副边的电压、电流、温度、功率和转化效率；

监控界面有曲线、图标和数据。

优选的，双向dc/dc变换器的主电路实物结构包括原边逆变、中间高频隔离变压器副边整流电路；

原边逆变结构包括第一桥式结构体、第三桥式结构体、第三桥式结构体、第四桥式结构体以及第一储能电感；

第一桥式结构体与第二桥式结构体串联，连接点接中间高频隔离变压器一次侧第一输入端；

第三桥式结构体与第四桥式结构体串联，连接点接中间高频隔离变压器一次侧第二输入端；

第一储能电感一端与原边直流电压源正极相连，另一端与第一桥式结构体第三桥式结构体相连；

原边直流电压源负极与第二桥式结构体、第四桥式结构体相连；

副边整流结构包括第五桥式结构体、第六桥式结构体、第七桥式结构体、第八桥式结构体以及第二十滤波电容；

第五桥式结构体与第六桥式结构体串联，连接点接中间高频隔离变压器二次侧第一输入端；

第七桥式结构体与第八桥式结构体串联，连接点接中间高频隔离变压器二次侧第二输入端；

第二十滤波电容一端与副边直流电压源正极相连，另一端与副边直流电压源负极相连副边直流电压源正极与第五桥式结构体、第七桥式结构体相连；

副边直流电压源负极与第六桥式结构体、第八桥式结构体相连。

优选的，缓冲结构体和功率管结构体并联构成桥式结构，

缓冲结构体包括电阻、快恢复二极管和电容，其中，电阻、快恢复二极管并联后与电容串联；

功率管结构体包括开关管、电容和二极管，其中，开关管与电容并联后与反并联二极管并联。

优选的，双向dc/dc变换器电路的实物结构还包括开关管驱动电路、保护电路、采样电路和信号调理电路以及软启动电路；

保护电路包括过电压、过电流、欠电压欠电流、防短路、防反接、防过载等保护和emi电路；

采样电路包括电压传感器、电流传感器和温度传感器；

信号调理电路将采样得到的信号进行调理并输入或输出到i/o板卡。

优选的，所述上位机安装有matlabsimulink和rt-lab软件，两者实现无缝连接在simulink中搭建数学控制模型，并对模型进行实时化处理，然后对模型分割编辑和编译，通过tcp/ip协议通讯将c代码传递给下位机；

下位机加载c代码后，采用多核分布式并行计算实现dc/dc变换器在环半实物实时仿真，rt-lab将总体系统划分为数学控制系统、实物系统和实时监控系统；

数学控制系统控制模型的实时计算，包括控制信号和i/o板卡操作，其表现形式为simulink中的仿真模型，实物系统包括以实物形式存在于仿真系统中的部分；

实时监控系统对仿真系统中的参数进行实时监控并上传给数据存储网盘终端，i/o板卡用于下位机与实物结构之间的实时数据快速交换。

优选的，所述开关管为绝缘栅双极型晶体管igbt、金属氧化物半导体场效应晶体管mos、或碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管sic-mos。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明提出的一种双向dc/dc变换器半实物仿真系统比普通软件仿真更接近实际情况，可信度更高。

所开发的双向dc/dc变换器实物带有开关管吸收电路以及各种保护电路，硬件稳定性好。

使用tcp/ip协议和i/o板卡进行数据传递和通信，实现上位机与下位机和下位机与双向dc/dc变换器实物之间的互联，数据传输速度快，实时性强。

系统控制模型开发简单，易学易用，并且软硬件兼容性强，出错率较低。

资金和人才的投入更少，实现在线调整参数，缩短了研发周期。

附图说明

图1为双向dc/dc变换器半实物仿真系统结构图；

图2为双向dc/dc变换器主电路结构图；

图3为双向dc/dc变换器半实物仿真系统详细操作步骤。

附图标记说明

l：第一储能电感，r11：第十一电阻，r12：第十二电阻，r13：第十三电阻，r14：第十四电阻，r15：第十五电阻，r16：第十六电阻，r17：第十七电阻，r18：第十八电阻，d1：第一反并联二极管，d2：第二反并联二极管，d3：第三反并联二极管，d4：第四反并联二极管，d5：第五反并联二极管，d16：第六反并联二极管，d7：第七反并联二极管，d8：第八反并联二极管，d11：第十一二极管，d12：第十二二极管，d13：第十三二极管，d14：第十四二极管，d15：第十五二极管，d16：第十六二极管，d17：第十七二极管，d18：第十八极管，d1：第一反并联二极管，s1：第一开关管，s2：第二开关管s3：第三开关管，s4：第四开关管，s5：第五开关管，s6：第六开关管，s7：第七开关管，s8：第八开关管，c1：第一电容，c2：第二电容，c3：第三电容，c4：第四电容，c5：第五电容，c6：第六电容，c7：第七电容，c8：第八电容，c11：第十一电容，c12：第十二电容，c13：第十三电容，c14：第十四电容，c15：第十五电容，c16：第十六电容，c17：第十七电容，c18：第十八电容，c20：第二十滤波电容，t：中间高频隔离变压器，a1：中间高频隔离变压器一次侧第一输入端，a2：中间高频隔离变压器一次侧第二输入端，b1：中间高频隔离变压器二次侧第一输入端，b2：中间高频隔离变压器二次侧第二输入端，v0：副边直流电压源，ss1：第一缓冲结构体，ps1：第一功率管结构体，bs1：第一桥式结构体。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，一种双向dc/dc变换器半实物仿真系统，包括上位机、下位机和双向dc/dc变换器主电路实物结构。上位机通过tcp/ip协议通讯连接下位机，下位机通过i/o板卡连接到双向dc/dc变换器。

上位机安装有matlab/simulink和rt-lab软件，能够实现建立所需要的数学控制模型、在线调整设定参数和实时监控检测量信号以及数据存储等功能。

上位机建立的数学控制模型包括开环控制、闭环控制、海环控制、脉冲宽度调制控制、pid控制、双极型控制、移相控制、小信号分析控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、单周控制、矢量控制、滑膜控制等多种控制模型，能够有效实现能量的双向传递。

实时监控检测量信号包括双向dc/dc原副边的电压、电流，温度、功率和转化效率等参数，监控界面有曲线、图标、数据等多种监控显示方式。

下位机是opal-rt公司专门为半实物仿真应用而设计的基于pc的实时仿真器，配置多块数字量和模拟量输入输出板卡(i/o板卡)，为采样信号和控制信号提供输入输出通道。

如图2所示，双向dc/dc变换器主电路实物结构包括原边逆变、中间高频隔离变压器、副边整流电路。

其中，电阻与快恢复二极管并联、并且与电容串联构成缓冲结构体：开关管与电容并联、并与反并联二极管并联构成功率结构体。具体如：

第十一电阻r11、第十一电容c11以及第十一二极管d11构成第一缓冲结构体(snubberstructure)ss1，第一开关管s1、第一反并联二极管d1、第一电容c1构成第一功率管结构体(powerstructure)ps1。第一缓冲结构体ss1和第一功率管结构体ps1并联构成第一桥式结构体(bridgestructure)bs1，其中，第十一二极管d11与第一反并联二极管d1的方向相反。依据同样的连接结构，可以得到第二桥式结构体bs2、第三桥式结构体b3、第四桥式结构体bs4、第五桥式结构体bs5、第六桥式结构体bs6、第七桥式结构体bs7和第八桥式结构体bs8。

原边逆变结构包括第一桥式结构体bs1、第二桥式结构体bs2、第三桥式结构体bs3、第四桥式结构体bs4以及第一储能电感l1。第一桥式结构体bs1与第二桥式结构体bs2串联，连接点接中间高频隔离变压器一次侧第一输入端a1。第三桥式结构体bs3与第四桥式结构体bs4串联，连接点接中间高频隔离变压器一次侧第二输入端a2。第一储能电感l1端与原边直流电压源正极相连，另一端与第一桥式结构体bs1、第三桥式结构体bs3相连。原边直流电压源负极与第二桥式结构体bs2、第四桥式结构体bs4相连。

副边整流结构包括第五桥式结构体bs5、第六桥式结构体bs6、第七桥式结构体bs7、第八桥式结构体bs8以及第二十滤波电容c20。第五桥式结构体bs5与第六桥式结构体bs6串联，连接点接中间高频隔离变压器二次侧第一输入端b1。第七桥式结构体bs7与第八桥式结构体bs8串联，连接点接中间高频隔离变压器二次侧第二输入端b2；第二十滤波电容c20一端与副边直流电压源正极相连，另一端与副边直流电压源负极相连；副边直流电压源正极与第五桥式结构体bs5。第七桥式结构体bs7相连；副边直流电压源负极与第六桥式结构体bs6、第八桥式结构体(bs8)相连。

第一开关管s1、第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6、第七开关管s7、第八开关管s8都是绝缘栅双极型晶体管igbt、金属氧化物半导体场效应晶体管mos、或碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管sic-mos。

双向dc/dc变换器电路实物结构还包括开关管驱动电路、保护电路、采样电路和信号调理电路以及软启动电路。保护电路包括过电压、过电流、欠电压、欠电流、防短路、防反接、防过载等保护和emi电路。采样电路包括电压传感器、电流传感器和温度传感器。信号调理电路旨在将采样得到的信号进行调理并输入或输出到i/o板卡。

如图3所示，本发明提出的一种双向dc/dc变换器半实物仿真系统详细操作步骤如下：

(一)数字仿真：在simulink环境下建立数学模型，通过在

simulink下的数学仿真，初步验证模型及算法；

(二)半实物模型准备：对数字仿真模型进行修改，加入硬件i/o模块，建立半实物仿真模型；

(三)目标代码自动生成：在完成半实物仿真模型的参数设置后，即可调用自动代码生成工具，将simulink模型转换为c代码，并最终编译为下位机系统可执行的程序；

(四)仿真配置管理：在rt-lab主控软件中，根据软件向导，建立仿真工程，设置仿真下位机属性，配置监视及保存变量，准备实时仿真；

(五)实时仿真：在rt-lab软件中，点击启动按钮，仿真开始；半实物模型编译生成的可执行程序将通过tcp/ip协议通讯自动下载到下位机，并启动实时运行，与实物设备通过i/o硬件进行交互，采用多核分布式并行计算实现dc/dc变换器在环半实物实时仿真：上位机的rt-lab软件通过以太网监视下位机状态，并支持在线修改参数、启停控制、实时数据存储等功能。

(六)仿直数据后处理：仿真结束后，rt-lab进行实时存储数据上传、格式转换(支持txt、xls、mat等格式)、数据回放等，能够与matlab、excel等工具无缝集成，并能够进行简单的数据处理。

rt-lab将总体系统划分为数学控制系统、实物系统和实时监控系统，数学控制系统旨在实现控制模型的实时计算，包括控制信号和i/o板卡操作，其表现形式为simulink中的仿真模型，实物系统包括以实物形式存在于仿真系统中的部分，即为双向dc/dc变换器实物结构。实时监控系统旨在对仿真系统中的参数进行实时监控并上传给数据存储网盘终端。

综上述所述：双向dc/dc变换器半实物仿真系统包括上位机、下位机和双向dc/dc变换器主电路实物结构。上位机安装有matlab/simulink和rt-lab软件，能够实现建立所需要的数学控制模型、在线调整设定参数和实时监控检测量信号以及数据存储等功能：所述下位机是基于pc的实时仿真器，配置i/o板卡，为采样信号和控制信号提供输入输出通道：所述双向dc/dc变换器主电路实物结构包括原边逆变/整流、中间高频隔离变压器、副边整流逆变电路。本发明所提出的双向dc/dc变换器半实物仿真系统，无论从哪一侧输入都可以很好地实现软开关，具有高可靠性以及较低的电磁干扰，工作稳定可靠，体积小，能够实现对系统性能的实时测试，降低控制模型的开发时间和开发成本。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。