基于fpga的dc/dc实时仿真器及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及DC/DC仿真器，具体地指一种基于FPGA的DC/DC实时仿真器及方法。
【背景技术】
[0002] 在燃料电池和光伏发电等新能源系统中，DC/DC转换器有着广泛的应用，是典型的 弱电控制强电的设备，其主要功能是将输入端不稳定的电压或者电流，转换成可以设定的 输出端稳定的电压或者电流。然而由于开关管，电容等元器件的损坏会造成一系列经济损 失甚至会为研宄人员带来安全问题。因此建立DC/DC仿真器具有很大的实际应用价值。
[0003] DC/DC仿真器的建立方法有很多种，但是大多都是基于CPU的仿真系统，例如VC、 MATLAB、LABVIEW等。然而基于CPU的仿真系统，由于硬件架构等限制，无法实现小步长的实 时仿真，但电力电子系统具有快速开关的元件需要微妙级的仿真步长，因此普通的基于CPU 的仿真系统不能做到对DC/DC转换器的实时仿真。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种基于FPGA的DC/DC实时仿 真器及方法，本发明利用FPGA芯片的高速性和程序并行执行的特点，在其内部通过编程模 拟DC/DC电路拓扑结构，从而实现对DC/DC转换器的实时仿真
[0005] 实现本发明目的采用的技术方案是一种基于FPGA的DC/DC实时仿真器，该仿真器 包括：
[0006] A/D转换器，用于将实际DC/DC控制器产生的PWM波模拟信号转换为数字信号；
[0007] FPGA，用于将所述A/D转换器转换得到的数字信号计算得到的电压电流值经四阶 龙格库塔算法得到下一时刻电压电流数字信号；以及
[0008] D/A转换器，用于将所述将电压电流数字信号转换为模拟信号传递给实际的控制 器。
[0009] 在上述技术方案中，所述FPGA包括读写控制单元、DC/DC仿真并行运算单元和1/ 〇接口；
[0010] RAM，用于存储计算过程中实时更新的变量；
[0011] ROM，用于存储计算过程中的矩阵定量；
[0012] MAC乘加器，分别与ROM和RAM连接；以及
[0013] 计算结果处理模块，与所述MAC乘加器的输出连接，所述计算结果处理模块的输 出端与所述I/O接口连接。
[0014] 在上述技术方案中，所述读写控制单元包括：
[0015] 时序控制模块；
[0016] 读内存控制模块，用于接受来自所述时序控制模块的命令调用RAM和ROM对应地 址的数据，并将该数据送入MAC乘加器参与运算；以及
[0017] 写内存控制模块，用于将计算结果处理的中间变量存入RAM。
[0018] 进一步地，所述基于FPGA的DC/DC实时仿真器还包括：
[0019] 上位机，通过串口与所述I/O接口连接，用于对整个DC/DC实时仿真器进行监控。
[0020] 此外，本发明还提供一种通过上述基于FPGA的DC/DC实时仿真器进行仿真的方 法，该方法包括：
[0021] 将确定好的仿真步长h和DC/DC变换器电源电动势E、电感L、电容C、负载R的值 存放在DC/DC仿真并行运算单元的ROM当中；
[0022] A/D转换器将实际DC/DC控制器产生的PWM波模拟信号转换为数字信号送给写内 存控制模块，写内存控制模块将PWM数字信号送给DC/DC仿真并行运算单元，DC/DC仿真并 行运算单元根据PWM数字信号模拟开关管的开关状态，开关管导通和关断时的状态空间方 程如下：
[0023] 开关管导通：
【主权项】
1. 一种基于FPGA的DC/DC实时仿真器，其特征在于，包括： A/D转换器，用于将实际DC/DC控制器产生的PWM波模拟信号转换为数字信号； FPGA，用于将所述A/D转换器转换得到的数字信号计算得到的电压电流值经四阶龙格 库塔算法得到下一时刻电压电流数字信号；以及 D/A转换器，用于将所述将电压电流数字信号转换为模拟信号传递给实际的控制器。
2. 根据权利要求1所述基于FPGA的DC/DC实时仿真器，其特征在于：所述FPGA包括 读写控制单元、DC/DC仿真并行运算单元和I/O接口；所述DC/DC仿真并行运算单元包括： RAM，用于存储计算过程中实时更新的变量； ROM，用于存储计算过程中的矩阵定量； MAC乘加器，分别与ROM和RAM连接；以及 计算结果处理模块，与所述MC乘加器的输出连接，所述计算结果处理模块的输出端 与所述I/O接口连接。
3. 根据权利要求1所述基于FPGA的DC/DC实时仿真器，其特征在于所述读写控制单元 包括： 时序控制模块； 读内存控制模块，用于接受来自所述时序控制模块的命令调用RAM和ROM对应地址的 数据，并将该数据送入MAC乘加器参与运算；以及 写内存控制模块，用于将计算结果处理的中间变量存入RAM。
4. 根据权利要求2所述基于FPGA的DC/DC实时仿真器，其特征在于，还包括： 上位机，通过串口与所述I/O接口连接，用于对整个DC/DC实时仿真器进行监控。
5. -种通过权利要求1所述基于FPGA的DC/DC实时仿真器进行仿真的方法，其特征在 于，包括： 将确定好的仿真步长h和DC/DC变换器电源电动势E、电感L、电容C、负载R的值存放 在DC/DC仿真并行运算单元的ROM当中； A/D转换器将实际DC/DC控制器产生的PWM波模拟信号转换为数字信号送给写内存控 制模块，写内存控制模块将PWM数字信号送给DC/DC仿真并行运算单元，DC/DC仿真并行运 算单元根据PWM数字信号模拟开关管的开关状态，开关管导通和关断时的状态空间方程如 下： 开关管导通：
读取ROM中存放的参数以及RAM中中间变量的实时值，根据四阶龙格库塔算法计算斜 率近似值kl，k2, k3, k4 : Kl = f (t, xn)
其中，h为四阶龙格库塔算法的仿真步长：
将计算得到kl，k2, k3, k4写入RAM中，然后通过时序控制模块调用读内存控制模块读 取RAM中的kl，k2, k3, k4
和ROM中的h计算出这一时刻的电压U，电流I的实时值： 计算结果处理模块对这一时刻的电压电流值进行位数截取并延时使整个计算过程刚 好对应仿真步长的时间，最后将这一时刻的电压电流值即本专利仿真计算结果输出到D/A 转换器转换成模拟信号输出。
【专利摘要】本发明涉及一种基于FPGA的DC/DC实时仿真器，其包括：用于将实际DC/DC控制器产生的PWM波模拟信号转换为数字信号的A/D转换器；于将所述A/D转换器转换得到的数字信号计算得到的电压电流值经四阶龙格库塔算法得到下一时刻电压电流数字信号的FPGA；以及用于将所述将电压电流数字信号转换为模拟信号传递给实际的控制器D/A转换器。本发明基于FPGA的DC/DC实时仿真器采用模块化的结构，集成度高，体积小，采用了IP核使得设计更加安全；本发明基于FPGA的DC/DC实时仿真器具有高速的特点并采用并行运算的结构能够对DC/DC变换器进行实时的仿真。
【IPC分类】G06F9-455
【公开号】CN104536807
【申请号】CN201410844327
【发明人】张立炎, 黄子毅, 全书海, 陈启宏, 龙容, 谢长君, 黄亮, 石英
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月30日