電子技術(shù)課程中處理器在環(huán)仿真的應(yīng)用范文

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摘要:為了快速驗證電力電子控制系統(tǒng)中的控制算法，提高控制算法的效率，處理器在環(huán)測試（PIL）將生成的代碼運行到目標(biāo)處理器上，以驗證代碼和模型是否一致，并獲得算法在實際控制器上的最長運行時間。本文以電力電子能量轉(zhuǎn)換器三相半橋DC/AC為例，在Simulink環(huán)境下構(gòu)建了離散仿真模型，讓學(xué)生很快學(xué)會三相半橋DC/AC的工作原理、主回路設(shè)計以及控制系統(tǒng)設(shè)計，然后通過學(xué)會處理器在環(huán)仿真去驗證測試軟件和模型的一致性。通過相同的方法，學(xué)生很快能完成電力電子技術(shù)課程中的其他能量轉(zhuǎn)換電路控制系統(tǒng)的設(shè)計，并在實驗之前驗證、分析結(jié)果，以防因控制算法設(shè)計不當(dāng)在實驗過程中出現(xiàn)損壞實驗器件的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞:電力電子技術(shù)；處理器在環(huán)仿真；課程教學(xué)

引言

用戶通過Matlab軟件，采用基于模型設(shè)計的方法進(jìn)行建模仿真，來學(xué)習(xí)電力電子轉(zhuǎn)換器的工作原理，進(jìn)行對主回路以及控制系統(tǒng)的設(shè)計[1]。利用Matlab中Simulink工具進(jìn)行模型設(shè)計，然后將設(shè)計好的控制模型模塊運用目標(biāo)代碼直接生成功能，轉(zhuǎn)換為數(shù)字程序，再聯(lián)合CCS進(jìn)行聯(lián)合仿真對控制模型進(jìn)行驗證，最后將聯(lián)合仿真驗證正確的控制算法程序下載到平臺的DSP芯片中，再次驗證所設(shè)計的電路及控制算法的正確性[2-3]。將Matlab軟件與CCS軟件成功安裝之后，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建目標(biāo)代碼直接生成模型之前，需要下載C2000系列的硬件支持包；對模型進(jìn)行編譯生成工程文件和燒錄文件之前，需要將Matlab軟件與CCS軟件進(jìn)行鏈接，使Matlab在編譯過程中能順利調(diào)用CCS軟件，以便于生成工程文件和燒錄文件[4]。

1離散仿真模型的搭建

在Matlab/Simulink中搭建三相半橋DC/AC的仿真模型[5-6]，其中仿真模型中主電路模型如圖1所示。PIL仿真模型如圖2所示，其中Controller模塊是電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)控制器；RateTransition為采樣頻率轉(zhuǎn)換器，由于DSP芯片控制頻率與Matlab仿真步長頻率不一致，在做PIL仿真時需要對仿真頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，RateTransition1為輸入側(cè)，設(shè)置的數(shù)值由做PIL仿真時DSP芯片所需控制頻率決定，若DSP控制頻率為10K，則該模塊的設(shè)置值為1e-4，該值的設(shè)置決定了在PIL仿真時單位時間內(nèi)DSP執(zhí)行生成代碼的頻率；RateTransition2為輸出側(cè)，設(shè)置的數(shù)值由模型的仿真步長決定，其設(shè)置值應(yīng)與仿真步長相同；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊Single和Double是Matlab/Simulink和DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的紐帶，在Simulink環(huán)境下，存儲數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)一般都為Double類型，而Matlab與DSP芯片進(jìn)行通訊時，傳輸數(shù)據(jù)的位寬要求不高于32位，因此從Matlab輸入的數(shù)據(jù)必須由Double類型轉(zhuǎn)換成Single類型，從模塊輸出到Matlab的數(shù)據(jù)由Single類型轉(zhuǎn)換到Double類型，兩者在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換才能保證PIL仿真的正常運行[7-12]。打開圖2中的Controller模塊，其搭建的控制策略的模型如圖3所示。為了實現(xiàn)了逆變器的控制，需要研究合適的控制算法，圖3中電流內(nèi)環(huán)模型的搭建如圖4所示。通過Park變換將所測的逆變器側(cè)電流由三相靜止坐標(biāo)下的交流量變?yōu)橥叫D(zhuǎn)坐標(biāo)下的直流量，再通過PI控制器構(gòu)成的負(fù)反饋系統(tǒng)實現(xiàn)對Id和Iq的控制。將Id_ref的大小設(shè)置為0.7A，進(jìn)行仿真，得到Iabc的波形如下所示，電流幅值最終穩(wěn)定在0.7A左右。如圖5所示。其仿真結(jié)果實現(xiàn)了對三相半橋DC/AC仿真搭建的驗證。

2處理器在環(huán)（PIL）仿真

所謂處理器在環(huán)(PIL)仿真，就是基于模型的設(shè)計而自動生成的C代碼，可以將其直接下載至控制板中運行。為了進(jìn)一步驗證基于模型的設(shè)計而自動生成的代碼的可行性，可以通過Matlab和DSP控制器間的聯(lián)合仿真進(jìn)行處理器在環(huán)測試，在該測試中，除了控制器是實物，其它均為虛擬硬件[13-16]，這是對系統(tǒng)的一種半實物仿真。利用上節(jié)所搭建的三相半橋DC/AC的仿真模型來做處理器在環(huán)仿真，以驗證所設(shè)計的控制策略的正確性，以及處理器在環(huán)仿真的可行性。其處理器在環(huán)仿真步驟如下：（1）將USB轉(zhuǎn)TTL通訊模塊與DSP板進(jìn)行連接，并在電腦設(shè)備管理器上查看通訊口為COM幾，并在屬性中設(shè)置波特率；（2）在Matlab命令欄中輸入命令，串口號根據(jù)設(shè)備管理器中的查看得到的串口一致；（3）配置Configuration中的Solver，其中Fixed-stepsize的設(shè)置根據(jù)仿真步長決定；（4）配置Hardwareimplementation，其中CCSconfiguration根據(jù)自己的配置文件所在路徑進(jìn)行設(shè)置，不要使用默認(rèn)選項，否則程序有可能出現(xiàn)下載不成功的現(xiàn)象。將Groups中的Externalmode界面中參數(shù)進(jìn)行配置，注意COM串口要與步驟(1)中查看的COM口一致；（5）配置Verification參數(shù)，將Advancedpa-rameters的Createblock選擇為PIL；（6）將想要生成代碼的控制算法封裝成一個子系統(tǒng)，如圖6所示，搭建的仿真模型中的Controller。（7）右鍵子系統(tǒng)模塊，點擊C/C++Code中的DeploythisSubsystemtoHardware，再點擊跳出窗口里的Build，會在新的窗口里生成PIL模型；（8）將生成的PIL模塊移植至原來搭建的離散模型中，替換被生成代碼的子系統(tǒng)；（9）將電腦和DSP芯片的下載線和通訊模塊連接好，將DSP板通電，點擊仿真按鈕即可進(jìn)行PIL仿真，在PIL仿真中換流器的輸出電流的波形如圖7所示。由圖7可知，換流器輸出電流的幅值也控制為0.7A，其整體波形也與之前Simulink仿真波形一致，證明了DSP中的算法能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制，生成的代碼沒有錯誤。

3結(jié)論

控制算法的實現(xiàn)需要編寫相關(guān)代碼，然后下載至相關(guān)控制器中實現(xiàn)相應(yīng)功能。手編控制代碼不僅費時和容易出錯，而且不便于校驗和維護(hù)。Matlab為嵌入式處理器應(yīng)用程序的開發(fā)提供了強(qiáng)大的功能，利用MathWorks公司和TI公司聯(lián)合開發(fā)的MATLABLinkforCCSDevelopmentTools工具箱，可以實現(xiàn)對DSP芯片的可視化編程，像操作Matlab變量一樣來操作DSP器件的存儲器和寄存器，使得用戶在Matlab環(huán)境下完成對DSP的操作，能夠極大提高DSP應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程。本文以電力電子能量轉(zhuǎn)換器三相半橋DC/AC為例，在Simulink環(huán)境下構(gòu)建了離散仿真模型，利用處理器在環(huán)仿真將生成的代碼運行到目標(biāo)處理器上，以驗證代碼和模型是否一致，仿真結(jié)果正確良好，驗證了所搭建的三相半橋DC/AC模型與所生成的代碼一致性。因此可以通過相同的方法，學(xué)生很快能完成電力電子技術(shù)課程中的其他能量轉(zhuǎn)換電路控制系統(tǒng)的設(shè)計，并在實驗之前驗證、分析結(jié)果，以防因控制算法設(shè)計不當(dāng)在實驗過程中出現(xiàn)損壞實驗器件的現(xiàn)象。

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作者：易映萍 侯文 蔣玲 謝明 單位：上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院