1引言

半实物技术是将部分实物引入到仿真回路的一种仿真技术，在半实物仿真过程中，数学模型精度较高的部分或者难以用实物代替的部分，用数学模型在计算机运行；部分实物或物理模型直接引入到仿真回路，从而提高仿真的置信水平。因此半实物仿真成了主要的发展方向^[1]。

半实物实时仿真包括快速控制原型（采用“虚拟控制器＋实际对象”方式）和硬件在环（采用“实际控制器＋虚拟对象”方式）两种形式，主要应用于电力电子系统控制器软件的开发过程 ^[2-3]。无线电能传输技术（wireless power transfer，WPT）系统相关实践教学课程的开发与实践，可以突破传统电力电子与控制实验教学的模式，激发学生的学习动力，可以提高学生对基本电路的理解和应用的能力。

2. 构建FPGA硬件在环仿真

首先在Matlab/Simulink环境下搭建WPT系统拾取侧DC-DC电路建模, 副边串联谐振网络将拾取到的高频谐振能量，经整流滤波及Boost升压电路，形成输出电压恒定的电源系统，系统的稳压采用闭环控制，控制器采用PI控制器。硬件在环仿真（FIL）设计是将实物FPGA引入虚拟主电路中（本文为副边拾取侧Boost电路），验证实物控制器对系统的控制效果。通过基于Matlab\Simulink仿真环境下设计稳压闭环PID控制器算法，并将其转换为Verilog HDL代码而下载至FPGA中运行。再通过以太网完成FPGA控制器与计算机Matlab软件数据传输，实现一种虚拟电路与实物控制器相结合的半实物仿真设计。

本次实验采用的FPGA主控芯片是Intel公司旗下Altera EP4C10系列，封装为BGA256，内置10K逻辑单元，其高速的运算能力极大的缩短了仿真周期。为了验证FPGA控制器的仿真效果以及整个系统的正确性，可结合Boost升压拓扑模型进行在环仿真测试，其仿真步骤如下：

（1） 在Matlab\Simulink仿真环境下搭建Boost升压电路模型和PID控制算法模型。

（2） 在Matlab命令窗口中发送hdlsetuptoolpath命令，将FPGA合成软件Quartus II添加到Matlab路径中。

（3） 离散化仿真模型，做好数据处理。

（4） 使用Matlab环境下HDL Code实现控制器算法模块的代码转换。

（5） 配置Verification Wizards参数，并将生成的代码封装在FIL模块中。

（6）  把生成的FIL模块复制到Simulink仿真环境中代替控制模块子系统。

（7） 打开FPGA板电源，利用JTAG串口将Verilog可执行文件烧写至FPGA板中。

（8） 在Matlab命令窗口中发送ping命令，用以太网实现FPGA与计算机的连接。

（9） 运行仿真环境，对比半实物仿真与全虚拟仿真波形。

3.稳压仿真验证  

按照前面对无线电能传输系统进行基于FPGA控制器的在环仿真建模的分析与设计，得到系统的在环仿真模型，将虚拟仿真环境下的控制器转换为FIL在环仿真模块，并加载转换后的代码烧写进FPGA控制器，通过以太网实现PC端与FPGA的数据传输（速率可到10-100Mbps）。

现通过实时仿真对其进行验证，系统Boost采用的参数，：输入电压Vin=50 V；电感L=20μH，电容C=500μF，开关频率=70kHz，负载RL =5Ω，输出电压Vo=100/V。

仿真结果如图1所示：

图1 Boost系统稳压测试

从图1中可以看到，稳压系统在基于主控芯片FPGA的PID控制器的调节作用下，系统经过20ms左右进入稳态，超调较小（0.5%），输出电压稳定在100±0.04V，稳压精度良好。实物控制器FPGA与PC端进行了正常通信，能够实现良好的控制。

为了测试系统动态稳定性，在0.05s将负载R由5欧切换为2.5欧，如图1所示，系统在0.05s切换时刻，输出电压有轻微超调，但是很快稳定在100V，系统控制效果良好。通过以上实验，证明了“实物控制器+虚拟对象”的可行性，验证了控制器的算法有效性。通过在环仿真，验证了实物控制器的算法，有利于加快纯实物系统的研发进度；此外，也有利于降低系统开发测试成本和风险。

4.结论

WPT是一类典型的复杂电力电子系统，而且副边拾取侧能量具有明显的非线性、快时变特点。本文提出的基于FPGA的副边拾取侧Boost电力电子半实物仿真平台，验证了“实物控制器+虚拟主电路”的有效性，充分利用FPGA的并行计算能力，克服全实物仿真和数字仿真的缺点，可推广用于无限电能传输系统主电路设计论证，控制策略与算法的验证，可以缩短无线电能传输系统的产品设计与开发周期，降低实验风险。

参考文献

[1]郑国,杨锁昌,张宽桥. 半实物仿真技术的研究现状及发展趋势[J]. 舰船电子工程,2016,36(11):8-11.

[2]许为,应婷,李卫红. 电力电子半实物仿真技术及其发展[J]. 大功率变流技术,2014(06):1-5.

[3]王坚. 电力电子系统硬件在回路仿真技术的探讨[J]. 大功率变流技术,2011(02):1-5+21.

作者简介：张路（1986-），男，重庆人，博士，研究方向：无线电能传输及控制技术。