0 引言

    逆變器作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口，承擔(dān)著核心電能變換和控制的作用,，同時(shí)是系統(tǒng)中極易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié),，系統(tǒng)能否向電網(wǎng)或負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)的電能，逆變器起到至關(guān)重要的作用^[1-3],。為了確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行,，提高電能質(zhì)量，逆變器的故障診斷尤為重要,，因此近些年逆變器的故障診斷研究成為了國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn),。TMS320F28335 DSP作為TI公司推出的32位浮點(diǎn)數(shù)字控制處理器，其主頻150 MHz,，具有外設(shè)豐富,、性價(jià)比高、存儲(chǔ)空間大,、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)^[4-5],，一直被用作逆變器智能控制及故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)的核心控制器。

    逆變器系統(tǒng)是典型的相互依賴,、錯(cuò)綜復(fù)雜的混雜系統(tǒng)^[6],，傳統(tǒng)的DSP系統(tǒng)的代碼編程費(fèi)時(shí)費(fèi)工、效率低,。Mathworks公司和TI公司聯(lián)合推出TSP工具,，使得在Simulink環(huán)境下即可進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)建模,、仿真,、代碼生成及調(diào)試工作，大大提高了工程開發(fā)效率,。本文在逆變器系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)代碼自動(dòng)生成,。

1 代碼生成技術(shù)

    代碼自動(dòng)生成技術(shù)是指用特定的軟件（MATLAB）或者軟件中特定的工具箱，建立目標(biāo)代碼的系統(tǒng)仿真模型，并根據(jù)特定的目標(biāo)配置自動(dòng)生成嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序^[7-8],。

    Embedded Coder是MathWorks公司提供給Simulink用戶針對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的強(qiáng)有力的工具,。TSP TI C2000(Embedded Coder Target Support Package for Texas Instruments C2000 Processors)工具箱由TI公司和MathWorks公司聯(lián)合開發(fā)，可與TI公司的CCS(Coder Composer Studio)集成開發(fā)環(huán)境(IDE)無縫對(duì)接,，是針對(duì)基于C2000系列DSP嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的工具箱^[9-10],。該工具箱提供了DSP外圍資源一對(duì)一的接口模塊，可以將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為可優(yōu)化的,、可移植的,、自定義的產(chǎn)品級(jí)嵌入式C代碼^[11-12]。將模型的信號(hào)源和信號(hào)接收部分模塊替換成I/O端口,，由軟件提供的系統(tǒng).tlc文件負(fù)責(zé)統(tǒng)籌調(diào)用代碼生成的整個(gè)過程,，根據(jù)目標(biāo)配置自動(dòng)生成系統(tǒng)應(yīng)用程序。

    應(yīng)用代碼生成技術(shù)不需要逐句逐行的編寫模型仿真所需要代碼,，并較容易進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試,。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，明顯具有開發(fā)周期短,、費(fèi)用低,、效率高等特點(diǎn)。

2 基于代碼生成技術(shù)的開發(fā)流程

    首先根據(jù)需求確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),，在Simulink平臺(tái)中根據(jù)設(shè)計(jì)思路建立系統(tǒng)仿真模型,；其次，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求設(shè)置模型參數(shù)及仿真環(huán)境,，并植入相應(yīng)的智能算法,，完成配置工作后進(jìn)行模型仿真，在仿真過程中實(shí)時(shí)觀測(cè)仿真結(jié)果,。如若仿真結(jié)果與預(yù)計(jì)結(jié)果有偏差,，則及時(shí)完善仿真模型或參數(shù)設(shè)置并進(jìn)行反復(fù)修正，直至仿真結(jié)果與理論結(jié)果吻合,。仿真完成后對(duì)Simulink模型進(jìn)行目標(biāo)環(huán)境配置,，設(shè)置系統(tǒng)文件及硬件調(diào)試環(huán)境，編譯代碼生成模型,，生成代碼執(zhí)行文件（.out）,，連接硬件調(diào)試板，下載執(zhí)行文件,，運(yùn)行程序,，觀察并測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)。其開發(fā)流程如圖1所示,。

3 三電平逆變器

    三電平逆變器是常見的電力電子電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，由以兩電平變換器的一個(gè)橋臂為基本開關(guān)單元經(jīng)過串并聯(lián)拓?fù)涠?sup>[13],，基本開關(guān)單元為圖2結(jié)構(gòu)，此電路只輸出兩種電平,，通過此基本開關(guān)單元的串聯(lián)或并聯(lián)的形式加以組合,，以達(dá)到輸出端輸出多于兩個(gè)電壓等級(jí)的電壓值?？蓸?gòu)成如圖3所示的三電平逆變器的單相橋臂,，3個(gè)同樣的橋臂并聯(lián)再與直流電源等必要器件相結(jié)合，即可得到三電平全橋逆變器結(jié)構(gòu),。

    對(duì)橋臂上的IGBT按調(diào)制算法規(guī)律進(jìn)行有序的控制,，使IGBT按照固有的規(guī)律工作，即可輸出三電平全橋交流電壓波,。其調(diào)制算法如圖4所示,，正半軸載波和調(diào)制波生成互補(bǔ)的兩列觸發(fā)脈沖，分別觸發(fā)VT₁和VT₃,；負(fù)半軸載波和調(diào)制波生成互補(bǔ)的兩列觸發(fā)脈沖,，分別觸發(fā)VT₂和VT₄。VT₁和VT₂的控制脈沖p1和p2如圖5所示,。輸出線電壓U_ab如圖6所示,，與傳統(tǒng)兩電平逆變器相比，三電平逆變器功率管的耐壓,、容量提高了一倍,，降低了輸出線電壓的du/dt，波形得到明顯改善,，對(duì)比與兩電平線電壓更趨近于正弦波,。

4 三電平PWM代碼生成

    三電平PWM為12路觸發(fā)脈沖，如若在CCS中逐句逐行編寫程序,，則是非常龐大的任務(wù)量,，而且在編程過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要不停地修改和測(cè)試代碼,，需花費(fèi)大量的人力,。為節(jié)約人力和時(shí)間，減少出錯(cuò)率,，提高開發(fā)效率,，利用自動(dòng)代碼生成技術(shù)來生成三電平PWM控制脈沖。建立三電平PWM自動(dòng)代碼生成模型如圖7所示,。

    TSP工具箱中只提供DSP的外圍接口,，需要利用Simulink的其他工具搭建三電平PWM模型,，再由TSP中的Digital Output模塊定義輸出端口^[14-15],。其中PWM模塊來自Simulink>Power Systems>SpecializedTechnology>Control&Measurements>Pulse&Signal Generators,，此模塊為三電平PWM輸出模塊,，設(shè)置頻率,、相位、采樣周期等參數(shù),，使逆變輸出電壓為50 Hz,。三電平PWM輸出有12路脈沖，而每個(gè)Digital Output模塊只提供8個(gè)GPIO接口,，需要用Demux和Mux模塊組合,，用兩個(gè)Digital Output模塊輸出脈沖。圖7中OUT1模塊GPIO0~GPIO7設(shè)置使用,，OUT2模塊GPIO8~GPIO11設(shè)置使用,，如圖8所示，共12路脈沖,，控制IGBT工作,。

    模型建立成功后，設(shè)置目標(biāo)環(huán)境,。打開Simulation>Model Configuration Parameter環(huán)境配置,，在Solver中設(shè)置仿真環(huán)境為離散環(huán)境，Hardware Implementation>Hardware board設(shè)置TI Delfino F2833x目標(biāo)板,，在Code Generation>System target file設(shè)置ert.tlc系統(tǒng)文件,，Toolchain選擇CCS開發(fā)環(huán)境TI CCSV6 C2000，Interface>Code replacement library設(shè)置為TI C28x,。代碼優(yōu)化Code Placement>File packaging format設(shè)置為Compact,，可優(yōu)化生成代碼的邏輯結(jié)構(gòu)，提高代碼的可讀性,。

    以上建模及目標(biāo)環(huán)境配置完成后,，按Ctrl+B組合快捷鍵編譯模型，或者在模型工具欄中找到編譯工具點(diǎn)擊編輯模型,，如若模型設(shè)計(jì)及環(huán)境配置無誤,，即可生成.out執(zhí)行文件，此文件可由CCS下載到DSP中運(yùn)行,。

    從整個(gè)設(shè)計(jì)過程來看,，DSP開發(fā)人員只需在MATLAB中進(jìn)行Simulink模型設(shè)計(jì)、構(gòu)建,、仿真及目標(biāo)環(huán)境配置,，替代了編寫、調(diào)試DSP代碼的復(fù)雜過程,，減低了出錯(cuò)率,，提高了工作效率,。

5 系統(tǒng)測(cè)試

    本文設(shè)計(jì)了以TI公司的TMS320F28335為主控芯片的逆變器系統(tǒng)，系統(tǒng)由PC,、電源,、電源擴(kuò)展模塊、光電隔離模塊,、核心控制模塊,、逆變模塊等組成。該系統(tǒng)中逆變器結(jié)構(gòu)可從兩電平—三電平的結(jié)構(gòu)拓?fù)?，并可以提供逆變器結(jié)構(gòu)性故障全模式,，可進(jìn)行逆變器智能控制及故障診斷技術(shù)的研究。

    連接各模塊組建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),，所有硬件電路接電等待開啟,。將自動(dòng)生成的三電平PWM可執(zhí)行.out文件下載到DSP芯片并運(yùn)行，開啟所有電路電源開關(guān),，觀測(cè)脈沖信號(hào)和逆變器輸出線電壓波形,。觀測(cè)到VT1和VT2的控制脈沖波形如圖9所示，與圖5仿真結(jié)果吻合,。

    示波器顯示波形如圖10所示,。對(duì)比圖10與圖6，可看出示波器波形與仿真結(jié)果完全吻合,。

6 結(jié)論

    針對(duì)工作在高頻狀態(tài)下的典型混雜系統(tǒng)——逆變器系統(tǒng)的智能控制及故障診斷的DSP代碼開發(fā)周期長,、效率低、實(shí)現(xiàn)比較繁瑣的問題,，提出基于代碼生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方法,。介紹了代碼生成技術(shù)及其開發(fā)流程，并以三電平PWM代碼生成為例展開說明,，最后在逆變器實(shí)物系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)三電平PWM代碼的調(diào)試,。結(jié)果證明，該方法簡單實(shí)用,、開發(fā)周期短,、錯(cuò)誤率低、效率有明顯提高,。為逆變器智能控制及故障檢測(cè)與診斷算法實(shí)踐驗(yàn)證提供了方便,，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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作者信息：

安永軍,，帕孜來·馬合木提

（新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047）