TI C2000 Embedded Code Generation: Current Source Inverter
1 概述（Overview）
電流源逆變器（CSI）通常用於大功率驅動，因為它可以承受高電流而不發生短路，並且在永磁同步電機（PMSM）的定子繞組上顯示出低的dv/dt電壓[1][2]。使用電流型空間矢量脈寬調制（SVPWM）的CSI控制信號序列是全面的，直接在實際硬件目標上調試具有挑戰性，尤其是在高功率水平下運行時。半實物仿真可以實時仿真CSI操作，並為控制單元提供虛擬目標。這樣可以在安全的環境中測試CSI控制和特殊的PWM外圍配置。
創建具有實時能力的CSI仿真模型的挑戰如下：
•"Number of switching components"開關元件的數量:如果轉換器中有n個獨立的開關，狀態空間描述的數量就會以指數形式增長2 n [3]. 由於每個實時仿真平臺都提供有限的內存來存儲這些計算的狀態空間矩陣，這就對在一定的固定步長內可以模擬多大的拓撲結構造成瞭硬性限制。在一定的固定步長內可以模擬多大的拓撲結構。
•" Simulation accuracy"仿真精度：如果對強制換向的功率轉換器進行仿真，控制PWM信號在每個仿真步驟中采樣一次，仿真可能會變得不準確，因為 脈沖不自然地與仿真步驟相吻合。這個限制可以通過以下方式克服 使用稱為子周期平均的概念[4][5]可以克服這一限制，該概念利用混合轉換器模型而不是單個理想開關。然而，CSI不能用PLECS庫中的任何現有電源模塊來實現，因為它在直流側表現為電流源行為，在相位上表現為電壓源行為。因為它在直流側表現出電流源行為，在相位側表現出電壓源行為。這與傳統的電壓源半橋相反（見[5]中的圖1）。
•" Execution Time"如前所述，“開關元件數量Number of switching components”，模型中獨立開關的數量越大，實時計算消耗的時間越長，因此固定步長越大。然而，步長越大，開關波形的頻譜分辨率越低。為瞭提高在實時平臺上運行的電流互感器模型的性能，將三相電流互感器建模為一個功率模塊，而不是分別建模每個相支路。
該演示模型為CSI引入瞭一個電源模塊，該模塊實時部署在PLECS RT上Box 。控制器和調制器在Texas Instruments F28379D微控制器上實現，嵌入式代碼直接從使用PLECS TI C2000目標支持包的PLECS演示模型生成。
註意：此模型包含可以從以下位置訪問的模型初始化命令：
PLECS Standalone：菜單”Simulation + Simulation Parameters… + Initializations“
PLECS Blockset：Simulink菜單文件"File + Model Properties + Callbacks + InitFcn* "
圖1：電流源逆變器演示模式的頂層示意圖
2 模型（Model）
頂層示意圖包含兩個單獨的子系統，分別表示“Controller” and “Plant”模型，如圖1所示。這兩個子系統都可以從”Edit + Subsystem + Execution settings…“菜單生成代碼。該步驟對於通過PLECS編碼器為子系統生成代碼是必要的。根級上的兩個啟用/禁用塊實現啟用和禁用直流電流源的信號以及轉換器的開關動作。在使用啟動板接口板上的dip開關實時設置模型時，可以實現相同的操作，請參閱第3節。
2.1 Plant
為瞭關註具有電流型SVPWM調制的CSI的性能，使用瞭圖2中具有RL負載的CSI的簡化應用示例。電氣規范列於表1中。CSI的基本操作包括以這樣的方式驅動開關，以使相位輸出電流的基本原理以正弦方式變化。最常用的調制策略是電流型SVPWM。
圖2：對稱RL負載的電流源逆變器電源電路
表1:CSI系統規范
CSI電源模塊（CSI Power Module）
本節介紹瞭CSI功率模塊的分析（圖3）。功率模塊的結構如圖4所示，灰色區域表示數值模型的計算。圖4的左側連接到外部直流電流源，電流流入直流+端子並流出直流端子。
圖3：電流源逆變器的開關模型
圖4：電流源逆變器功率模塊
和直流端子外。直流側電流顯示出電感或電流源行為，因此可以用電流表進行測量（圖4中的 i_{dc} ）。由於每個相支路都有一個與二極管串聯的IGBT，因此電流方向在每個相支路中都受到唯一的約束。根據瞬時相電壓空間矢量位於12個扇區中的哪個扇區，可以確定6個二極管的開關狀態。與時間平均開關信號（ bar{s}_{1} 至s bar{s}_{6} ）一起，可以導出六相支路電流的有效接通時間（ bar{s}_{1}^{*} 至 bar{s}_{6}^{*} ）。將二極管的自然換向包括在CSI功率模塊邏輯內部意味著可以簡化整個系統模型的代碼生成過程。
在右側，A相和B相的逆變器電流被建模為受控電流源（圖4中的 i_{a} 和 i_{b} ）。這些值可以根據以下方程計算，這些方程取決於直流側測量的電流和每個相支路的有效導通時間：
i_{a} = i_{dc} · (bar{s}_{1}^{*}-bar{s}_{2}^{*})
i_{a} = i_{dc} · (bar{s}_{3}^{*}-bar{s}_{4}^{*})
註意，經典CSI拓撲不具有中性點連接。因為三個星形連接的相電流加起來為0，所以隻需要兩個電流源就可以完全確定所有相電流。否則，使用第三個電流源會導致“源條件不一致/inconsistent source condition”。
根據測量的交流側相間電壓（ v_{ab} 和 v_{bc} ）和有效導通時間 bar{s}_{1}^{*} 至 bar{s}_{6}^{*} ，將直流側電壓建模為受控電壓源（ v_{dc} ），如下方程所示：
在CSI功率模塊中也考慮瞭故障檢測方案。當沒有閉合路徑來維持電流時，與外部直流電流源串聯的IGBT（見圖4）關閉。該計算是在圖4的灰色區域內實現的，基於時間平均的開關信號（ bar{s}_{1}^{*} 到 bar{s}_{6}^{*} ）。這意味著：
bar{s}_{1}+ bar{s}_{3}+bar{s}_{5} > 1
bar{s}_{2}+ bar{s}_{4}+bar{s}_{6} > 1
必須在模擬過程中始終滿足，否則桌面PLECS模擬或RT Box將停止並拋出錯誤。
2.2 控制器(Controller)
“Controller”子系統如圖5所示。由於逆變器具有無源RL負載，因此會為逆變器生成隨機PLL角度。接下來，生成abc域中的逆變器電流參考，並將其饋送至CSI調制器。調制器在C腳本塊中實現，以計算每個開關的調制指數以及序列信號。這些信號被傳遞到PWM（CSI）塊。註意，該塊不是本機C2000 TSP庫組件，而是僅用於CSI調制方案的特定實現。對於每個PWM模塊，該模塊僅輸出激活狀態為邏輯高電平（“1”）的通道A。“序列/Sequence”端子接收控制信號，以將PWM序列設置為正或負。正序是指PWM計數器0處的第一個激活狀態，然後是PWM計數器最大值附近的非激活狀態，然後是計數器0處的激活狀態。反之亦然。“消隱時間/Blanking time”字段為0，因為在C腳本調制器中確保瞭這種類型的CSI中所需的開關之間的實時時間。
圖5:RL負載下CSI的開環控制器模型
CSI調制方案（CSI Modulation Scheme）
CSI的調制方案非常類似於使用電流型SVPWM方法的電流源整流器（也稱為bucktype整流器）。唯一的區別是，降壓型整流器可以通過外部續流二極管執行續流狀態，然而，CSI需要在一個相位中閉合上下開關，以便續流直流電流。
一旦確定瞭每個開關狀態的停留時間，就有各種方法來安排一個開關周期內的開關狀態序列。[6]的圖4“方法1”詳細分析瞭降壓型整流器的對稱調制方法。根據[6]和[7]，這種調制方法表現出較小的濾波電容器電壓紋波，因此在本演示中，它被選為用於CSI的調制序列。圖6描繪瞭扇區1中4個有源開關的選通信號（其中相-中性點電壓 v_{a}>0>v_{b}>v_{c} ）。可以看到 S_{a} +和 S_{b} +， S_{b} − 和 S_{c} − 具有完全相反的PWM序列。請註意，此處未顯示扇區1期間始終關閉的信號。圖7顯示瞭扇區1三相端子處的相應調制逆變器輸出電流。這些PWM形逆變器電流隨後通過LC濾波器進行濾波，以獲得開關周期平均電流值。因此，電阻負載電流具有三相正弦形式。
圖6:CSI在扇區1下的開關信號序列
圖7:LC濾波器前的調制三相逆變器輸出電流
3 仿真（Simulation）
除瞭在計算機上以脫機模式運行此演示模型的模擬外，“Controller”子系統還可以直接轉換為TI 28379D啟動板的目標特定代碼[8]。典型的HIL配置如圖8所示，其中評估套件TI 28379D啟動板（紅板）通過RT Box啟動板接口（綠板）連接到RT Box。
3.1 構建步驟並啟用操作（Build steps and enable operation）
按照以下說明將“Controller”子系統上載到TI MCU。
- 通過USB電纜將MCU連接到主機。
- 從”Coder + Coder options…“窗口的”System“選項卡中，選擇“Controller”。
- 接下來，從”Target“選項卡中，從下拉菜單中選擇目標TI2837xS。然後在“General”選項卡下，選擇所需的”“Build type“。
- 然後，為瞭直接從PLECS中構建和編程MCU，選擇Run from RAM作為”Build configuration“來編程MCU。然後選擇LaunchPad作為“Board”類型，點擊“Build”。
- 構建後，從”Coder options…“窗口的"External Mode"選項卡，"Connect"到MCU和"Activate autotriggering"激活自動觸發以實時觀察測試結果。
- 點擊"Activate autotriggering"激活自動觸發後，在此演示模型中，"Trigger channel"觸發通道預設為[CSI調制器：1]，表示逆變器扇區號。
- "Decimation"抽取在這裡設置為5，因此可以通過配置的"Number of samples"樣本數看到一個線路周期內的實時波形。
如果編程正確，啟動板上的紅色LED“D9”應閃爍。
註意：如果使用RT-Box啟動板接口板，請確保RST跳線在整個模擬過程中處於打開狀態。
按照以下說明在RT Box 上運行實時“Plant”模型。
圖8:HIL驗證的硬件設置
- 從”Coder + Coder options…“窗口的”System“選項卡中，選擇“Plant”並將其“Build”放到RT Box中。
- 上傳模型後，從”Coder options…“窗口的"External Mode"選項卡，連接到RT Box和"Activate autotriggering"以實時觀察測試結果。
- 點擊"Activate autotriggering"後，可以將"Trigger channel"觸發通道設置為特定信號，以便在“Trigger level”觸發級別和“Trigger delay [steps]”觸發延遲步驟下，示波器上的運行波形可以在“Sensitivity”靈敏度條件下更穩定地觸發。在該演示模型中，預先設置瞭[R4：電阻電流]的特定觸發條件，以確保實時仿真波形可以同步疊加在PLECS離線仿真之上。
如果編程正確，與RT Box啟動板接口板的“DO-31”對應的LED應閃爍。
- 將RT Box啟動板接口板上的開關“DI-29”從“Low”切換到“High”，以從MCU捕獲活動PWM。將開關“DI-29”從“High”切換回“Low”應進入安全關閉狀態，在此狀態下，隻有A相大腿和小腿處於打開狀態，所有其他開關處於關閉狀態。
- 將RT Box啟動板接口板上的開關“DI-28”從“Low”切換到“High”，以使“Plant”子系統中的直流電壓源達到標稱輸入電壓。將開關“DI-28”從“High”切換回“Low”應禁用直流電壓源。
- 首先將“DI-29”切換至“High”，然後將“DI-28”切換至“High”，將在正常操作模式下啟用CSI。
- 要停止CSI操作，首先將“DI-28”切換到“Low”，然後將“DI-29”切換到“Low”。
在RT Box上運行的“Plant”子系統內，模擬電壓和電流按比例轉換為模擬信號，並通過RT Box 前面板上的模擬輸出連接器傳輸。這些模擬信號由RT-Box啟動板接口板和
路由到TI啟動板的ADC輸入引腳。註意，由於此演示顯示瞭開環操作中的CSI，因此“Controller”子系統中沒有ADC塊。在實際閉環應用中，MCU然後處理這些模擬信號以生成PWM開關信號，這些信號通過數字輸入引腳傳輸到RT Box。
3.2 PLECS離線與實時仿真結果( PLECS offline vs. real-time simulation results)
為瞭將PLECS仿真結果與實時仿真波形進行比較，需要事先運行PLECS離線仿真，並且軌跡保留在“工廠”子系統內的范圍內。逆變器相電流、線到中性相電壓和負載電流的仿真結果如圖9中的虛線波形所示。在RL負載下可以觀察到對稱的三相正弦電流。
左側的放大重點放在相電壓扇區從12變為1的幾個開關周期上。對於扇區1的一個開關周期，可以看到在虛線波形中生成的6個理想PWM信號（s1到s6，從上到下）對應於圖6所示的序列。右側的放大顯示瞭在vb>0>vc>va的扇區5處恰好一個開關周期（Tsw=1/20 kHz=50µs）的相位A的特寫波形。在兩個放大捕捉中，可以看到具有理想開關電流和電壓的理想選通信號。
圖9:PLECS模擬和RT-Box實時模擬的實驗結果比較
接下來，讓實時模擬按照上述步驟運行。一旦兩個實時目標都在運行，”Connect“到RT Box並”Activate autotriggering“激活自動觸發，[R4：電阻電流]被選為具有預設觸發點的”Trigger channel“觸發通道。與使用可變步長解算器的PLECS離線模擬的虛線參考波形相比，實時模擬波形在圖9中疊加為實心波形。實時仿真結果與參考解吻合良好。
”Plant "模型以固定的步長Tdisc.plant=3µs進行離散。生成的C代碼被建立在 在PLECS RT Box上，每一個實時步驟平均需要2µs的執行時間。“Controller "模型在MCU上運行，時間步長等於開關周期，這意味著Tdisc.ctrl = 50 µs。當連接到”External Mode“時，MCU的中斷執行時間可由 "Controller "模型內的CPU負載塊動態顯示，約為37%。
請註意，在扇形交叉點周圍的輕微逆變器輸出電壓失真（見圖9左側的放大圖 在HIL仿真中觀察到輕微的逆變器輸出電壓失真（見圖9左側的放大圖），而在PLECS離線仿真中則沒有觀察到，因為理想的 扇形交叉點的PWM模式被模擬出來。事實上，先進的調制方案，建議在 圖7(b)[9]中提出的高級調制方案已經在控制器模型中實現，以緩解這個問題。然而 如[9]中的圖9所建議的，在扇形交叉瞬間對PWM模式的特殊處理。在控制器模型中不容易實現自動嵌入代碼的生成。
4 結論（Conclusion ）
該模型演示瞭一個電流源反相器，它支持TI公司的嵌入式代碼生成。C2000單片機。它既可以在離線PLECS仿真中運行，也可以在實時操作中運行。這個 演示模型是基於以前發表的會議論文[10]。
References
- [1] M. Salo and H. Tuusa, “Vector-controlled PWM current-source-inverter-fed induction motor drive with a new stator current control method”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 52, no. 2, pp. 523-531, April 2005.
- [2] S. A. Richter, B. Bader and R. W. De Doncker, “Control of a high power PWM current source rectifier”, 2010 International Power Electronics Conference – ECCE ASIA, June 2010, pp. 1287-1292.
- [3] J. Allmeling and W. Hammer, “PLECS – piece-wise linear electrical circuit simulation for Simulink”, Proceedings of the IEEE 1999 International Conference on Power Electronics and Drive Systems. PEDS’99 (Cat. No.99TH8475), vol. 1, July 1999, pp. 355-360.
- [4] J. Allmeling and N. Felderer, “Sub-cycle average models with integrated diodes for real-time simulation of power converters”, 2017 IEEE Southern Power Electronics Conference (SPEC), Dec 2017, pp. 1-6.
- [5] J. Allmeling, N. Felderer and M. Luo, “High Fidelity Real-Time Simulation of Multi-Level Converters”, 2018 International Power Electronics Conference (IPEC-Niigata 2018 -ECCE Asia), May 2018, pp. 2199-2203.
- [6] M. Baumann, T. Nussbaumer and J. W. Kolar, “Comparative evaluation of modulation methods of a three-phase buck + boost PWM rectifier. Part I: Theoretical analysis”, IET Power Electronics, vol. 1, no. 2, pp. 255-267, June 2008.
- [7] T. Nussbaumer, M. Baumann and J. W. Kolar, “Comparative evaluation of modulation methods of a three-phase buck + boost PWM rectifier. Part II: Experimental verification”, IET Power Electronics, vol. 1, no. 2, pp. 268-274, June 2008.
- [8] TI C2000 Delfino MCUs F28379D LaunchPad Development Kit, URL: http://www.ti.com/tool/LAUNCHXL-F28379D.
- [9] T. Nussbaumer and J. W. Kolar, “Improving Mains Current Quality for Three-Phase Three-Switch Buck-Type PWM Rectifiers”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 21, no. 4, pp. 967-973, July 2006.
- [10] S. Zhao, N. Felderer and J. Allmeling, “Real-Time Simulation of Three-Phase Current Source Inverter using Sub-Cycle Averaging Method,” 2020 IEEE 21st Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL), Aalborg, Denmark, Nov. 2020, pp. 1-6.
Revision History: C2000 TSP 1.2.3 First release
創作聲明：以上的文章內容所有權屬於瑞士商Plexim GmbH所有, 授權英富美(深圳)科技有限公司提供翻譯與發表, 未經所有權人允許前, 不得將其內容與相關文件檔案另用於營利用途.
英富美(深圳)科技有限公司
TEL: 0755-82921614
Email: [email protected]
微信公眾號: plecs_cn