基于FPGA的半实物仿真平台设计与应用

发布时间：2017-03-30 23:05

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【摘要】：随着仿真技术的发展,半实物仿真的应用越来越广泛。半实物仿真是一种介于纯数学仿真与物理仿真之间的仿真方式,既有纯数学仿真的柔性变形能力,又具备物理仿真的实时性特点。而在电力电子领域中,电力电子产品的发展迅速,普通的纯数学仿真所起的作用逐渐减小,对半实物仿真的需求逐渐增大。由于国外知名半实物仿真平台价格昂贵,且通用性差,本文通过对半实物仿真原理的分析,结合典型电力电子电路的需求,自行设计一个半实物仿真硬件平台。本文首先阐述了半实物仿真的原理,介绍了半实物仿真发展的现状和国外一些知名的半实物仿真平台。由于国外半实物仿真平台价格昂贵,且专用性强,本文提出针对电力电子系统,利用FPGA的实时性自行设计一个基于FPGA的半实物仿真硬件平台。本文结合典型电力电子电路的需求分析,确定了半实物仿真平台的组成部分和整体架构。通过分析整个平台的通信需求设计了各板卡之间的通信方式,其中针对FPGA板卡与DA板卡和DO板卡的串行通信方式提出了改进型SPI通信方式。设计各块板卡的硬件电路,成功搭建了一个半实物仿真硬件平台的雏形。之后对半实物仿真平台进行功能验证。首先验证了改进型SPI通信的可行性,其次针对FPGA板卡,提出采用多片FPGA级联型JTAG接口,减少JTAG口数量节约PCB面积。另外还验证了AD板卡的功能,最后用搭建的这个半实物仿真硬件平台,对10KVSTATCOM进行硬件在回路仿真,测试MMC子模块预充电过程中直流侧电压和输出电流的动态和稳态响应,验证了半实物仿真硬件平台的可用性。
【关键词】：半实物仿真 实时性 硬件在回路 串行外围设备接口 级联型JTAG 静止同步补偿
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.9;TN791
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 半实物仿真的系统原理9-11
• 1.2 半实物仿真平台的研究现状11-13
• 1.3 半实物仿真平台在电力电子领域的需求分析13-14
• 1.4 本文的主要工作14-15
• 第二章 基于FPGA的半实物仿真平台的原理和架构15-23
• 2.1 半实物仿真平台的原理15-18
• 2.2 半实物仿真平台的整体架构18-23
• 第三章 基于FPGA的半实物仿真平台的通信设计23-36
• 3.1 系统通信需求分析23-24
• 3.2 FPGA板卡之间的通信架构设计24-27
• 3.3 FPGA板卡与其他板卡间的通信架构设计27-32
• 3.3.1 FPGA板卡与AD板卡的通信设计27-29
• 3.3.2 FPGA板卡与DA板卡的通信设计29
• 3.3.3 FPGA板卡与数字输入板卡的通信设计29-30
• 3.3.4 FPGA板卡与数字输出板卡的通信设计30-32
• 3.4 SPI通信协议32-36
• 3.4.1 SPI的通信原理32-34
• 3.4.2 改进型SPI通信34-36
• 第四章 基于FPGA的半实物仿真平台的硬件电路设计36-50
• 4.1 FPGA型号的选取36-37
• 4.2 FPGA板卡的硬件电路设计37-40
• 4.2.1 FPGA的电源配置37-38
• 4.2.2 FPGA的级联电路38-39
• 4.2.3 接口电路设计39-40
• 4.3 AD板卡的硬件电路设计40-47
• 4.3.1 AD芯片的选型40-43
• 4.3.2 采样调理电路的设计43-47
• 4.3.3 AD板卡的电源电路47
• 4.4 DA板卡的硬件电路设计47-49
• 4.5 数字输入输出板卡的硬件电路设计49-50
• 第五章 半实物仿真平台的调试实验和分析50-62
• 5.1 多片FPGA级联型JTAG调试50-54
• 5.2 AD板卡的功能调试54-55
• 5.3 改进型SPI通信调试55-57
• 5.4 硬件在回路仿真实验57-61
• 5.5 实验结论61-62
• 第六章 总结与展望62-64
• 6.1 工作总结62
• 6.2 展望62-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-70

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本文编号：278284