基于VHS-ADC的三相整流器高速实时仿真平台电路设计

　　摘  要： 针对目前研究三相电压型SVPWM整流器的仿真不足，提出了基于VHS-ADC高速信号处理系统构建三相电压型SVPWM整流器的高速实时仿真平台，并设计了VHS-ADC平台与主电路的通用接口板。实验验证了接口板设计的正确性，为VHS-ADC硬件在三相整流器回路中实现高速实时仿真奠定了基础，达到了较好的效果。
  　　目前，对三相电压型SVPWM整流器的研究多集中在与传统PWM和SPWM进行比较。空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)动态响应速度快、稳态性能好、容易微处理器实现，但实现复杂、实时控制要求高、需高速微处理器[1-2],仿真方法也多采用MATLAB/SIMULINK的连续域仿真。在传统的纯数字离线仿真研究中，三相电压型SVPWM整流器模型都是在一定假设条件下的简化模型，同时没有考虑开关损耗、开关时间、死区等方面的影响，与实际对象存在差异；此外，纯数字离线仿真无法考虑到包括实际处理器的运算能力、存储器的限制、中断及I/O接口电路电气特性等诸多因素。因此,本文提出基于VHS-ADC高速数字信号处理平台来研究三相电压型SVPWM整流器的硬件在回路仿真方法，设计了平台的接口电路，研究了A/D端口和GPIO端口的衔接，并通过实验验证，达到了较好效果[1-5]。
  　　1 VHS-ADC系统
  　　加拿大Lyrtech公司的VHS-ADC是一种基于FPGA的高速数字信号处理系统，系统采用Xilinx公司的Virtex-II系列FPGA作为主要信号处理模块，为用户提供了基于MATLAB/SIMULINK、Xilinx/Altera FPGA的集成开发环境，无缝地实现自顶向下的开发流程。VHS-ADC内部拥有丰富的门资源与硬件乘法器,工作频率可达420 MHz，高速A/D通道采样率可达105 MS/s,高速D/A通道采样率可达125 MS/s，32位的GPIO和FPDP接口建立了与外界的高速数据通道,具有高度的并行运算能力，实时性强[6-8]。VHS-ADC系统结构如图1所示。 　　本文构建的三相电压型SVPWM整流器的高速实时仿真平台，以VHS-ADC、CPCI工控机作为控制系统主体，结合主电路拓扑结构，辅以硬件接口电路等设备构成了电路测试和试验平台。整个系统结构如图2所示。
  　　整个系统需要检测的信号有三相电压源信号ua、ub、uc和交流侧输入电流ia、ib、ic以及直流侧输出电压udc。这些信号经过信号调理电路之后传输到VHS-ADC平台的A/D接口接收范围内的模拟信号，然后VHS-ADC完成系统的控制部分，最后由平台输出的SVPWM控制脉冲经过驱动及保护电路控制主电路的IGBT。 整个系统结构简单明了，易于实现。
  　　2 平台接口电路设计
  　　(1)电压信号的采集
  　　交流电压信号采集采用SLMV2000E传感器，它是一种高精度、快速电压传感器，电流输出型，初级和次级高度隔离，采集电压范围为0~2 000 V，变比为400:1，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则电压波形，且价格比LEM霍尔电压传感器低。交流电压采集调理电路如图3所示。
  　　SLC800是一种非常先进的线性光电耦合器, 使用高匹配晶体管使伺服反馈回路和传递输出回路达到非常好的匹配。直流侧电压采集调理电路如图4所示。图中,信号检测电路输出的直流侧电压信号调理成 0~2.25 V 范围内的模拟电压信号，然后把这些模拟电压信号送给VHS-ADC的 A/D 转换接口。其直流侧电压为uin=udc，经过电阻分压和电压跟随器可得到线性光耦的输入电压为：
               
  
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