[發明專利]一種基于FPGA的高性能實時仿真方法

在審

• 申請號: 201310265509.4
• 申請日: 2013-06-27
• 公開（公告）號: CN104252550A
• 公開（公告）日: 2014-12-31
• 發明（設計）人: 戴鵬;伍小杰;袁慶慶;朱洪順;于月森;張婷婷;張金科;吳強;趙明龍;王釗
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于FPGA快速成型的仿真方法，具體的說，涉及一種對電力電子與電力傳動系統中基于FPGA快速成型的實時仿真方法。?

背景技術

隨著計算機技術的發展，基于純軟件環境的仿真系統，如Matlab／Simulink，Saber，PSPICE等也逐漸發展起來。這類系統運行在基于個人計算機(PC)的軟件平臺上，采用相應的數學模型代替實際系統進行仿真驗證。基于純軟件環境的仿真系統具有操作簡單、復雜度不高等優點，但由于軟件采用串行執行機制，導致仿真速度較慢．且算法復雜度的增加對PC硬件要求較高。此類仿真系統最大的不足是缺乏與實際系統接口的能力。?

針對純軟件環境的仿真系統的不足，目前，基于硬件在回路方法的仿真已經廣泛應用于控制器的設計與評估之中，并因其可以較好地模擬實際系統，在控制器的故障與缺陷捕獲之中發揮了巨大的作用。它的基本思想是將整個電力傳動系統或者其子系統集成到仿真環境之中，并通過特定的接口與實際系統相聯接。為了滿足實時仿真的速度要求，對于較為復雜的電力傳動系統，一般使用多機并行處理，或分布式運算的思想。該類仿真一般使用PC簇（PC-cluster），其售價較高，擴展性不夠靈活，且其性能的提高日益受限于各并行處理機之間通信總線的速率與帶寬限制。?

由于上述缺點，使得電力傳動實時仿真系統在上述各種方式中都存在性能、設計上的局限，也限制了電力傳動實時仿真系統的發展。?

發明內容

本發明的目的在于不降低系統性能的情況下，利用場可編程門陣列(field?programmable?gate?array,FPGA)技術，對電力傳動系統實現了高性能的實時仿真方法。針對電力電子器件開關特性復雜、非線性度高的問題，使用曲線擬合、分段線性化等手段模擬其開關特性；針對傳統基于狀態空間模型的電機仿真運算復雜、處理速度慢的問題，研究其動態等效電路模型，并利用FPGA并行處理；該方法還包含電力傳動系統中其它組件的模擬及人機接口的設計。?

為實現上述目的，一種基于FPGA的高性能實時仿真方法，包括：?

1）電力電子器件模型的FPGA實現，使用曲線擬合、分段線性化對開關特性模擬；?

2）電動機的FPGA實現，分析電動機的等效電路，利用離散化方法對電動機進行精確模?擬；?

3）電力傳動系統其余硬件部分的FPGA實現，將其簡化成一階的線性模型；?

4）接口部分設計，利用PC代碼來完成開發。?

本發明進一步實現方案敘述如下：?

1.電力傳動系統中各硬件部分的模擬?

常用的IGBT、IGCT等電力電子器件在仿真時常用的建模方法有系統級和器件級兩種。系統級建模中又分理想模型、開關函數模型和平均模型三種，它們精度不高，只能在系統建模的層面上對電力電子器件做出描述。器件級建模充分考慮了電力電子器件的各種特性，模型精確，但在傳統仿真軟件中使用時仿真效率較低，仿真速度緩慢。本仿真方法使用FPGA采用硬件并行實現的方法，對電力電子器件的特性進行實時模擬，主要的研究內容包括：電力電子器件開關特性的測試、開關損耗、器件的熱模型等，并最終使用FPGA實現。?

電力傳動系統的核心電動機是一個非線性、多變量、強耦合的復雜系統。傳統的仿真環境中使用狀態空間模型進行計算，數據處理量大，并涉及到多維矩陣的乘法等大型運算，使得其仿真處理非常復雜。本仿真方法首先研究電機的等效電路模型，并將其分解為多個等效電路以使用FPGA并行實現，從而提高仿真速度和效率。?

電力電子器件與電動機是實時仿真系統實現中的主要難點。對于電力傳統系統的其他組件，如電源、電阻、電感、電容以及電動機的負載等，雖然也存在一定的非線性因素，但對系統整體影響較小，故本方法在此只考慮其主要特性，從而將它們簡化為一階的線性模型以方便處理。另外在實際系統中，存在編碼器、電壓、電流傳感器等測量元件，需要研究它們的特性，如編碼器的分辨率、有效位數等，并使用FPGA進行模擬。?

2.數學運算的處理?

在對電力傳動系統中的建模中，通常得到的是時域或者頻域的連續模型。為了將其實現到以一定時鐘頻率工作的FPGA器件中，需要對電力傳動系統中的模型離散化；則本部分包括：離散化方法、仿真步長的選取、積分與微分方程的數值方法選取等。?

其次，現階段的絕大部分FPGA都不含有浮點處理單元（FPU，floating?point?unit），而在仿真過程中，大部分數據又都是浮點的。為此，需要在保證精度和處理速度的前提下研究FPGA開發中浮點數據的方法。?