基于自适应预测控制的数字功率放大方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及数模混合集成电路设计领域，为提出一种精度高、转换速度快、适应性强的功率放大装置，用于一次仿真系统到二次实际系统的功率放大。为此，本发明专利技术采取的技术方案是，基于自适应预测控制的数字功率放大装置，包括采样芯片、两路电压调理电路和两路电流调理电路、采样芯片、FPGA控制芯片、电平转换芯片、光耦隔离芯片、IPM，经过调理电路处理电流和电压输入由FPGA控制芯片控制的采样芯片，FPGA读取其输出结果进行参数估计，再结合目标电流值计算控制信号的占空比；由计算出的占空比生成四路开关周期内的方波，再经过电平转换芯片和光耦隔离芯片，驱动IPM里的IGBT工作。本发明专利技术主要应用于数模混合集成电路设计。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应预测控制的数字功率放大方法与装置
本专利技术涉及数字物理混合型仿真领域，具体来说是一种能够将一次系统实时数字仿真模块输出的数字量转化为符合功率要求的模拟量的装置，即基于自适应预测控制的数字功率放大装置。技术背景数字物理混合型仿真区别于物理仿真系统和纯软件仿真系统，它的一次系统采用数字仿真器，例如1993年由加拿大Manitoba高压直流研究中心开发的第一台电力系统实时数字仿真器RTDS；二次系统采用实际设备，例如自动控制装置、继电保护装置、模拟操作屏等。在数字物理混合型仿真中，数字仿真器与实际设备形成了一个闭环系统，数字仿真模块产生的电气量的数字信号需要转化为模拟量，再经过功率放大后，才能提供给二次系统的实际设备。现有的数字功率放大器主要运用三角波比较控制、滞环控制、无差拍控制等控制策略，并且运用DSP控制芯片进行开发。但是由于运算量增大、系统的复杂化和对计算精度要求的提高，现有的功率放大装置已经难以满足实时仿真的要求。根据上述问题，为了满足数字物理混合型仿真的实时性需求，需要研究出一种转换速度快、精度高的功率放大装置，用于一次系统数字仿真与二次系统实际设备之间功率转换。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，提出一种精度高、转换速度快、适应性强的功率放大装置，用于一次仿真系统到二次实际系统的功率放大。为此，本专利技术采取的技术方案是，基于自适应预测控制的数字功率放大装置，包括采样芯片、两路电压调理电路和两路电流调理电路、FPGA控制芯片、电平转换芯片、光耦隔离芯片、IPM，经过调理电路处理电流和电压输入由FPGA控制芯片控制的采样芯片，FPGA读取其输出结果进行参数估计，再结合目标电流值计算控制信号的占空比；由计算出的占空比生成四路开关周期内的方波，再经过电平转换芯片和光耦隔离芯片，驱动IPM里的IGBT工作。输出的4路方波信号两两互补，并添加死区；当IPM非正常工作时，会产生一个低电平的错误信号，通过与非门输出高电平，使电平转换芯片关断，闭锁IPM的控制信号，起到保护的作用。FPGA控制芯片包括浮点数乘累加器，浮点数乘累加器分为浮点数乘法和浮点数累加两部分。浮点数乘法分为两级流水线；第一级进行指数相加和尾数相乘运算；第二级对相乘的结果进行规格化处理；浮点数累加分为三级流水线；第一级对相加的浮点数进行指数对阶；第二级对相加的浮点数进行尾数求和；第三级对相加的结果进行规格化处理。基于自适应预测控制的数字功率放大方法，借助于前述装置实现，利用电流电压采样值实时估计负载的基本参数，再根据下一开关周期给定的目标电流值，计算出IGBT控制信号的占空比，并生成控制信号。自适应预测控制的算法步骤如下：①负载参数估计根据图2列写负载的电压方程并离散化可得其中，L和R是负载和电感电阻，ukT和u(k+1)T分别为当前采样时刻和下一采样时刻的负载电流，ikT和i(k+1)T分别为当前采样时刻和下一采样时刻的负载电压；假设u在T时间内恒为ukT，则拟合回归方程为结合电压电流的采样值利用最小二乘法进行二元线性回归估计，得到参数α，β；其中②预测控制若一个开关周期TW内有l个采样点，则开关周期的输出电流递推关系为由式(2)和式(3)可知，由于R<<L/T，令有α≈1，所以αl＝(1+δ)l＝1+lδ；若将开关周期内对应的功率开关管开通时间T1和关断时间T2安排为对称分布，则有将下一开关周期的输出电流设置为下一开关周期的输出电流指令值则有根据计算开通时间Ton，关断时间Toff，则有考虑到计算时间和IGBT开通关断时间，将预测提前h个采样周期，则有其中，为kTw-hT时刻负载电流的采样值。与已有技术相比，本专利技术的技术特点与效果：1.本专利技术能够实现仿真模块数字信号与真实设备模拟量之间的数字功率放大。本专利技术釆用基于采样电流电压和目标电流值的预测控制，对目标电流有较好的跟踪性。2.本专利技术利用最小二乘法进行负载参数的估计，实时更新负载参数，具有精度高、实时性强等优点。3.本专利技术采用流水线级数少的乘累加器进行运算，有效的提高了预测控制算法的运算速度，使其能够在FPGA芯片上实现，有效地降低了成本。附图说明图1数字功率放大装置控制部分的硬件设计。图2数字功率放大装置主电路。图3开关通断时间分布图。图4乘累加器流水线结构图。具体实施方式本专利技术对负载的电压电流进行采样，利用最小二乘法对负载参数进行在线估计，实时更新负载参数。本专利技术利用一次系统仿真模块产生的数字信号，结合数字功率放大电路的负载参数，根据自适应预测控制算法，计算并生成下一开关周期的控制信号，对逆变器功率开关器件进行控制，从而使数字信号转变为符合功率要求的模拟量。本专利技术提供了一种作用于仿真模块与真实设备之间的数字功率放大装置，将数字信号转换为符合功率的模拟信号，提供给二次系统真实设备。1.数字功率放大装置的硬件系统设计如图1所示，本专利技术的采样电路包含一个ADS8364采样芯片、两路电压调理电路和两路电流调理电路。ADS8364是一款16位数模转换器，可实现六通道同步采样。主电路中，经过处理电流和电压通过前端调理电路输入采样芯片。如图1所示，本专利技术使用了Altera公司的可编程控制芯片FPGA作为主控制芯片。为了使FPGA并行处理参数估计和预测控制的数据，本专利技术选用了低成本CycloneIII系列的EP3C25Q240C8作为故障发生装置的控制芯片。该芯片共有约24k个逻辑单元、240个管脚(其中含有149个IO管脚)、66个18位内嵌乘法器、4个PLL以及594KB的RAM容量。如图1所示，本专利技术采用SN74LVC4245作为FPGA输出接口与主电路IGBT的电平转换芯片。SN74LVC4245采用CMOS工艺，功耗低，双电源配置使其具有抑制噪声的功能。在主电路中，IPM模块故障时会产生故障信号，通过SN74LS00N的与非门接入SN74LVC4245的使能端，IPM的控制信号被封锁，实现保护功能。2.自适应预测控制算法及其硬件实现本专利技术实现了一次系统数字仿真模块与二次系统实际设备之间速度快、精度高的功率转换，在对负载电流电压进行采样的同时，迅速计算出负载的基本参数，并通过自适应预测控制算法计算并生成IGBT的控制信号。本专利技术采用自适应预测控制的方法来实现功率的放大。用电流电压采样值实时估计负载的基本参数，再根据下一开关周期给定的目标电流值，计算出IGBT控制信号的占空比，并生成控制信号。自适应预测控制的算法步骤如下：①负载参数估计。根据图2列写负载的电压方程并离散化可得其中，L和R是负载和电感电阻，ukT和u(k+1)T分别为当前采样时刻和下一采样时刻的负载电流，ikT和i(k+1)T分别为当前采样时刻和下一采样时刻的负载电压。假设u在采样周期T内恒为ukT，则拟合回归方程为结合电压电流的采样值利用最小二乘法进行二元线性回归估计，得到参数α，β；其中②预测控制若一个开关周期TW内有l个采样点，则开关周期的输出电流递推关系为由式(2)和式(3)可知，由于R<<L/T，令有α≈1，所以αl＝(1+δ)l＝1+lδ。若将开关周期内对应的功率开关管开通时间T1和关断时间T2安排为如图3所示的对称分布将下一开关周期的输出电流设置为下一开关周期的输出电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自适应预测控制的数字功率放大装置，其特征是，包括采样芯片、两路电压调理电路和两路电流调理电路、采样芯片、FPGA控制芯片、电平转换芯片、光耦隔离芯片、IPM，经过调理电路处理电流和电压输入由FPGA控制芯片控制的采样芯片，FPGA读取其输出结果进行参数估计，再结合目标电流值计算控制信号的占空比；由计算出的占空比生成四路开关周期内的方波，再经过电平转换芯片和光耦隔离芯片，驱动IPM里的IGBT工作。

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应预测控制的数字功率放大方法，其特征是，借助于如下装置实现，包括采样芯片、两路电压调理电路和两路电流调理电路、FPGA控制芯片、电平转换芯片、光耦隔离芯片、IPM的装置，经过调理电路处理电流和电压输入由FPGA控制芯片控制的采样芯片，FPGA读取其输出结果进行参数估计，再结合目标电流值计算控制信号的占空比；由计算出的占空比生成四路开关周期内的方波，再经过电平转换芯片和光耦隔离芯片，驱动IPM里的IGBT工作；所述方法的具体步骤是：利用电流电压采样值实时估计负荷的基本参数，再根据下一开关周期给定的目标电流值，计算出IGBT控制信号的占空比，并生成控制信号，自适应预测控制的算法步骤如下：①负载参数估计列写负载的电压方程并离散化可得其中，L和R是负载电感和电阻，ukT和u(k+1)T分别为当前采样时刻和下一采样时刻的负载电压，ikT和i(k+1)T分别为当前采样时刻和下一采样时刻的负载电流；假设u在T时间内恒为ukT，则拟合回归方程为结合电压电流的采样值利用最小二乘法进行二元线性回归估计，得到参数α，β；其中

【专利技术属性】
技术研发人员：张炳达，陈铭，袁奎，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12