一种双有源全桥变流器的开源科研测试平台

摘要

一种双有源全桥变流器的开源科研测试平台，包括实时仿真控制器、数字信号转接板和电池模拟器，实时仿真控制器通过以太网与PC机相连接，实时仿真控制器通过以太网与电池模拟器相连接，电池模拟器的两个通道的直流正负输出口分别与双有源全桥变流器的H1侧直流电压口和H2侧直流电压口相连接，电池模拟器的动力输入由三相380V提供，双有源全桥变流器的8路PWM信号、2路功率管故障信号、2路过压信号、2路过流信号、2路过温信号、2路故障复位信号、2路PWM使能信号通过数字信号转接板接入实时仿真控制器。本发明克服了现有技术的不足，降低了科研的时间成本和提高开发效率。

说明书

技术领域

本发明涉及双有源全桥变流器的开源科研测试技术领域，具体涉及一种双有源全桥变流器的开源科研测试平台。

背景技术

双有源全桥变流器以其能量可双向传递、软开关范围宽、功率密度高、动态响应快等优点，成为近年来国内外积极研究开发的一种串联型直流-直流变换器结构，广泛应用于不间断电源、固态变压器及电动汽车等产品领域，与此同时，随着生产生活领域对电能质量、快速灵活控制的标准不断提升，研究人员对双有源全桥变流器的底层控制技术要求逐渐严格。而传统的基于DSP/FPGA开发的控制实验台和实验方法往往需要耗费研究人员大量的时间去进行编程和测试，而且往往很难直观地发现控制过程中可能存在的问题，并且存在由于线束杂乱而引起的安全隐患，具有开发过程慢、研究不直观、不安全的缺陷，这也使刚入门的研究人员不易掌握，对于科研成果的迭代是极为不利的；因此，为降低科研的时间成本和提高开发效率，研究一种具有快速、实时的开源DAB科研测试平台愈发重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种双有源全桥变流器的开源科研测试平台，针对现有双有源全桥变流器控制开发实验平台中开发效率低、实验过程不直观、具有安全隐患等缺陷，引入实时仿真控制器和数字信号转接板来进行问题处理；具体而言，对于需要大量代码编程的方式太过繁琐的问题，采用实时仿真控制器来进行基于simulink的图形化编程方式来进行简易化；对于测试过程不直观的方式，采用实时仿真控制器配套测控软件的方式，直观地进行变量的数据及曲线可视化；对于线束繁杂的问题，采用数字信号转接板对控制器和双有源全桥变流器完成信号的集总，从而可以提升科研效率，便于不断进行迭代。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种双有源全桥变流器的开源科研测试平台，包括实时仿真控制器、数字信号转接板和电池模拟器，所述实时仿真控制器通过以太网与PC机相连接，所述实时仿真控制器通过以太网与电池模拟器相连接，所述电池模拟器的两个通道的直流正负输出口分别与双有源全桥变流器的H1侧直流电压口和H2侧直流电压口相连接，所述电池模拟器的动力输入由三相380V提供，所述双有源全桥变流器的8路PWM信号、2路功率管故障信号、2路过压信号、2路过流信号、2路过温信号、2路故障复位信号、2路PWM使能信号通过数字信号转接板接入实时仿真控制器。

优选地，所述双有源全桥变流器内设置有H1变换器处理板和H2变换器处理板，所述实时仿真控制器的模拟量采集信号通道接入H1变换器处理板输出的1路直流电压信号、1路直流电流信号、1路交流电压信号和1路滤波信号以及H2变换器处理板输出的1路直流电压信号、1路直流电流信号和1路交流电压信号。

优选地，所述PC机与测控软件信号连接。

本发明提供了一种双有源全桥变流器的开源科研测试平台。具备以下有益效果：

采用实时仿真控制器不仅具备DSP/FPGA的实时采集、计算和控制能力，而且其相对于传统的繁琐代码编程方式，采用了一种基于图形化编程的方式，可以使研究人员在完成simulink离线仿真实验后，可以快速地进行实物实验,有效地提升了理论的实物实验转化验证效率；

采用测控软件可以将平台所涉及的变量通过曲线、数据的方式实时显示出来，同时可以实时修整控制参数和系统参数，提供了一种直观实验模式，更有利于研究人员快速发现研发过程中的问题，可有效改善传统方式实验过程不直观的现状；

采用数字信号转接板摒弃了传统的控制器和双有源全桥变流器之间的线束杂乱问题，可以使得系统变量可以和软件编程的接口快速完成对接，相对于传统方式不仅避除了飞线脱落引起的安全隐患，而且对于研究的更换交接更为迅速，有效地提升了科研迭代的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1 本发明的结构框图；

图2 本发明中双有源全桥变流器的系统拓扑图；

图中标号说明：

1、实时仿真控制器；2、数字信号转接板；3、电池模拟器；4、双有源全桥变流器；41、H1变换器处理板；42、H2变换器处理板；5、PC机；6、测控软件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-2所示，一种双有源全桥变流器的开源科研测试平台，包括实时仿真控制器1、数字信号转接板2和电池模拟器3，实时仿真控制器1通过以太网与PC机5相连接，使得测试软件可以实时显示各变量；实时仿真控制器1通过以太网与电池模拟器3相连接，电池模拟器3的两个通道的直流正负输出口分别与双有源全桥变流器4的H1侧直流电压口和H2侧直流电压口相连接，电池模拟器3的动力输入由三相380V提供，双有源全桥变流器4的8路PWM信号、2路功率管故障信号、2路过压信号、2路过流信号、2路过温信号、2路故障复位信号、2路PWM使能信号通过数字信号转接板2接入实时仿真控制器1。

在本实施例中，实时仿真控制器1用于采集系统中各路电压及电流传感器经由处理输出的电压信号；以及采集经由数字信号转接板所转接的驱动故障信号、过压信号、过流信号、过温信号，输出PWM信号及其使能信号、故障复位信号等；加载底层控制程序并进行实时运算；

在本实施例中的实时仿真控制器1包括GNU编译器，CDP控制开发软件包，RTICAN接口模块，RTIEthernet以太网接口模板和1302T硬件。通过采用的实时仿真控制器1不仅具备DSP/FPGA的实时采集、计算和控制能力，而且其相对于传统的繁琐代码编程方式，采用了一种基于图形化编程的方式，可以使研究人员在完成simulink离线仿真实验后，可以快速地进行实物实验,有效地提升了理论的实物实验转化验证效率。

数字信号转接板2用于适配转接双有源全桥变流器与实时仿真控制器的数字信号接口形式；并保护实时仿真控制器的DIO数字信号通道不因与外部连接而产生损坏，避免长期的售后维修时间；并采用隔离优化等数字信号处理方式提升编码器、PWM等高精度数字信号的稳定性与抗扰性；以及定制化硬件死区设置的方式来为测控系统节省通道、减小软件死区的设定范围。在本实施例中的数字信号转接板2采用Unitech的SD800-1202，具备数字信号隔离保护功能，可兼容指定实时仿真控制器，PWM信号不小于24路，采用5V/20mA，死区时间约2us；数字信号/开关量输入不小于10路，5V/20mA，数字信号/开关量输入不小于10路，5V/20mA，差分信号输入不小于6对5V/20mA。本发明通过采用的数字信号转接板2摒弃了传统的控制器和双有源全桥变流器4之间的线束杂乱问题，可以使得系统变量可以和软件编程的接口快速完成对接，相对于传统方式不仅避除了飞线脱落引起的安全隐患，而且对于研究的更换交接更为迅速，有效地提升了科研迭代的效率。

电池模拟器3用于模拟不同电池的充放电性能及充放电曲线；作为一个稳定的电压源；并作为一个稳定的恒流负载，便于进行电压控制；向实时仿真控制器实时传输电池数据。

在本实施例中的电池模拟器3可进行定电流、定电压、定功率放电，每通道功率2.5kW，电压500V模组，多通道电池模组状态模拟，依据电池芯曲线行为，进行电池状态模拟，可设定电池组常用参数与快速自订输出初始状态，电池放电能量回收功能，充放电电流切换不中断，模拟电池可充电可放电特性，用于双向零部件应用，模拟充电模式转换时(CC-CV)，可采用以太网进行通讯。

双有源全桥变流器4用于为用户提供一个PWM底层开源的双有源全桥变流器；连接不同电压等级的直流母线，实现功率交换；提供了硬件保护，设备使用更为安全。

在本实施例中的双有源全桥变流器4的系统拓扑如图2所示，由两台单相全桥DC/AC逆变器、一个1.7mH电感及一台单相变压器所构成，直流两侧有2000uF的滤波电容；单相全桥DC/AC逆变器均支持直流测电压范围为0~600V,过压阈值为720V，其额定功率(电流)为2KW(5A),该单元的PWM信号开关频率高达200KHZ，其过载能力目前最大支持2.5倍过载（过载时间1秒）；电压采样模块：直流侧电压2路，交流出口电压1路，滤波后电压1路，电压采样精度0.3%，响应时间小于40us，频率100Hz；电流采样模块：直流侧电流1路，交流侧电流1路，采样精度0.5%，响应时间小于1us，频率100KHz；数字量DI输入功能模块：3路高速/普通双向隔离输入，最大频率50KHZ；数字量DO输出功能模块：3路高速/普通隔离输出，最大频率50KHZ，电流3A/AC250V，1A/DC30V；具有母线过压、电流过流、过温保护等保护功能；其电路板使用6层、抗干扰能力强；具有EMC电磁兼容功能；功率模块具有模块电源欠压、短路保护功能；其选用SIC驱动芯片并选用AVAGO高性能、驱动电流达到2.5A的驱动芯片、具有电源欠压、短路保护功能。

在本实施例中，双有源全桥变流器4内设置有H1变换器处理板41和H2变换器处理板42，实时仿真控制器1的模拟量采集信号通道接入H1变换器处理板41输出的1路直流电压信号、1路直流电流信号、1路交流电压信号和1路滤波信号以及H2变换器处理板42输出的1路直流电压信号、1路直流电流信号和1路交流电压信号。用户在PC机5上进行图形化编程编译后获取sdf编译文件，通过以太网下载到实时仿真控制器1中，测控软件可与实时仿真控制器建立连接，加载用户下载到实时仿真控制器中的sdf编译文件，从而可以实时地进行科研测试。

在运行时，用户在PC机5的测控软件上通过指令进行实验工况设定，实时仿真控制器1将指令通过以太网传输到电池模拟器3上使之运行在预期的电压/电流/电池模式下；双有源全桥变流器4的电压电流传感器经H1变换器处理板41和H2变换器处理板42将系统变量传输至实时仿真控制器1，进而通过以太网使得用户可以在PC机5的测控软件上完成实时监视；用户通过设定控制目标，使得算法在实时仿真控制器1中运行，通过数字接口传输到数字信号转接板2，经转接后传输至双有源全桥变流器4的H1变换器处理板41和H2变换器处理板42上进行驱动，使之运行在特定的控制模式下，实时观察系统采集的电压电流信号变化；在实验过程中可以实时修改控制参数和电池模拟器的运行设定，在底层需要修改时，只需要在图形化的界面修改后重新编译，即可继续进行研究测试；从而满足科研的实时化、快速化、便利化需求。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。