实时仿真平台（精选7篇）
实时仿真平台 篇1
0 引言
以电力电子器件为基础的柔性交流输电系统(FACTS)技术作为实现输电网参数和变量的柔性化控制的有效手段,近20年来得到广泛研究和应用[1]。实时仿真是电力系统进行试验研究、规划设计、调度运行和状态安全评估的重要工具。现有的电力系统实时仿真平台可分为机电暂态和电磁暂态过程仿真。机电暂态仿真的步长一般在毫秒级,典型步长为10 ms,电磁暂态仿真的步长一般在微秒级,典型步长为50μs[2]。但由于仿真步长及接口,众多仿真软件无法对含有FACTS控制器的复杂电力系统进行动态性能研究[3],文献[4]利用实时数字仿真系统RTDS(Real Time Digital Simulator)组建了风力发电开发测试平台,仿真步长50μs,可对多组控制器进行控制测试。但RTDS主要是面向整个电力系统的仿真,且价格昂贵。目前FACTS控制器和电力驱动的开发测试,通常先进行离线仿真以验证算法,然后通过数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)等嵌入式控制器实现复杂算法的实时控制[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。随着电力电子的发展和控制数字化的实现,课程重构也使现有的实验教学方法面临新的改革,构建快速开发实验平台是一种有效的方法[15]。
d SPACE平台作为国际上通用的快速控制原型RCP(Rapid Control Prototype)和硬件在回路仿真HILS(Hardware-In-the-Loop Simulation)标准开发测试平台,在航空航天、工业控制、汽车等领域得到广泛应用[16,17,18],目前只有少数院校在此平台上进行电力系统的相关研究[19]。本文研制的实时仿真综合平台,以d SPACE平台为核心,通过建立实时仿真模型和设计模块化体系结构,实现对中小功率电力电子和电力驱动控制系统的实时仿真和快速开发,仿真步长可设20μs,满足电力电子器件对速度的要求。
1 实时仿真综合平台结构框架
根据应用于电力系统的FACTS技术和面向电机控制的电力驱动要求,结合V型开发流程中HILS和RCP的技术规范,本文提出图1所示的实时仿真平台总体结构框图。整个综合仿真平台以d SPACE平台为核心,采用模块化结构设计,分为硬件结构和软件结构两大部分。
1.1 平台硬件结构
平台硬件主要由d SPACE硬件和主电路组成。平台控制器是d SPACE硬件的主要组成部分,其构成实时仿真平台硬件的控制核心;由功率器件构成的主电路是硬件电路的基础,实现能量传递和交换;另有电源电路、测量电路、驱动电路、保护电路和电网接入等辅助电路。根据不同的应用对象(电网或电机)和控制目的,通过选择器件类型和电路结构等方式,可以灵活改变主电路拓扑,从而快速实现有源电力滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)、配电网静止同步补偿器(DSTATCOM)、变频和励磁等多种功能。
本实验平台主要用于配电网电能质量控制器研发和电机的驱动控制。根据应用系统的技术指标,实际平台控制器选用d SPACE单板系统DS1104,其主CPU为MPC8240,可直接进行浮点运算,带有DSP TMS320F2407,可以直接输出三相PWM控制脉冲。另有ADC、DAC、UART、增量编码器和I/O等常用外设接口。
主电路功率器件为:MOSFET模块FB180SA10,用于汽车的电机控制测试;2.2 k W智能功率模块PS12036,用于学生实验验证;IGBT功率模块PM300DVA120用于低压静止无功发生器、有源电力滤波器等产品研制实时控制仿真实验。
在此基础上,用户可根据实际功能需要,按照平台的硬件结构对电路进行更换、扩展,或通过通信总线组成多处理器复杂系统,以满足不同的测试要求。
1.2 平台软件结构
平台软件结构由Matlab/Simulink软件、d SPACE软件和实时仿真模型库组成。Matlab/Simulink用于建立系统模型、设计控制算法和进行离线仿真,是平台软件结构的基础。实时仿真模型库是平台的核心技术之一,在Matlab/Simulink环境下建立,分为系统模型和控制算法两大部分。系统模型实现对电路结构的数学描述,在离线仿真时取代实际的物理模型;控制算法在分析系统模型基础上,通过选取的控制策略实现对应的控制性能。采用实时仿真系统子模型,可以进行离线仿真和算法验证。d SPACE软件体系主要实现实时代码生成、下载软件和测试软件,其中代码生成及下载软件集成于Matlab中,实现与Matlab的无缝连接。通过d SPACE实时接口(RTI),用硬件接口关系代替原先的逻辑连接关系,构成闭环测试系统,实现实时仿真功能。
基于图1结构实现的实时仿真综合平台,可以快速对电路结构模型进行闭环测试,以验证所建模型是否与实际物理原型相符;也可以对不同的算法进行测试,从而得到更适合系统实现的控制程序。
2 实时仿真综合平台主要技术
2.1 平台实时仿真模型库设计
要进行实时仿真,首先要建立起系统的数学模型。基于Matlab/Simulink环境开发的电力系统仿真模型Sim Power Systems等是面向离线仿真应用的,无法利用d SPACE平台测试软件对其内部描述变量进行动态分析,因此,要首先建立以面向实时仿真应用的系统模型。
考虑到实时仿真系统的变结构、非因果特性[19],对整个闭环控制系统采用分割处理的办法,采用输入-输出描述法建立各个具有因果关系的子系统。采用面向对象的设计方法,可以不断封装和派生出更多的子模型。各个子系统模型既可应用于离线仿真,也可应用于实时仿真。
2.2 功率开关器件的硬件电路设计
功率开关模块构成平台的硬件基础,受控制器输出的PWM信号驱动,又直接与高压大电流系统相连,若设计不当极易烧坏,因此开关器件电路设计是硬件设计的重点,主要技术措施有4项。
a.裕量设计:器件选型时留有一定的裕量。
b.缓冲吸收电路设计:实验结果表明,设计合理的缓冲电路,可以减少开关冲击,将du/dt从0.3减少到0.15以下。
c.驱动电路设计:采用高速光耦器件,以实现控制脉冲对开关管的精确控制。严格控制上升时间,以保证死区时间生效;PWM的光耦驱动信号与功率模块的连接距离2 cm以下,减少干扰,防止误触发。
d.保护电路设计:当检测到主电路有短路、过压、过热和欠压等异常情况发生时,实现多级保护。通过硬件保护、软件保护方式同时封锁PWM信号输出,通过跳闸保护实现主电路与电网分离。
2.3 平台数字化控制和实时仿真步长
数字化控制因控制灵活,输出性能稳定,在实时控制中得到广泛应用。本平台实现数字化控制,其中系统实测信号通过测量电路由A/D进行模拟到数字的转换;通过实时代码生成工具RTW(Real-Time Workshop)产生可在平台控制器上运行的标准C代码程序;RTI实现物理系统与离线仿真系统的信息数字化交换;通过数字脉宽调制(DPWM)输出功率开关管的控制脉冲,实现对系统的目标控制。随着电力系统和电力驱动对控制性能要求的不断提高,非线性控制、模糊控制、自适应控制等算法被应用到控制系统中。通过平台数字化控制技术,以图形化的方式完成参数调整、指令输入、结果显示存储等所有功能,为复杂算法的实现提供了有利的环境。
基于Matlab/Simulink的离线仿真数据交换在计算机的CPU与存储器之间进行,数据处理时间没有严格的边界。实时仿真平台要在仿真计算机、平台控制器与外部物理系统之间进行数据交换,其数据处理要受外部实物系统真实时间约束,有严格的时间边界。平台通过PWM控制技术,实现对功率变换模块的控制,其输出速度决定系统的响应速度,通常要求在一个PWM周期内完成控制算法以及平台控制器和仿真计算机之间的数据交换,以获得较好的响应速度,满足实时仿真需要。DS1104控制器的DPWM输出频率高达5 MHz,但实现上受功率模块的频率限制,目前中小功率器件的开关频率最高约为20 k Hz。采用DS1104控制器,通过实时内核和RTI可实现仿真周期为20μs的实时仿真,满足对速度的要求。
3 平台实时仿真设计实现
PWM整流器可实现网侧电流正弦化,且运行于单位功率因数及能量可双向传输,在静止无功发生器(STATCOM)、APF、统一潮流控制器(UPFC)等柔性交流输电系统广泛应用[20]。下面给出以PWM整流器为控制对象的系统设计过程及其控制实验结果。
3.1 PWM整流器模型
三相电压型PWM整流器的电路结构如图2所示。图中,ua、ub、uc为三相对称电源相电压;ia、ib、ic为网侧相电流;udc为直流侧电压;L和R为滤波电抗器的电感和电阻;idc为直流侧电流;iL为负载电流。
记Sk=Sk+-Sk-(k=a,b,c),其中Sk±=1表示开关管导通,Sk±=0表示开关管截止。不计开关损耗,并考虑电网及PWM电路为三相对称系统,对于交流侧,由基尔霍夫电压定律(KVL)可得:
对于直流侧,由基尔霍夫电流定律(KCL)可得:
其中,idc=(Saia+Sbib+Scic)/2。
根据功率不变原则,可以对应转换成αβ坐标系或dq坐标系下的数学模型,以方便系统的控制设计。
3.2 PWM整流器控制策略
采用PWM整流器作为电路结构的电力电子控制系统通常是通过控制PWM整流器的电流来实现其控制目标(如稳定电压、补偿无功和抑制谐波等),因此,对PWM整流器的电流控制成为系统软件设计的核心。通常,对PWM整流器电流控制方法可分为间接电流控制和直接电流控制,其中直接电流控制具有控制精度高、动态性能好等优点。直接电流控制方法有滞环控制、定时比较控制、三角波比较及无差拍控制等[21]。本实验采用基于坐标变换的三角波比较直接电流控制,其控制方案如图3所示。
PWM整流器的实测三相输出电流ia、ib、ic经过dq变换与控制电流生成无功和有功电流指令。其中有功电流的参考值指令id*与电路拓扑结构有关,采用自励启动方式时可由直流侧电压调节器输出给定,采用他励启动方式时可直接给定。指令由电流控制器进行算法运算,经过dq反变换得到控制开关管的PWM指令信号。通过坐标变换,使参考指令和反馈值在稳态时均为直流信号,因此可通过调节器进行无稳态误差的电流信号跟踪,从而消除系统的静态误差,提高系统对PWM整流器电流的控制精度。
3.3 实验结果
为验证平台的结构设计及其对PWM整流器的控制性能,搭建了50 k V·A PWM整流器及其控制电路。实验结构如图4所示。
三相交流电源经自耦变压器T1以及隔离变压器T2、T3接入系统。
实验主电路主要参数如下:IGBT功率模块为PM300DVA120;整流模块为DF100AA160;交流侧连接电抗为1 m H/100 A;直流侧电容为2个10000μF/450 V电容串联;系统线电压为380 V/50 Hz。
PWM参数为开关频率6 k Hz,死区时间5μs。为减少器件开关对输出的抖动,采用中断的CPU处理方式,以保证数据采集与PWM周期同步。用TDS2014型4通道示波器对波形进行实时记录。
图5给出了指令电流为40 A(有效值)时实验平台对PWM整流器输出电流实时控制的稳态结果。从图中可以清楚看出,电力电子实时仿真综合平台对PWM整流器的电流流向实现了精确控制,可实现容性无功或感性无功的产生;同样也可控制PWM整流器工作于整流或逆变状态,实现能量的双向流动,从而实现PWM整流器的四象限运行控制。
图6是用FLUKE434测试输出无功电流时的电流波形结果。图7是指令电流动态变化时系统瞬时响应的实验结果。
从图6可以看出,PWM整流器输出无功电流相序正确,频率通过相位控制和电网保持一致,电流谐波含量非常低,波形已经接近正弦。
图7表明,PWM整流器的输出电流响应仅为数毫秒,没有明显的振荡调整过程,反映出实验平台对PWM整流器的控制具有良好的性能。
4 结语
通过硬件和软件设计,采用模块化结构体系,研制了电力电子和电力驱动实时仿真数字化控制开发测试平台。通过对PWM整流器的仿真和实验测试,验证所建模型和控制算法的正确性,也表明应用平台控制电力电子系统的优异性能。平台实时仿真步长可设20μs,满足电力电子器件对速度的要求。在此平台上可以快速验证电路结构、对比实验模型及分析系统控制算法的优异。经过实时仿真平台验证的算法可以直接移植到DSP或FPGA等控制器上实现,从而提高开发速度,降低成本和风险。
实时仿真平台 篇2
关键词：计算机仿真,实时系统,共享内存
0 引 言
随着计算机仿真技术日益发展,仿真系统越来越复杂,对计算机系统的要求也越来越高。对于仿真系统来说,一方面需要将仿真尽可能地逼近真实对象,因此要求仿真系统必须具有足够好的实时性与可靠性;另一方面又要求系统具备较强的通用功能,如图形界面、较强的硬件兼容性。Windows操作系统显然能够满足第二方面的要求,但它在实时性方面的表现就不尽如人意。市场上现有的实时操作系统虽然能够满足实时性的要求,但是大部分的通用功能都不够强大,特别是图形和界面功能。实时性和图形界面处理是一对矛盾的功能实体,怎么能够两者兼顾呢?目前较为流行的解决方法是采用上下位机的结构,上位机以Windows作为开发平台进行任务设计、程序开发以及图形界面处理等非实时任务,同时负责进行目标系统的生成,下位机以实时操作系统作为运行平台来完成实时任务。
目前,许多专用仿真设备都采用这种异构平台的上下位机工作模式,能够解决实时性与通用功能之间的矛盾,而且在实际应用中的表现也相当不错。但是,专用仿真设备造价成本较高,而且随着应用的深入,它的开放程度和可维护性受到了挑战,应用扩展给用户带来了很大的难度。RTX的出现很好地解决了这一问题,它基于Windows通用环境,支持微软Visual Studio系列开发平台,因此开发难度低、开放性好、易于维护,而且成本要比专用仿真设备低得多。RTX支持处理器多核技术,任务可以分别独立运行在不同的内核上。那么,基于RTX的仿真应用系统就可以在同一软硬件平台下通过不同的内核来实现诸如图形显示、数据存储等非实时操作和仿真解算、数据采集等实时任务。因此综合各种因素, RTX应用在实时仿真系统中将是个不错的选择。
1 RTX简介
RTX是美国Ardence公司开发的基于Windows操作系统的硬实时解决方案,可以为用户提供比较优秀的实时控制性能、高效的扩展性以及稳定性。严格意义上来说,RTX并不是一个独立的操作系统,它是Windows上的一个实时扩展子系统。它与Windows系统无缝地结合在一起,可以利用Windows系统所有的优势,包括大量标准的API函数、内存管理机制以及各种通用资源等。
1.1 RTX扩展子系统[1,2]
RTX作为一个完全的Windows扩展系统,并不对原有Windows系统架构作任何修改与封装,而是对Windows硬件抽象层的扩展。RTX子系统RTSS拥有精确高速的任务调度器,最高支持1000个独立进程,每个进程下的线程数不受限制。
精确的时间执行机制对系统相当重要,RTX提供的定时器周期最低可以做到100微秒。通过应用高速的IPC信息和同步机制,RTX可以实现与Windows之间的数据通信以及进程间同步。RTX提供了对I/O以及内存的精确控制,为实时任务地执行提供了100%的可靠性。
1.2 RTX的特点[2,3,4]
· Ring 0级别和高性能的Windows实时扩展 RTX应用程序在开发阶段运行于系统的Ring 3级别,一旦开发调试完成,RTX应用程序将被部署到Ring 0级别上运行以提供最好的时间响应特性。
· Win32 API兼容 RTX可以完全利用Windows提供的大量Win32 API函数,不需要对API映射使用代码
转换器,对程序设计人员来说非常方便。
· 实时以太网(RT-TCP/IP)支持 Windows标准的TCP/IP协议不能够提供实时性保证,RTX提供了实时通信协议RT-TCP/IP,以满足基于RTX的分布式系统对实时性和确定性的要求。
· 简便快捷的开发环境 RTX提供了对微软Visual Studio系列开发平台的全面支持,开发人员可以最大程度的减少开发周期和成本,便于系统的移植和扩展。
2 应用分析
随着Windows系列操作系统的大众接受程度和市场占有率日益扩大以及其应用的深入,越来越多的工业控制场合有了对Windows的使用要求,这些场合的共同特点就是它们都要求系统拥有较高的实时性和确定性。特别是在导弹实时仿真中,帧周期的不确定往往会带来未知的结果。但由于Windows是非实时操作系统,优先级太少、不确定的线程调度以及优先级倒置等缺点使其往往不能够满足应用系统对实时性的要求。RTX作为Windows的扩展子系统,在保留Windows原有系统架构的基础上,增加了新的体系结构;同时它支持多核技术,RTX可以独占一个内核来完成实时任务。因此,在实际的应用中,可以将Windows与RTX有机地结合起来进行应用程序的设计开发,充分利用它们各自的长处、相互补充、协同工作,这不仅简化了程序设计,而且也同时满足了实时性的要求。实践证明这种方法是可行的,效率较高,而且取得了较好的应用效果。
在进行实际应用系统设计之前,首先分析所要实现的对象,将对象的功能任务分为两部分:一部分是实时任务,包括硬件采集、网络通信以及模型解算等等;另一部分是非实时任务,如编译生成目标系统、曲线显示以及文件保存等。实时任务是严格按时间点运行的进程,要求任务具有确定性,交由RTX处理;非实时任务在指定的误差范围内允许有一定的时间偏差,一般提供人机交互功能,像定制、编译生成目标系统以及曲线和文件等操作,这部分由Windows处理。实时任务与非实时任务各自独立运行,它们之间通过共享内存和事件体进行通信,共享内存实现数据交互,事件体实现进程或线程同步。这种方式其实是广义的上下位机模式,RTX作为下位机运行平台,Windows系统作为上位机开发和监控平台。不过,这种模式的上下位机都是驻留在同一个计算机节点的硬件平台上,采用共享内存通信,所以通信速度要比传统的上下位机快很多,而且确定性很好。同时相对于异构平台来说,这种模式的开发与维护更加方便,可靠性大大提高,用户也可以更多地关注对象本身而不用太多考虑接口问题。
3 RTX应用系统设计[1,3,5]
前面提到,RTX支持标准的Windows编程开发环境,如VC++ 6.0,支持Win32 API标准函数的调用,同时支持对IRQ、I/O、内存等硬件的直接操作,因此RTX为用户进行基于Windows编程环境的实时应用系统开发提供了很大的便利条件。下面以VC++ 6.0为开发工具,简述典型的Windows环境下RTX实时应用系统的设计与工作流程,如图1所示。
分别利用工程向导创建标准MFC工程与RTX工程,然后按划分的功能分别在相应的工程模块内进行代码实现。Windows的MFC模块主要实现初始参数设置、曲线显示、数据存储以及控制功能,提供人机交互界面,生成Windows的可执行程序;而RTSS模块则主要实现数据采集、模型解算等后台实时任务,生成RTSS实时进程。
3.1 MFC模块设计
MFC工程模块初始化后创建两个(或若干个)事件体用来同步RTSS进程与Windows进程,创建共享内存区用来实现进程间的数据通信,共享内存区的大小和类型根据实际的应用要求选择。分析RTSS进程与Windows进程之间交换的数据流,可以将数据流分为两部分:一部分是由Windows传输给RTSS进程的初始化参数,这部分数据只在用户程序运行之前一次性传输;另一部分是由RTSS传输给Windows用来曲线显示和数据存储的周期性数据。因此,将共享内存区可以分为两部分,分别实现Windows与RTSS进程之间的双向数据流。
MFC应用程序运行后首先将RTSS进程运行所需要的初始化参数写入共享内存,然后创建一个线程用来进行曲线显示和数据存储,同时启动RTSS进程。为了更好地协调RTX与Windows进程下各线程之间的工作,利用事件体进行同步操作。
3.2 RTSS实时模块设计
RTSS实时进程由MFC应用程序负责启动。RTSS进程启动后,首先打开在Windows进程中创建的同名事件体和共享内存,然后从共享内存区读入参数进行初始化操作。接着创建Timer循环体完成周期性的实时解算任务,每个周期将数据写入共享内存供Windows进程读取。同时为了在Windows下控制RTSS进程,创建并挂起一个同步线程用来接收Windows的控制命令。
为了提高CPU资源的利用率,Windows下的绘制曲线线程与RTSS下的同步线程挂起时应该被阻塞,等待同步事件。Timer循环体每周期写完共享内存之后,发出一个同步事件通知绘制曲线线程,该线程收到事件则取消阻塞并参与调度,获得CPU资源后就可以读取共享内存的数据进行曲线绘制与数据保存。同样,RTSS同步线程也被阻塞等待Windows的停止命令。
3.3 RTX下板卡驱动程序的编写
前面提到,RTX支持对I/O、内存等硬件的直接操作,所以为用户开发通用硬件板卡的RTX驱动程序提供了可能。硬件板卡一般采用I/O地址和内存地址映射两种方式,RTX提供了一系列输入输出函数直接操作I/O端口与内存。
读写端口的函数包含两个参数:一个为端口的基地址,另一个是使能的端口范围,可以扫描板卡所在总线上的信息得到端口基址与范围。在取得板卡的基地址之后,参考用户说明书中相应寄存器的地址偏移,就可以得到一系列物理操作地址(基地址+偏移地址),类似于嵌入式系统,用户对这些物理地址进行操作即可完成板卡的初始化以及读写数据等操作。由于这些操作是在RTX下对硬件的直接访问,不会受到Windows系统的影响,所以实时性能得到了很大的提高。
作者采用这种方法编写了研华、凌华系列以及VMIC的PCI5565反射内存等硬件板卡的RTX驱动程序,经过实验测试,驱动程序工作稳定,输入输出正确。
4 测试与应用
将Windows环境下RTX程序设计方法应用到某型号导弹仿真中,开发了基于RTX和MFC的导弹实时仿真平台,仿真周期为2ms,如图2所示。RTSS实时进程负责导弹弹体的动力学方程解算以及与任务机进行通信,MFC用户界面负责设置参数、绘制曲线、保存数据以及控制操作等,用户图形界面如图3所示。
为了测试该仿真平台的实时性能,在整个系统运行的同时(包括曲线以及实时任务等),RTSS任务通过DA板卡输出一路方波信号,外部使用示波器捕捉该方波。经过一定时间的测试观察,结果显示RTSS任务下发出的方波信号波形稳定、周期确定,每个周期基本都是2ms;MFC存储的数据如图4所示,仿真总时间为1000s,记录总数为50001个,说明数据没有丢失。而在Windows下进行同样任务解算并输出方波,示波器捕捉波形则不够理想,漂移现象明显,周期不稳定,特别是在同时绘制多条曲线的时候,最坏甚至达到10ms以上。由此可以看出该仿真平台下RTSS的任务周期要比Windows确定,它能在规定时限内完成特定的任务,满足实时性的要求;MFC用户界面能够在绘制曲线的同时,准确无误地保存试验数据,保证了数据的连续性。
经过与任务计算机进行小闭环测试,在整个导弹飞行过程中,RTSS实时任务运行稳定可靠,命中精度在控制范围之内,Windows下的MFC程序能够准确无误地保存数据和绘制曲线,保存数据基本没有丢失、与遥测的数据一致,闭环仿真结果满足要求。
5 结束语
RTX作为Windows的扩展子系统,除了能够满足任务实时性要求外,同时支持Windows环境下多种开发工具。那么,用户在进行实时系统设计时,就能够提供更为友好的人机交互界面,使程序开发变得更加直观、简洁,而且增加了程序代码的可移植性和扩展性。RTX用处理器的多核机制解决了实时应用系统中实时性与通用功能之间的矛盾,成本低、稳定性高和开放性好,而且同构平台模式使得用户可以更多地关注所要实现的对象本身,而不用花费太多的时间和精力去维护上下位机之间的连接。本文以某型号导弹为仿真对象,开发了基于RTX与MFC的实时仿真平台。经过实验测试,该仿真平台运行可靠,仿真周期确定,具有较高的实时性能,为将来RTX在仿真系统中推广使用提供了可行性与依据。
参考文献
[1]方澄,徐琦.基于RTX的飞行模拟器分布式实时仿真系统[J].测控技术,2007,26(9):86-90.
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[3]刘晓川,王海涛.RTX技术及其在实时仿真系统中的应用[J].舰船电子工程,2001(6):35-38.
[4]吴勇,熊振华,丁汉.基于RTX和MFC的后封装平台数据采集和控制系统[J].系统工程与电子技术,2004,26(9):1258-1261.
实时仿真平台 篇3
所谓嵌入式系统即指以应用为中心的一种专用计算机系统, 此系统的软硬件均可裁剪, 对体积、能耗等各方面的要求非常严格。嵌入式系统的内核小、结构精简, 其系统软件非常高效, 可用多任务的操作系统来开发软件。
ARM+DSP双核嵌入式仿真平台由RISC、C5000DSP、C2000DSP组成, 采用双核芯片TMS320VC5470对APM部分和C5000DSP部分进行集成组合, 有效的提高了系统功效, 降低了能耗, 编程灵活度显著提高, 还可加速软硬件升级, 节省投资, 提高上市速度。
使用TMS320VC5470芯片实现ARM+DSP嵌入式仿真平台具有更多优势, 主要表现为其简化了系统结构, 令ARM与DSP构成整体等, 许多嵌入式实时应用系统采用ARM+DSP的结构组合来充分发挥两种处理器的优势, 从每个处理器中获得最大益处, 以获得更高性能。
二、ARM+DSP嵌入式仿真平台动力推进系统硬件结构
ARM+DSP嵌入式仿真平台主要由以ARM, C5000DSP, C2000DSP3个处理器为中心的功能部分构成。其中ARM部分的ARM核微控制器是是整个系统的控制中心。主要负责上电后完成整个系统的自举加载和系统的任务分配、从物理设备输入和向物理设备输出信号、通过CAN总线与上位计算机通信等。
C5000DSP部分主要运行动力推进系统的数学模型, 并将仿真所得的转速和转矩的数据传递给C2000DSP部分的电机控制单元, C2000DSP部分接收运算结果, 按照该结果控制电动机达到仿真的转速和转矩, 最终实现用电动机来模拟推进主机。
以ARM+DSP为核心的嵌入式系统具有很强的控制接口能力和高速数字处理能力, 可以达到实时运行精确的动力推进系统的数学模型、实时控制外围物理设备的目的, 从而实现精确实时的半物理实物在环的动力推进仿真系统。
三、ARM+DSP嵌入式仿真平台CAN总线通信的接口设计
本嵌入系统中, CAN被分为不同的功能模块, 收发器在发送时将其逻辑信号转换为物理信号, 与接受时恰好相反。通常, SPI用于DSP处理器与外部设备间的通信, 因而我们把CAN总线通过2407的SPI和5470的ARM侧SPI口取得通信, 最终形成完整的硬件结构。
CAN总线通信接口电路内存接口方面, 片内RAM相比片外更具优先权, 由于程序和数据空间共享外扩RAM, 因而外扩数据空间和程序空间再CMD文件方面的分配上不能出现重叠的地址映射。
四、ARM+DSP嵌入式仿真平台的实时仿真通信程序设计实例研究
在ARM+DSP嵌入式仿真平台下, 5407的C5000DSP部分大部分是用来与进行传播推进系统的数学模型, 并对其进行分析, 该系统可用于传统的柴油机等方面, 或新型的电力系统方面。
C5000DSP程序实质上是以实时循环迭代求解微分方程组为主的程序, 每次循环求解一次, 得出推挤系统的仿真数据并将结果传送给APM部分, 通过SPI接口模块传送给2407DSP部分来显示与控制。
2407DSP大部分负责从其SPI接口模块的接收缓冲寄存器读取FIFO接收来自ARM侧SPI口从C5000DSP部分仿真结果中获取的转速和转矩信号。其中, TMS320LF2407则是这个控制子系统的核心, 它通过查询检测主控指令位正常与否, 正常则读取这个子系统的给定信号, 并通过捕获子程序接入反馈值。周而复始直到出现不正常或ARM主控成粗结束该任务的进程。
五、结论与展望
本文的创作对整个项目的功能开拓和日后完善较为有益, 在以后的工作开展中还应考虑到以下几点:
CAN现场总线的应用不可局限于已经形成的ARM+DSP嵌入式仿真系统中引入CAN总线, 以后还可把现场的节点扩大, 最终形成完整的传播仿真体系, 下一版应考虑更换内部RAM容量更高的双核芯片、简化电路结构等, 以更好的提升本嵌入式仿真平台的通信效率。
另外, 项目的开发应考虑寻找更广阔的推广平台, 相信其此成果可在工业控制、通信、图像处理等多方面获得长远发展。
摘要：本文从ARM+DSP嵌入式仿真系统的相关理论入手, 分析其特点, 论述ARM+DSP嵌入式仿真平台CAN总线的接口硬件以及总线通信原理和程序设计, 分析嵌入式实时仿真平台接口通信技术在动力推进系统中的应用, 展望其未来。
关键词：嵌入式系统,实时仿真,ARM+DSP,动力推进
参考文献
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[2]2011年嵌入式系统联谊会5月份主题“MCU中国设计与中国应用”主题讨论会[J];单片机与嵌入式系统应用;2011年05期
[3]张娜.浅析自动化嵌入式系统的选择与调试[J].黑龙江科技信息, 2011年16期
实时仿真平台 篇4
大型交直流混联电网安全稳定控制技术的研发和试验是世界性难题,建立基于实时仿真技术的安全稳定控制技术试验研究平台是解决这一问题的有效途径。
中国南方电网构建了基于实时数字仿真(RTDS)系统的电网安全稳定控制技术实时仿真试验研究平台[1],并先后完成了三道防线中多个稳定控制系统的试验研究。在试验研究中采用了一系列关键技术,包括复杂大电网实时仿真的建模技术、多时间尺度多区域稳定控制技术综合协调和广域安全稳定控制系统实时仿真场景构建技术等。本文将重点论述云广直流安全稳定控制系统、云南电网小水电群广域振荡解列控制系统和云广特高压直流孤岛机网协调控制系统等3个应用实例。
1 云广直流安全稳定控制系统的试验研究
云广特高压直流安全稳定控制系统属于南方电网安全稳定控制的第二道防线,对于南方电网的安全稳定运行至关重要[2,3,4,5,6]。南方电网针对云广直流安全稳定控制系统先后进行了3期实时仿真试验研究:一期为联网方式下安全稳定控制策略试验研究;二期为孤岛策略与联网新增策略研究;三期为孤岛运行稳定性研究。
1.1 实时仿真模型
RTDS模型包括2011年南方电网500 kV 及以上交直流系统主网架,含270 个三相节点、100台发电机、390条交流线路等,共使用27个Rack(计算单元)的计算资源。云广、贵广二回直流采用实际控制保护装置,贵广一回、天广和三广直流采用详细控制保护自定义模型。该模型与非实时仿真软件BPA形成互补,为交直流并联电网分析计算提供技术手段。
1.2 平台特点和应用效果
所建立的含云广直流的电网实时仿真模型反映了南方交直流电网的主要系统特性,云广直流控制保护装置在故障模拟、控制信号时序[4]和动态响应等方面与实际一致。以云广直流联网运行方式送端交流线路N-2故障的仿真试验为例,故障发生后稳定控制系统动作激发直流功率限制功能PowerLimitation,图1为极闭锁控制信号的时序,交直流系统动态响应过程和各类控制动作时序如图2所示。图中:Pdc为云广直流系统功率;Uac为交流母线电压标幺值;PA11为直流系统阀组A11的功率,其他各阀组的功率变化趋势与PA11一致,详见附录A图A1;γ11D为直流系统阀组11D熄弧角,其他各阀组的熄弧角变化趋势与γ11D一致,详见附录A图A1;f为交流系统频率;Q为交直流系统无功功率。
通过对直流联网和孤岛运行方式进行实时仿真,准确模拟了特高压直流系统的各类闭锁、线路故障再启动和交流线路故障跳闸等事件,系统、可靠地检验了安全稳定控制装置判别各种事故的正确性和稳定控制策略设计的合理性。
2 云南电网小水电群广域振荡解列控制系统的试验研究
云南电网小水电群广域振荡解列控制系统是南方电网为抵御云南电网低频振荡而开发的一套稳定控制系统[7],属于南方电网第三道防线。
2.1 实时仿真模型
RTDS模型包括云南500 kV主网、部分地区主要220 kV网架以及云南电网与南方主网的断面联络线,通过同调等值法对边界系统进行等值,仿真模型体现了所关注区域的主要动态特性,具有与云南实际电网基本一致的振荡模式和阻尼特征。图3所示为某故障后某发电机的功率振荡曲线。
2.2 多种类型故障和多模式强迫扰动模拟
试验研究重点在于各类故障和扰动的准确模拟[7,8],包括系统故障模拟、强迫扰动模拟以及通信故障和时滞的模拟等。其中,系统故障模拟包括线路短路跳闸、机组跳闸和小水电分支内外故障。强迫扰动模拟包括在小水电分支内外机组原动机转矩、励磁电压上叠加多种频率的强迫扰动等。通信故障和时滞的模拟包括解列系统相量测量单元(PMU)子站间及子站与主站间的通信中断,在RTDS输出(即解列装置量测前)增加随机延时模拟通信时滞的情形,以考察解列系统的可靠性。
2.3 对振荡解列策略的改进
基于实时仿真试验的研究对振荡解列原理进行了大量改进,如改进了振荡源识别原理,正确区分小水电群分支内部扰动和外部非云南电网的扰动,并正确切除扰动源使系统振荡平息。迪丽Ⅱ线三相永久性故障RTDS试验结果如图4所示,其中,EYDLP2,LJDLP2,DLST2P,XGDLP2的功率变化趋势分别与EYDLP1,LJDLP1,DLST1P,XGDLP1一致,详见附录A图A2。小水电分支内故障被正确识别并切除。
3 特高压直流孤岛机网协调控制特性研究
云广特高压直流系统由于额定功率(5 000 MW)大且送端换流站远离电源(距离约300 km),采用孤岛方式运行时具有极低的有效短路比(最低达1.45),送端机组的调速励磁控制、直流控制保护特性和稳定控制策略等多时间尺度、多道防线紧密耦合,试验研究平台为此“精密”系统的机网协调稳定控制试验研究提供了有效途径。该系统包括由RTDS模拟的小湾电厂6台机组和主变压器、金安桥电厂4台机组和主变压器、云广直流输电系统及相关交流线路。2个电厂的励磁、调速控制器按现场型号配置,并配置电厂监控(含自动电压控制(AVC)和自动发电控制(AGC)),程序与现场一致[9]。
3.1 调速控制器接入RTDS系统
孤岛系统送端机组调速系统的比例—积分—微分(PID)主环及其逻辑切换为实际调速器,副环、随动系统和水轮机由RTDS模拟。随动系统和水轮机主要基于机组现场实测得到的数学模型在RTDS中建模(见附录A图A3)。
调速控制器所需的机端电压、系统电压由RTDS输出后通过功率放大器提供,调门指令以2~8 V模拟电压信号的形式向RTDS提供触发脉冲,形成闭环控制实时仿真系统。
3.2 励磁控制器接入RTDS系统
由RTDS经功率放大器向励磁调节器提供机端电压电流信号,调节器经PID等环节后向RTDS提供触发脉冲,RTDS模拟励磁变压器和可控硅整流环节,构成闭环控制的实时仿真系统(见附录A图A4)。
3.3 机网一体化孤岛系统仿真
孤岛系统送端机组接入实际调速、励磁控制器和监控系统后,构成的云广直流孤岛机网控制系统实时仿真平台包括稳定控制系统,综合考虑了孤岛系统在严重事故后的安全稳定控制效果。云广直流孤岛机网控制系统的实时仿真如图5所示。
3.4 平台应用结果
将建立的平台应用于直流孤岛稳定控制实时仿真研究,将其仿真结果与孤岛现场调试结果进行比对,进一步校核仿真模型和控制参数,提高了平台仿真的可信性。进一步地,对无法在现场开展试验的各种严重故障进行仿真模拟,研究系统的动态响应特性和稳定控制效果,有效地指导了实际运行。
以云广直流系统在孤岛方式下以额定功率运行时发生双阀组同时闭锁事故的仿真试验为例进行说明。云广直流系统送端采用孤岛方式8机4线输送功率5 000 MW,小湾电厂(开机方式4×700 MW)、金安桥电厂(开机方式4×600 MW)分别通过小楚双线和金楚双线接入楚雄换流站,送端的楚雄地区接线图如图6所示,与云南电网无电气联系。通过仿真平台模拟云广直流系统发生故障导致双阀组同时闭锁的事故。
孤岛方式运行时发生直流单极(双阀组)同时闭锁的稳定控制策略设计与联网方式运行时不同,故障后稳定控制系统将切机以使送端电源功率与直流剩余功率尽量匹配,而联网方式则要求直流单极闭锁后稳定控制不动作。本算例中,云广直流极2双阀组在时间为0 时发生故障闭锁,由于剩余极1的两阀组具有1.2倍短期过负荷能力,直流总损失功率约2 000 MW,在148 ms时稳定控制系统按欠切原则切除小湾电厂3号机组、金安桥电厂2号和3号机组共约1 900 MW功率后,直流系统的频率限制控制(FLC)功能与送端机组调速控制共同作用,最终孤岛系统能够保持稳定运行,仿真结果如图7所示。另外,小湾电厂1号和2号机组的功率变化趋势与4号机组的功率Pxw4大致相同,金安桥电厂2号机组的功率变化趋势与1号机组的功率Pjaq1一致,详见附录A图A5。
4 安全稳定控制技术实时仿真试验汇总
基于南方电网安全稳定控制技术实时仿真试验研究平台,完成了三道防线多个安全稳定控制系统的试验研究任务。基于该平台的安全稳定控制系统试验研究,涵盖了安全稳定控制策略表执行的正确性验证、站间通信延时的影响研究、策略原理的合理性评估等。这些试验研究[7,9,10]的汇总表格见附录A表A1。
5 结语
基于南方电网安全稳定控制技术实时仿真试验研究平台,采用了一系列安全稳定控制技术试验研究的关键技术,如复杂大电网实时仿真的建模技术、多时间尺度多区域稳定控制技术综合协调和广域安全稳定控制系统实时仿真场景构建技术等,完成了南方电网三道防线中多个大型安全稳定控制系统的研发和试验工作,并在此基础上有效地改进了稳定控制策略,提高了安全稳定控制系统运行的可靠性和南方电网的安全性。
构建的安全稳定控制技术实时仿真试验研究平台初步满足了大型电网安全稳定控制技术研发和试验的需求,但仍有很多工作有待继续深入研究:①在新能源以不同方式接入电网的情形下,开展实时仿真平台的集成和构建技术研究,以满足新能源接入系统的安全稳定控制技术的研究和试验需求;②改进RTDS建模的方式,元件的参数和模型面向实时仿真,并加强与南方电网实际故障录波轨迹进行对比,进一步提高实时仿真的可信性;③开展电网安全稳定控制系统入网检测工作,特别是涉及交直流相互影响的稳定控制技术和新型广域安全稳定控制技术;④基于该实时仿真试验研究平台,建设交直流大电网的安全防御演练与培训系统。
附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。
摘要：基于电网安全稳定控制技术实时仿真试验研究平台,对中国南方电网三道防线中多个稳定控制系统进行了试验和研究。采用复杂大电网实时仿真建模技术,对云广直流安全稳定控制系统进行了试验研究,验证了该平台对交直流大型电网的实时仿真能力;采用广域安全稳定控制系统实时仿真场景构建技术,开展了云南电网小水电群广域振荡解列控制系统试验研究,体现了该平台开展基于广域信息的稳定控制技术的研发能力;采用多时间尺度多区域稳定控制综合协调技术,完成了云广特高压直流孤岛机网协调控制系统的研究,充分利用了平台控制器模型的自定义功能。应用实例表明,所构建的平台是交直流大电网安全稳定控制技术试验研究的有效途径和重要保障。
关键词：安全稳定控制,实时仿真,实时数字仿真器,直流孤岛运行,机网协调控制,广域振荡解列控制
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实时仿真平台 篇5
一个优秀的图形编程接口应当满足如下标准:
1)它应当确保在多种平台间的顺利移植而不能以牺牲绘图性能为代价,也不应损害到用户对硬件的控制能力;
2)它应当提供一种简洁自然的方式以简化编程的复杂度;
3)它应当具备足够的柔韧性和连续性,易于扩展。
Open GL恰恰具备了这些优势。这使得它迅速发展成为得到广泛认可的三维图形设计接口的工业标准。在计算机辅助设计、内容创作、能源、娱乐、游戏开发、制造业、制药业及虚拟现实等行业领域中,Open GL能在个人计算机、工作站、超级计算机等硬件设备上实现高性能、极具冲击力的高视觉表现力的图形处理软件开发[2,3]。
基于Mesa/Open GL,本文分别在Windows和Linux平台下实现了三维多功能腰椎治疗仪的动态实时仿真,根据实时动态输入的治疗仪参数实现实时动态仿真。
1 Mesa/Open GL概述
Open GL是一个开放的三维图形软件包,它独立于软硬件平台,可以采用C、C++、Java等多种语言编程,以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台(如Windows、Unix、Linux及Mac OS)间移植。Open GL使用了一种客户端—服务器端的模式来解释命令。应用程序(客户端)所发布的命令将通过Open GL(服务器端)来编译和处理。服务器的操作既可以同客户端在同一台计算机上进行,又可以分别属于不同的机器。因此,从这个意义上讲,Open GL是网络透明的。一个服务器可以维护数个GL上下文,每个上下文被封装在一个GL状态里。服务器可以同时包含几个GL上下文,每个上下文都被封装在一个GL状态里。每个客户端都可以连接到这些上下文中的任何一个。
2011年8月9日在温哥华举行的SIGGRAPH 2011大会上Khronos工作组发布了新的Open GL4.2标准细节,对于支持现有硬件的API加入了部分新的支持特性。和Open GL4.1一样,Open GL4.2主要应用于DX11级别硬件如NVIDIA Ge Force 400/500,Radeon HD5000/6000系列显卡,不过NVIDIA的开发者社区之前曾经表示部分特性可通过扩展功能在最老支持Open GL2/DX9级别的硬件上实现。
Open GL提供的操作包括:建模(Drawing Object)、变换(Transformer)、着色(Rendering)、光照(Lighting)、反走样(Antialiasing)、混合(Blending)、雾(Fog)、位图和图像(Bitmap and Image)、纹理映射(Texture Map)、交互操作和动画(Interactive and Animation)、深度暗示(Depth Cue)、运动模糊(Motion Blur)等。
Mesa是一种类似于Open GL的开源实现[4],其核心函数的技术文档可以采用Open GL的文档。Mesa/Open GL有100多个核心库函数,其前缀是gl,还包括多种扩展库函数,如:glu(实用库)、glaux(辅助库)、gltk(工具库)、glx(对X-Window系统的扩展)及glut(实用工具库)。此外,在Windows平台下也集成了针对Open GL的扩展函数,如一些WGL函数(前缀为wgl)和六个Win32函数(Choose Pixel Format、Describe Pixel Format、Get Enh Meta File Pixel Format、Get Pixel Format、Set Pixel Format、Swap Buffers)。WGL函数专门用于Open GL与Windows系统窗口的联系,可用来管理绘图描述表、显示列表及位图字符。Win32函数支持窗口的像素格式(Pixel Formats)和双缓冲,由于它们是对Win32系统的扩展,因此不能应用于其他Open GL平台。
2 Mesa/Open GL编程实现
Mesa/Open GL程序的基本框架非常简明,如图1所示。
从图1看出,应用程序在初始化窗口后,即进入消息循环,所响应的消息包括鼠标、键盘以及系统消息。程序的框架是基本固定的,编程的主要工作则在于场景绘制部分(包括场景初始状态设置)。
以Medical为工程文件名,描述实时仿真系统在Windows和Linux下的实现。
2.1 Windows下的编程实现
Windows系统下的Open GL程序通常要以VC++为开发工具,
1)在项目ProjectSettingsLink的objects/librarymodule中设置如下:
Open GL32.lib函数库文件包含一些重要信息,这些信息可帮助程序利用链接器访问动态链接库函数Open GL32.DLL。而glu32lib、glaux.lib则表示要用到Open GL实用库函数及辅助库函数。
2)在Cmedical View.h文件首部需要添加以下几个头文件:
3)设定Open GL风格
Open GL有自己的像素格式,只有Open GL的客户区才能接受Open GL绘制,因此在函数BOOL CMedical View::Pre Create Window(CREATESTRUCT&cs)中应有语句
4)任何一个Windows程序都必须处理设备描述表(Device Context),Open GL应用程序也必须应用DC。不过,将其称为着色描述表(Rendering Context)。着色描述表(RC)保存了与系统发生联系的重要信息。一个应用程序必须有一个着色描述表。生成和处理当前RC的过程是:设置窗口像素格式;生成RC;处理当前RC。
利用函数BOOL b Setup Pixel Format(),在其中定义Open GL像素格式PIXELFORMATDESCRIPTOR的所有信息,然后在函数Init(中对DC所支持的像素格式进行测试,得到最接近系统的格式,创建并当前化着色描述表。当结束运行时,利用函数void CMedical View::On Destroy(),设置当前线程的RC为NULL,(用语句::wgl Make Current(NULL,NULL);实现),断开当前线程和该渲染上下文的联系,由此断开与DC的联系。
5)当建立、移动、改变大小的一些事件发生时,都需要重新绘制场景,使用Class Wizard添加Windows消息WM_SIZE,并编辑其消息响应函数void CMedical View::On Size(UINT n Type,int cx,int cy),添加以下语句:
建立视点、启动透视变换及建立透视体。
本文采用平行投影,因为平行投影不会因为物体的远近而改变大小尺寸,这就便于观察物体各部分的比例关系。
6)在函数Init()中追加以下语句:
Open GL显示列表是一系列Open GL命令的高速缓存,不必进行内存管理,降低时间开销。显示列表驻留于服务器,因而减少了网络传输量,大大提高网络性能。显示列表中所用函数的参数值都是当前的,不会受今后变化的影响;封装在显示列表中的变换操作会对后继绘图产生影响;显示列表不可对其进行外部干预;显示列表需要精心管理。
7)对函数Drawscene()编辑如下:
局部坐标是相对于物体而言的,其坐标原点往往是物体的形心,并且随着物体的移动而移动。在程序中要让物体1绕着一端旋转,如程序所示先平移,后旋转,再平移。平移的距离为物体形心到一端的距离,且前后数值相反。物体旋转时遵循右手规则,角度应以度数的方式来提供。物体2为物体1的子物体,物体1的运动直接影响物体2,但物体2可以有自己的独立运动,不会影响物体1。
8)创建工作线程,添加线程函数UINT My Work Thread(LPVOID m Param)
需要特别指出的是创建显示列表必须在Init()函数中完成,因为如果在Drawscene()函数中创建显示列表,随着循环的不断进行,逐渐增加内存的占有量,进而导致内存资源耗尽而死机。
9)添加仿真函数void CMedical View::On Animation()
因为采用系统定时器有很多弊端,所以本文采用多线程技术。
2.2 Linux下的编程实现
Linux系统下的Open GL程序通常是以QT为开发工具。(篇幅所限,程序略)
1)在gl Medical.h文件的首部需要添加以下几个头文件:
#include
#include
2)对gl Medical.cpp文件操作如下:
(1)在函数void GLMedical::initialize GL()中完成场景的初始化,并创建显示列表。
(2)在函数void GLMedical::resize GL(int w,int h)中建立视点、启动透视变换及建立透视体。
(3)在函数void GLMedical::paint GL()中调用显示列表等。
(4)在函数void GLMedical::animation()中调用线程函数,完成动画显示等。
3 实时仿真
本文开发的三维多功能腰椎治疗仪主要有四种运动方式:牵引、倾斜、旋转、臀摆。主要治疗腰椎间盘突出症等疾病。治疗仪的运动参数作为实时动态输入传递给仿真系统以实现实时动态仿真。仿真样图如图2所示。
传统的慢性牵引为水平位,靠一定的时间和低于体重的力就可拉开椎间隙0.5-1.5mm,而该系统的牵引力高达3000N(约300Kg),特别是在快速和旋转作用下似乎很容易造成腰部组织损伤。然而正常腰椎可以承受至少400公斤的拉力。充足的牵引力才能保证瞬间快速有效的牵引治疗,这是该系统治疗原理上的重要特点和与传统慢牵的不同点之一。如果考虑病人在肌肉放松条件下的正常伸展力和固定带在皮肤上滑动消耗,该系统的牵引力(约300Kg)并不过大,如果机器稳定,选好适应症,让病人肌肉放松,给予合理的治疗参数,是很安全的。
腰椎间盘突出症有其自身发生发展的普遍规律。可分为弹力型、退变失稳型和增生狭窄型。临床观察发现,通过治疗参数的合理选择,该牵引床对腰椎间盘突出症特别是弹力型和退变失稳型具有良好的治疗作用。
4 结论
本文基于Mesa/Open GL,分别在Windows和Linux平台下实现了三维多功能腰椎治疗仪的动态实时仿真。由于在Windows和Linux下的开发工具不一样,导致了Mesa/Open GL编程实现的差异,但是一旦掌握了这些不同点,只需对Windows下的Open GL程序作少许改动即可用于平台。另外,还应注意编程中的细节问题,如光照、变换和多线程等。
摘要：腰椎治疗仪的实时仿真能给操作者提供实时直观的仪器状态。基于Mesa/OpenGL,分别在Windows和Linux平台下实现了三维多功能腰椎治疗仪的动态实时仿真。详细描述了其实现步骤,分析了在两种平台下程序的异同之处,并指出编程中应该注意的细节。根据实时动态输入的治疗仪参数实现实时动态仿真。
关键词：Mesa,OpenGL,Windows,Linux,实时仿真
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实时仿真平台 篇6
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420MHz,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[6,7,8]。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:
根据SLC800的工作原理,可以得到经过调理之后的直流侧的电压信号为:
通过调节电位器R的值,可得到不同倍数下的输出值,同时必须满足uout≤2.25 V,不超过VHS-ADC平台A/D接口所允许通过的最大值。
(2)电流信号的采集
电流信号的采集采用型号为Honeywell CSNR161的霍尔电流传感器,基于霍尔效应和零磁场平衡原理测量电流,最大测量电流为125 A(rms),输入输出电流比为125 mA/125 A,交流电流信号的采集和调理电路如图5所示。
传感器采用±12 V双电源供电,其输出电流信号经测量电阻R转换为电压信号后,由运算放大器构成的电压跟随器与接口匹配,可调整电位器R的大小,使输出的双极性信号恰好落在-1.125 V~+1.125 V的范围,然后传送给VHS-ADC的A/D端口。
3 VHS-ADC与接口板的衔接
3.1 A/D端口的衔接
通过平台接口板可以检测到交流侧三相电压信号和电流信号以及直流侧的电容输出电压信号,然后传输到VHS-ADC的A/D转换接口。当使用A/D端口时,在VHS-ADAC Control Utility控制板上可以选择是否使用可编程增益(增益的范围为0~255)。如果不采用增益,则模拟输入与数字输出是成正比例关系;如果采用增益,则不成正比例关系。根据A/D特性,输入电压的最高值为2.25 V,可得到模拟量与数字量的比例关系为:
式中,UA为A/D的模拟输入量,UD为数字量。A/D端口的每一位对应的模拟量为0.14 mV。
根据交流侧的电压、电流采集以及调理电路和式(3),可得电压和电流信号采集后的数字量表达式为:
式中,R为电流传感器的测量电阻,Ua、Ia为电网电压和电流的初始模拟信号,UD、ID为经过A/D转换后的数字量信号。为了恢复初始的模拟信号的量值,需要对数字量信号进行降倍处理。根据式(4)可知,需将电压降低18倍、电流降低7.15R倍。
根据直流侧电压采集和调理电路及式(2)、式(3),可得直流侧电压信号的数字量表达式为:
取R=10 kΩ,R1=1 MΩ,R2=10 kΩ,R4=100 kΩ,则式(5)可简化为:udc D=7udc。可见直流侧的电压应该在整流器控制模型内降低7倍才能还原到初始信号值。
3.2 GPIO端口的衔接
(1)三相电压型SVPWM整流器的控制模型获得的控制脉冲信号通过GPIO输出,I/O接口的逻辑电平标
准是LVTTL,输出高电平为3.3 V,低电平≤0.4 V。
而接口板与GPIO口衔接的MC74HC08AD是CMOS集成电路,逻辑电平为5 V,接近于电源电压。TTL驱动门的最小输出电平小于CMOS负载门的最小输入电平,无法为CMOS提供符合标准的高、低电平。因此,在TTL与CMOS两种电路并存的情况下需要设计TTL电路与CMOS电路的接口。此端口的衔接是用TTL电路驱动CMOS电路,采用的方法是在TTL电路的输出端与+5 V电源之间接入上拉电阻RG。当TTL输出高电平时,输出级的负载管和驱动管同时截止,故有:
式中,VOH为TTL驱动管的输出电压,VDD为电路供电电源,IO为TTL电路输出级截止时的漏电流,I1H为负载管的输入电流。由于IO和I1H都很小,所以只要合理选取RG的阻值,TTL的输出电平可被提升为VOH≈VDD=5 V。
(2)GPIO端口是一个32位34针脚的I/O端口,理清GPIO的脉冲输出针脚与6个IGBT之间的对应关系,才能正确地控制IGBT的开关状态。根据GPIO的分配表可得到GPIO针脚与IGBT管脚的对应关系如表1所示。本设计的PCB板,信号从IGBT的2、4、6、8、10、12引脚输出。T1、T2、T3、T4、T5、T6与原理图的三相桥电路IGBT相对应,G为IGBT的集电极端。
4 实验
为了验证所设计平台接口板的正确性,调试完PCB板之后,得到实验结果如下:
(1)电压采集波形如图6所示。图6(a)为电网A相输入电压为Us=30 V,波形1为电网电压经过变压器和电压传感得到的输入波形,波形2为经过调理电路后的输出波形,可以看出电压的相位和幅值完全一致,表明电压采集调理电路的正确性。在图6(b)中,在线形光耦采集调理电路的电阻分压之后输入直流电压信号为0.806 V,输出电压信号为0.077 V,隔离光耦线形度满足要求,验证表明,线形隔离光耦传输线形度好,所设计的采集调理电路正确。
(2)GPIO的输出控制脉冲与IGBT的集电极和基极两端的控制脉冲对应关系如图7所示。
图7的信号是从GPIO口输出的控制脉冲,最高逻辑电平被上拉电阻提升到5 V,满足了TTL与CMOS电路的转换条件。IGBT的控制脉冲高电平为+14 V,此时管子导通,低电平为-8 V,管子关断。可看出从平台内部输出的GPIO控制脉冲与IGBT的控制脉冲完全对应,验证了平台接口板设计正确性。
本文通过对三相整流器高速实时仿真平台的电压和电流信号采集电路及调理接口电路的设计,通过实验可得接口设计电路电压的相位和幅值完全一致,在线形光耦采集调理电路的电阻分压后,输入直流电压信号与输出电压信号相近,隔离光耦线形度满足要求,验证了线形隔离光耦传输线形度好,设计的采集调理电路的正确性。通过从平台内部输出的GPIO控制脉冲与IGBT的控制脉冲完全对应,验证了仿真平台接口板设计的正确性和可行性,为进一步研究硬件在三相整流回路中实现高速实时仿真奠定了理论基础,具有一定的应用价值。
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电力电子器件的实时仿真 篇7
电力电子器件是电力电子装置的基础, 其性能制约着电力系统中电力电子装置的性能。当前, 电力电子装置的实时仿真研究已经展开[1,2], 但这些实时仿真将电力电子器件视为理想开关, 这种简化固然不影响系统级的仿真精度, 但并不能预测电力电子器件的工作特性。而电力电子器件的电压尖峰、电流尖峰、开关损耗等工作特性非常突出, 这些问题恰恰是威胁电力电子器件乃至电力系统可靠性的重要因素。绝缘栅双极型晶体管 (insulated gate bipolar transistor, IGBT) 具有驱动功率小、开关速度快、导通电流大、功率损耗小等优点, 是目前技术成熟、应用广泛的电力电子器件。本文以IGBT构成电力电子电路的基本开关单元为例, 进行电力电子器件的实时仿真研究。
电力电子器件的模型有物理模型[3,4]和功能模型[5,6,7]2种。物理模型在物理本质上揭示载流子的运动规律, 模型精度较高, 但大多数生产商并不提供器件的物理参数, 且仿真速度慢, 不适用于实时仿真。功能模型将器件内部视为一个“黑匣子”, 按照仿真功能的需要从元件的外部电特性出发构造模型, 虽然精度不如物理模型高, 但参数易提取, 仿真速度快, 适合用于实时仿真。
目前, 国内外学者采用不同的方法对电力电子器件开展了功能模型研究。文献[5]采用线性化的方法, 但没有考虑器件开关过程中的电压尖峰和电流尖峰。文献[6]采用分段解析函数的方法, 但将续流二极管的反向恢复电流峰值视为恒定值。文献[7]采用实测数据的方法, 但对于不同型号的器件, 需要搭建不同的实验电路。本文根据IGBT和电力二极管的开关特性和换流过程, 建立IGBT和电力二极管的换流模型, 从器件数据手册获取参数, 采用分段插值的方法, 建立IGBT的实时仿真功能模型, 参数易于获取, 并且能够在很大的电压和电流范围内对电力电子器件开关过程中的关键指标进行仿真。
1 电力电子器件功能模型原理
文献[8]提出用替代定理来说明功能模型, 用电压源或电流源替代电力电子器件, 并提出了电压源和电流源的选取原则和确定方法:选取的电压源和电流源必须独立, 且选为电压源时需保证连续, 选为电流源时需保证导数连续。本文在建立电力电子器件的功能模型时也借鉴了这一思想, 并对文献[8]所建模型进行了改进, 去掉了IGBT杂散并联电容, 使模型更加便于仿真计算。
本文以IGBT构成电力电子电路的基本开关单元为研究对象, 建立IGBT和电力二极管的功能模型。基本开关单元如图1 (a) 所示, 包括一个IGBT、电力二极管、电压源和电流源, 其中, 电压源和电流源为电压源型电路和电流源型电路的替代, 图中:S为IGBT的驱动信号。在换流瞬间认为U和I保持不变, 在开关过程中IGBT的电流波形相对简单, 因此选为电流源;根据选取的电压源和电流源必须独立的原则, 电力二极管选为电压源;IGBT和电力二极管分别用受S控制的电流源和电压源替代;同时, 考虑了线路的杂散电感LS1, LS2, 等效电路如图1 (b) 所示。
列写基尔霍夫电压和电流方程, 有
式中:iC为IGBT的集电极电流;uR为二极管的反向电压;iF为二极管的正向电流;uCE为IGBT的集射极电压。
由式 (2) 解得, 二极管电流iF=I-iC, 代入式 (1) , 有
令LS=LS1+LS2, 则
等效电路进一步简化为图1 (c) , 解得IGBT栅射极间电压为:
可见, 只要给出受控的电流iC和电压uR, 便可以求得iF和uCE。
下面分别从IGBT开通和关断2个过程, 采用分段插值的方法建立基本开关单元的器件模型。其基本思想是:假设已知开关过程的电压、电流波形上的一些关键点, 如起始点、极值点、拐点、不可导点, 然后用简单解析函数分段描述开关电压电流波形。
2 基本开关单元功能模型
基本开关单元的开关过程分为IGBT的开通过程和关断过程, 其功能模型从IGBT的开通和关断2个过程分别建立。
2.1 IGBT开通过程模型
图2为IGBT的开通过程模型。在t=t0 (on) 时刻驱动IGBT开通。IGBT的开通过程也是电力二极管的关断过程, 由于电力二极管反向恢复过程的存在, IGBT的集电极电流iC在开通过程中会出现电流尖峰。IGBT的开通过程主要分为4个阶段:开通延迟阶段[t0 (on) , t1 (on) ]、电流上升阶段[t1 (on) , t2 (on) ]、反向恢复阶段1[t2 (on) , t3 (on) ]和反向恢复阶段2[t3 (on) , t5 (on) ]。
由图2可以得到部分阶段时刻的表达式为:
式中:trr为二极管反向恢复时间;kD为常数, 且0
下面对各阶段IGBT的集电极电流iC和电力二极管的反向电压uR进行插值。
1) 开通延迟阶段:IGBT仍处于关断状态, 电力二极管仍处于导通状态, 漏电流和通态压降数值较小, 予以忽略, 视为0, 即iC=0, uR=0。
2) 电流上升阶段:IGBT的集电极电流iC从0上升至其幅值I, 电力二极管的正向电流iF相应减小但仍然处于导通状态, uR=0。
根据电流导数连续的原则, IGBT的集电极电流iC用经过点1 (t1 (on) , 0) , 点2 (t0 (on) +td (on) , 0.1I) , 点3 (t0 (on) +td (on) +tr, 0.9I) 和点4 (t2 (on) , I) 并且在点1处的导数为0的二次函数进行插值, 得到:
式中:a1 (on) 为系数。
结合器件数据手册中IGBT开通延迟时间td (on) (从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值的10%到集电极电流iC上升至其幅值的10%的时间) 和电流上升时间tr (iC从其幅值的10%上升至90%的时间) , 在建立基本开关单元的器件模型时, 认为驱动信号S电平变化的时间为0, 可以推导出系数a1 (on) 和阶段时刻t1 (on) 和t2 (on) , 即
代入式 (7) 有:
3) 反向恢复阶段1:IGBT电流由于电力二极管的反向恢复过程继续上升, 由其幅值I升至其峰值I+IRM, 但上升速率变慢, 电力二极管反向电压uR从0上升至其幅值U。IGBT电流用经过点4 (t2 (on) , I) 和点5 (t3 (on) , I+IRM) , 并在点5导数为0的二次函数进行插值, 得到:
为简化计算, 假定电力二极管反向恢复电流峰值IRM与正向电流I呈比例关系, 即, 则由电力二极管在额定电流IFN下的反向恢复电流峰值IRMN, 可以得出。
IGBT电流可以进一步表示为:
电力二极管反向电压uR用经过点8 (t2 (on) , 0) 和点9 (t3 (on) , U) 的一次函数进行插值, 得到:
即
4) 反向恢复阶段2:IGBT集电极电流iC随电力二极管反向恢复电流的下降而由其峰值I+IRM下降至其幅值I, 由于线路杂散电感的存在, 电感两端将感应出反向压降, 并与电压源U一起作用于电力二极管上, 在二极管两端产生电压尖峰。遵循电流连续的原则, IGBT电流分两段, 即[t3 (on) , t4 (on) ]和[t4 (on) , t5 (on) ], 用经过点5 (t3 (on) , I+IRM) , 点6 (t4 (on) , I+IRM/2) 和点7 (t5 (on) , I) 并且在点5和点7导数为0的二次函数进行插值。其中t4 (on) =t3 (on) + (1-kD) trr/2。
在[t3 (on) , t4 (on) ]上的插值函数为:
在[t4 (on) , t5 (on) ]上的插值函数为:
二极管反向电压uR=U-LSdiC/dt, 则在[t3 (on) , t4 (on) ]上, 有
在[t4 (on) , t5 (on) ]上, 有
t5 (on) 之后, IGBT处于开通状态, 二极管处于关断状态, iC=I, uR=U。
2.2 IGBT关断过程模型
图3为IGBT关断过程模型。在t=t0 (off) 时刻驱动IGBT开通。IGBT的关断过程也是电力二极管的开通过程, 这个过程主要分为3个阶段:关断延迟阶段[0, t1 (off) ]、电压上升阶段[t1 (off) , t2 (off) ]和电流下降阶段[t2 (off) , t4 (off) ]。
由图3可以得出部分阶段时刻的表达式为:
式中:kud为常数, 且0
1) 关断延迟阶段:IGBT仍处于开通状态, 电力二极管仍处于关断状态, iC=I, uR=U。
2) 电压上升阶段:IGBT电压从0增大到其幅值U, 电力二极管反向电压相应减小并仍然关断, IGBT电流保持其幅值I不变, 即iC=I。
电力二极管反向电压用经过点3 (t1 (off) , U) 和点4 (t2 (off) , 0) 的一次函数进行插值, 得到:
3) 电流下降阶段:IGBT集电极电流iC从其幅值I下降至0, 电力二极管电流iF相应上升, 遵循电流导数连续的原则, IGBT电流分两段用二次函数进行插值。
在[t3 (off) , t4 (off) ] (t4 (off) =t3 (off) +1.5tf, 其中tf为电流下降时间, 集电极电流iC从其幅值的90%下降至10%所需时间) 上, 类比于开通过程IGBT电流上升阶段, 有
在[t2 (off) , t3 (off) ]上, 用经过点1 (t2 (off) , I) , 点2 (t3 (off) , 0.9I) 并在点1导数为0, 在点2导数与在[t3 (off) , t4 (off) ]上相等的二次函数进行插值, 得到:
忽略电力二极管正向恢复过程, 则电力二极管反向电压, uR=0。t4 (off) 之后, IGBT处于关断状态, 电力二极管处于开通状态, iC=0, uR=0。
综上所述, IGBT集电极电流iC和电力二极管反向电压uR的模型为:
式中:fi (on) (t) , fi (off) (t) , fu (on) (t) , fu (off) (t) , gi (on) (t) , gi (off) (t) 的具体取值见附录A。
可以看出, 该模型为工作电压U、工作电流I和时间t的函数, 只要给定U, I和驱动信号S发生电平跳变的时刻, 便可以确定IGBT的集电极电流iC和电力二极管的反向电压uR, 进而得出IGBT集射极间电压uCE和电力二极管的正向电流iF。iC用二次函数进行插值, uR用一次函数进行插值, 具有较快的计算速度, 可以满足实时仿真的要求。
3 仿真结果
在现场可编程门阵列 (field programmable gate array, FPGA) 中对模型进行了实时仿真, IGBT和电力二极管的型号为三菱公司的IGBT模块CM1200DC-34N, 杂散参数LS=100nH, 工作点U=850V, I=600 A, IGBT和电力二极管开关过程的仿真结果见附录A图A1。
IGBT模块的开关电压、电流得到以后, 可以通过积分运算获得开关损耗能量, 即
同样, 对850V电压下, IGBT的开通损耗Eon、关断损耗Eoff和电力二极管的反向恢复损耗Erec随电流的变化进行了仿真, 将仿真结果与数据手册所给的典型值[9]绘在一起, 如图4所示。
开关损耗仿真结果均能落在典型值附近。仿真结果表明, 本文IGBT和电力二极管的实时仿真能够反映电力电子器件开关过程中的电压、电流尖峰和开关损耗等关键指标。
4 结语
IGBT和电力二极管的实时仿真方法可以推广至其他电力电子器件, 如电力晶体管 (GTR) 、电力场效应晶体管 (MOSFET) 、集成门极换流晶闸管 (IGCT) 等。电力电子电路的基本开关单元通过组合可以构成电力系统中各种斩波电路和逆变电路[10]。因此, 本文IGBT和电力二极管的实时仿真方法能够实现电力系统各种斩波电路和逆变电路中电力电子器件的实时仿真。
附录见本刊网络版 (http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx) 。
摘要：电力电子器件在开关过程中的电压尖峰、电流尖峰以及功率损耗等问题是威胁电力电子器件乃至电力系统中电力电子装置可靠性的重要因素。文中以技术成熟、应用广泛的绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 构成电力电子电路的基本开关单元为例, 进行电力电子器件的实时仿真研究。根据电力电子器件的开关特性, 分析了电力电子器件间的换流过程, 建立电力电子器件的实时仿真功能模型, 并在现场可编程门阵列 (FPGA) 中实现电力电子器件的实时仿真。仿真结果能够反映电力电子器件开关过程中电压尖峰、电流尖峰以及功率损耗等关键指标。
关键词：电力电子器件,实时仿真,电压尖峰,电流尖峰,开关损耗
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