功率硬件在环实时仿真系统

　　一、实时仿真在科研上的意义

 

　　半实物仿真技术是提高系统设计的可靠性和研制质量的必要手段，是一种全新的基于模型的工程设计应用平台,可以灵活地应用于任何工程系统仿真和控制场合，将复杂的模型划分成多个可并行执行的子系统并分配到多个CPU或FPGA上,从而构成一个可伸缩的分布式实时仿真系统。它能与Matlab/Simulink实现无缝连接,解决了费时费力的代码开发与调试等问题,大大降低了成本,提高了系统的研制质量,因而在越来越多的领域中得到应用。根据不同的应用领域与仿真测试对象的区别，我们基于市面上常见的实时仿真机推出硬件在环仿真系统。

 

 

　　二、快速原型控制(RCP)——控制算法快速验证

 

　　在控制器的研发和生产中，传统基于 DSP 芯片自制 PCB 控制板的开发方式存在周期长，自制硬件可靠性差等问题。快速控制原型(Rapid Control Prototyping)作为一种高效的研发工具，能够帮助科研人员更快地做好原型开发和算法验证，能更好地保证质量并缩短研发的周期，在节省成本的同时加速成果的产出。

 

 

 

 

　　RCP模式下可方便验证控制器算法，同时可以验证实际功率硬件的性能。

 

　　三、硬件在环仿真(HIL)——测试实际控制器

 

硬件在环仿真是随着计算机硬件技术、实时操作系统、电力系统建模等新技术发展起来的实验和研究方式，硬件在环仿真装置的基本原理是用运行着数学模型的实时系统来模拟实际系统的行为，通过实际的I/O接口与外界相连，不仅利用了软件建模的灵活性，也具有替代实物系统的能力。

 

HIL的一个主要用途就是通过IO信号或者通讯同控制板构成闭环，来对弱电的控制板（通常是DSP板）进行测试。这样一种测试方式常常也被称为硬件在环仿真测试（Hardware-In-the-Loop Testing）即 HIL 测试或半实物仿真测试，这里“硬件”主要是指控制部分已经不是纯软件仿真中的一些控制框图，而是一个真实的控制器或者快速原型控制器。如下图所示：

 

 

通过HIL能够在很接近真实工况的情况下对控制板整体（板上芯片运行的控制算法，板子的 IO 通道等）进行测试； HIL具有易于测试故障工况，易于实现测试自动化，易于重现各种工况等优点。

 

 

　　四、功率硬件在环仿真(PRCP)——数字仿真与实物的交互验证

 

实际的电力电子装置，如光伏逆变器，风机变流器等，不仅含有弱电的控制板还有电力电子开关（IGBT等）、电感、电容等电路元件；仿真器通常只有弱电的 IO 接口，无法同电力电子装置对接。所以快速原型控制（RCP）+实际功率硬件（P）的交互仿真模式的需求越来越突出。

 

电力电子领域的新产品开发都会经历控制策略设计、程序代码编写、控制器程序烧录和控制性能测试等流程，如果有一套可设计控制策略的图形化软件、并支持代码的自动生成和控制器程序自动加载、还有对应的功率硬件产品来实现设计控制策略的性能测试，必然会大大缩短开发周期，PRCP正是为实现这一目标而开发的一款产品。

 

 

作为功率级的快速控制原型开发平台，与MATLAB/Simulink无缝连接，代码可自动生成和加载，有自己的功率设备方便与客户设备完成联合测试，可应用于高校、科研院所等进行新的控制策略、控制技术的开发研制。

 

l 与MATLAB/Simulink无缝对接的可视化编程和监控；

 

l 对所搭建的模型可实现代码自动生成、自动加载到实时目标机中运行；

 

l 实时目标机计算步长可达20KHz，可用于评估各种复杂控制算法；

 

l 硬件模块化设计方便扩展；

 

l 可模拟AC/DC和DC/DC功率模块；

 

l 集成了各种测量模块、多用途I/O模块和多种总线；

 

l 提供系统级的产品解决方案，满足兼容性设计需求。

 

　　设计流程及系统组成

 

　　设计流程

 

 

Simulink模型

 

将Simulink模型与NI综合控制器硬件结合在一起，下载到控制器中执行，控制器运行过程中，此软件可以将Simulink模型中想要查看的各类控制量直观显示，也可以随时修改各类控制参数，让控制器实时响应，从而实现了真正的在线仿真。

 

 

在线仿真软件：

 

在线仿真运行界面。采用组态方式，科研者根据自己需求，可以随意添加示波器控件或者其他控件。此软件操作简便，目的就是为了让科研者将精力放到Simulink建模上面。

 

 

控制算法开放可修改

 

许多供应商能提供双馈系统的控制器，但一般都不开放控制算法本身。但是作为一个科研与教学平台，从未来平台的实用性和可拓展性考虑，需要它的控制算法是开放且易于修改的。

 

研旭公司不仅在建模和实时仿真方面有很深的技术积累，同时在实际电力电子系统控制方面也有着丰富的经验。作为国内掌握实时仿真核心技术的公司，研旭公司可以提供开放的控制算法给实验室，方便实验室老师和学生们进一步的研究和学习。

 

功率测试变换器

 

功率测试变换器：实际由功率开关器件（IGBT）、电抗器、变压器、电容器等组成。根据科研者的需求可以随意定制。主要完成整流、逆变等功能。

 

DSP控制器：主CPU采用当下流行的TI公司DSP（TMS320F28335），配合外围信号采集调理电路、IO驱动电路等组成。主要功能由如下所示：

 

    各类信号的采集调理，送给主控制器以及自身使用。送给主控制器目的是实现算法控制，自身采集主要用于对系统的实时保护。

 

    对IO信号的驱动管理，将主控制器输出信号管理后输出给功率变换电路，实现控制，同时检测系统运行情况，一旦发生错误，通过对IO管理，就可以封闭主控制器的控制信号，从而达到保护系统的作用。这可以保证科研者在建立模型时，即使发生错误控制，也可以保证设备不受损坏。这样可以保证科研者不用顾虑错误而导致设备损坏。

 

    配合监控软件，可以直观设备查看运行参数。

 

    本身就可以实现算法控制，用于对比仿真效果。

 

NI综合控制器：主要完成Simulink模型算法控制，其具备丰富的DIDO、PWM、QEP、ADC、DAC等外设，可以根据实际需求灵活裁剪或者添加，高至500Ksps的采样率，对于常规控制足以满足。

 

　　系统组成

 

　　五、功率硬件在环仿真(PRCP)案例——双馈风机实时仿真系统

 

　　整个系统的方案设计如下，系统硬件由两个部分组成：第一部分是带有FPGA板卡的PXI实时仿真器，进行双馈风机系统的实时仿真;第二部分是研旭公司的双馈变换器，作为双馈风机变流器的实物测试部分。具体如下图机柜所示：