一种基于FPGA的高性能实时仿真方法技术

本发明专利技术是用于电力传动实时仿真系统的一种快速成型的仿真方法。一种完全基于FPGA硬件的仿真器系统，包括：1）电力电子器件模型的FPGA实现，使用曲线拟合、分段线性化对开关特性模拟；2）电动机的FPGA实现，分析电动机的等效电路，利用离散化方法对电动机进行精确模拟；3）电力传动系统其余硬件部分的FPGA实现，将其简化成一阶的线性模型；4）接口部分设计，利用PC代码来完成开发。本发明专利技术采用一种自顶向下的设计方法，将一个完整的电力传动实时仿真系统经过初级仿真、混合仿真和FPGA在回路仿真形成快速成型的仿真方法，简化了装置建模的复杂性，促进了用户接口模块与用户的信息交换，提高了系统的运行效率。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术是用于电力传动实时仿真系统的一种快速成型的仿真方法。一种完全基于FPGA硬件的仿真器系统，包括：1）电力电子器件模型的FPGA实现，使用曲线拟合、分段线性化对开关特性模拟；2）电动机的FPGA实现，分析电动机的等效电路，利用离散化方法对电动机进行精确模拟；3）电力传动系统其余硬件部分的FPGA实现，将其简化成一阶的线性模型；4）接口部分设计，利用PC代码来完成开发。本专利技术采用一种自顶向下的设计方法，将一个完整的电力传动实时仿真系统经过初级仿真、混合仿真和FPGA在回路仿真形成快速成型的仿真方法，简化了装置建模的复杂性，促进了用户接口模块与用户的信息交换，提高了系统的运行效率。【专利说明】—种基于FPGA的高性能实时仿真方法
本专利技术涉及一种基于FPGA快速成型的仿真方法，具体的说，涉及一种对电力电子与电力传动系统中基于FPGA快速成型的实时仿真方法。
技术介绍
随着计算机技术的发展,基于纯软件环境的仿真系统，如Matlab / Simulink,Saber, PSPICE等也逐渐发展起来。这类系统运行在基于个人计算机(PC)的软件平台上，采用相应的数学模型代替实际系统进行仿真验证。基于纯软件环境的仿真系统具有操作简单、复杂度不高等优点，但由于软件采用串行执行机制，导致仿真速度较慢.且算法复杂度的增加对PC硬件要求较高。此类仿真系统最大的不足是缺乏与实际系统接口的能力。 针对纯软件环境的仿真系统的不足，目前，基于硬件在回路方法的仿真已经广泛应用于控制器的设计与评估之中，并因其可以较好地模拟实际系统，在控制器的故障与缺陷捕获之中发挥了巨大的作用。它的基本思想是将整个电力传动系统或者其子系统集成到仿真环境之中，并通过特定的接口与实际系统相联接。为了满足实时仿真的速度要求，对于较为复杂的电力传动系统，一般使用多机并行处理，或分布式运算的思想。该类仿真一般使用PC簇(PC-cluster)，其售价较高，扩展性不够灵活，且其性能的提高日益受限于各并行处理机之间通信总线的速率与带宽限制。 由于上述缺点，使得电力传动实时仿真系统在上述各种方式中都存在性能、设计上的局限，也限制了电力传动实时仿真系统的发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于不降低系统性能的情况下，利用场可编程门阵列(fi e I dprogrammable gate array, FPGA)技术,对电力传动系统实现了高性能的实时仿真方法。针对电力电子器件开关特性复杂、非线性度高的问题，使用曲线拟合、分段线性化等手段模拟其开关特性；针对传统基于状态空间模型的电机仿真运算复杂、处理速度慢的问题，研究其动态等效电路模型，并利用FPGA并行处理；该方法还包含电力传动系统中其它组件的模拟及人机接口的设计。 为实现上述目的，一种基于FPGA的高性能实时仿真方法，包括: I)电力电子器件模型的FPGA实现，使用曲线拟合、分段线性化对开关特性模拟； 2)电动机的FPGA实现，分析电动机的等效电路，利用离散化方法对电动机进行精确模拟； 3)电力传动系统其余硬件部分的FPGA实现，将其简化成一阶的线性模型； 4)接口部分设计，利用PC代码来完成开发。 本专利技术进一步实现方案叙述如下: 1.电力传动系统中各硬件部分的模拟 常用的IGBT、IGCT等电力电子器件在仿真时常用的建模方法有系统级和器件级两种。系统级建模中又分理想模型、开关函数模型和平均模型三种，它们精度不高，只能在系统建模的层面上对电力电子器件做出描述。器件级建模充分考虑了电力电子器件的各种特性，模型精确，但在传统仿真软件中使用时仿真效率较低，仿真速度缓慢。本仿真方法使用FPGA采用硬件并行实现的方法，对电力电子器件的特性进行实时模拟，主要的研究内容包括:电力电子器件开关特性的测试、开关损耗、器件的热模型等，并最终使用FPGA实现。 电力传动系统的核心电动机是一个非线性、多变量、强耦合的复杂系统。传统的仿真环境中使用状态空间模型进行计算，数据处理量大，并涉及到多维矩阵的乘法等大型运算，使得其仿真处理非常复杂。本仿真方法首先研究电机的等效电路模型，并将其分解为多个等效电路以使用FPGA并行实现，从而提高仿真速度和效率。 电力电子器件与电动机是实时仿真系统实现中的主要难点。对于电力传统系统的其他组件，如电源、电阻、电感、电容以及电动机的负载等，虽然也存在一定的非线性因素，但对系统整体影响较小，故本方法在此只考虑其主要特性，从而将它们简化为一阶的线性模型以方便处理。另外在实际系统中，存在编码器、电压、电流传感器等测量元件，需要研究它们的特性，如编码器的分辨率、有效位数等，并使用FPGA进行模拟。 2.数学运算的处理 在对电力传动系统中的建模中，通常得到的是时域或者频域的连续模型。为了将其实现到以一定时钟频率工作的FPGA器件中，需要对电力传动系统中的模型离散化；则本部分包括:离散化方法、仿真步长的选取、积分与微分方程的数值方法选取等。 其次，现阶段的绝大部分FPGA都不含有浮点处理单元(FPU, floating pointunit)，而在仿真过程中，大部分数据又都是浮点的。为此，需要在保证精度和处理速度的前提下研究FPGA开发中浮点数据的方法。 3.接口部分设计 基于FPGA的实时仿真系统虽然最终将仿真系统下载到FPGA中，并变为具体的硬件电路实现，但是得益于FPGA高度灵活的可配置性，在设计完成之后可以对现有硬件芯片中的系统进行重新配置，以完成参数重新分配、系统升级等任务；同时，一个友好的人机接口可以极大地方便调试过程中对所需信息的观察，从而简化调试步骤、提高调试效率。 4.仿真过程的建模方式 使用系统级建模方法实现电力电子装置的特性模拟采用自顶向下的设计流程，分为3个步骤:初级仿真、混合仿真及FPGA在回路仿真。 I)初级仿真 初级仿真采用Matlab/Simulink工具箱中的基本模块对控制单元和电力电子装置进行模拟，并对其控制算法和主电路的拓扑进行验证，其得出的结果将成为混合仿真的参考标准。 2)混合仿真 在混合仿真中，利用上述方法将电力电子装置抽象成对应的数学模型，利用Matlab中的System Generator中的模块对其数学模型进行离散化，利用Simulink环境对混合系统进行仿真验证，以确保所得出的离散化模型的正确性。若出现的结果与初级仿真不相符，需要对离散化模型进行调整和修改。 3 ) FPGA在回路仿真 FPGA在回路仿真中采用控制器代替Simulink环境中的控制单元，混合仿真中采用System Generator搭建的模型可通过自动化综合工具直接转换成HDL代码,并生成相应的比特流。将硬件比特流下载到FPGA芯片内部，并通过通信解楼模块与控制单元进行数据交换，从而构成一个FPGA在回路实时仿真系统。 【专利附图】【附图说明】 图1是实时仿真方法的整体系统 图2是电力传动实时仿真系统结构 图3是系统及设计流程图 图4是FPGA在回路仿真系统结构 图5是逆变器带阻感负载电路结构 图6是阻感负载电路模型 【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术作进一步的描述: 根据图1可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的高性能实时仿真方法，包括：1）电力电子器件模型的FPGA实现，使用曲线拟合、分段线性化对开关特性模拟；2）电动机的FPGA实现，分析电动机的等效电路，利用离散化方法对电动机进行精确模拟；3）电力传动系统其余硬件部分的FPGA实现，将其简化成一阶的线性模型；4）接口部分设计，利用PC代码来完成开发。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴鹏，伍小杰，袁庆庆，朱洪顺，于月森，张婷婷，张金科，吴强，赵明龙，王钊，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32