CN103365234A - 太阳能电池阵列模拟器的压控电流信号发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能电池阵列模拟器的压控电流信号发生器，包括FPGA控制器，其输入输出端与DSP控制器的输入输出端相连，其输出端与D/A转换器的输入端相连，D/A转换器的输出端通过信号处理电路与功率调整电路的输入端相连，功率调整电路的输出端分别与电流取样电路、地址发生器的输入端相连，电流取样电路的输出端与信号处理电路的输入端相连，地址发生器的输出端与FPGA控制器的输入端相连。本发明采用FPGA控制器作为主控芯片，与单片机和DSP控制器相比，FPGA控制器的频率极高，在控制电路中几乎没有信号延迟环节，有效提高了***的动态响应速度，本发明在太阳能电池阵列模拟器的设计中具有良好的应用价值。

Description

太阳能电池阵列模拟器的压控电流信号发生器
技术领域
本发明涉及太阳能电池阵列模拟器参考信号的发生控制领域，尤其是一种太阳能电池阵列模拟器的压控电流信号发生器。
背景技术
太阳能电池阵列模拟器利用电路***来模拟实际所想要得到的太阳能电池阵列的输出特性，大功率复杂光照情况的特性模拟采用数字型太阳能电池阵列模拟器，其基本电路拓扑见图1。由于太阳能电池的输出电流跟随输出电压的变化改变，因此太阳能电池阵列模拟器的设计从本质上讲是设计一个压控电流源，以输出电流为控制量，对功率电路进行闭环控制，从而实现复杂的特性精确模拟。如图1所示，***以功率变换器1为硬件平台，在DSP控制器的作用下使功率变换器的输出模拟在各种不同环境条件下的太阳能电池阵列的输出特性。***的核心控制功能由 DSP控制器完成，用A/D转换器、D/A转换器和DSP控制器构建压控电流信号发生器2，通过参考信号Ir的可编程特性来实现模拟器编程仿真功能。为实现良好输出精度和实时动态性能，要求参考信号具有实时跟踪控制的动态性能和稳态精度。可见，产生高精度、快速响应的参考信号的压控电流信号发生器的设计是数字型太阳能电池阵列模拟器设计中的关键环节。
传统压控电流信号发生器的设计采用查表方式实现，整个控制过程由DSP控制器完成。为提高实时控制性能，必须一定程度的简化数字控制的算法，减小控制器中的计算量，但这样势必会降低跟踪控制精度，因而需要合理分配主控器的运算量，在输出精度和动态实时性能上权衡设计。太阳能电池阵列模拟器要实现良好的闭环控制和实时的模拟功能，需要有精确的采样、良好的滤波和复杂的控制方式，采用上述设计方法，DSP控制器的运算量过大，***响应速度缓慢，实时性较低，无法满足太阳能电池阵列模拟器的高精度输出的快速动态响应要求，需要采用新的实现方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够输出高精度、快速响应的参考信号的太阳能电池阵列模拟器的压控电流信号发生器。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种太阳能电池阵列模拟器的压控电流信号发生器，包括FPGA控制器，其输入输出端与DSP控制器的输入输出端相连，其输出端与D/A转换器的输入端相连，D/A转换器的输出端通过信号处理电路与功率调整电路的输入端相连，功率调整电路的输出端分别与电流取样电路、地址发生器的输入端相连，电流取样电路的输出端与信号处理电路的输入端相连，地址发生器的输出端与FPGA控制器的输入端相连。
所述DSP控制器的输入输出端通过接口电路与内存有用户定义的太阳能电池阵列I/V曲线表格的PC机相连。
所述地址发生器由电压取样电路和A/D转换器组成，电压取样电路的输入端与功率调整电路的输出端相连，电压取样电路的输出端与A/D转换器的输入端相连，A/D转换器的输出端与FPGA控制器的输入端相连。
所述FPGA控制器采用XC2V250芯片，FPGA控制器由时序控制模块、A/D控制模块、波形存储器RAM、D/A控制模块和控制总线接口模块组成，所述控制总线接口模块的输出端分别与时序控制模块、A/D控制模块、D/A控制模块的输入端相连，所述时序控制模块的输出端分别与A/D控制模块、波形存储器RAM、D/A控制模块的输入端相连。
所述控制总线接口模块的输入输出端与DSP控制器的输入输出端相连。
所述A/D控制模块的输入端与A/D转换器的输出端相连，所述A/D转换器采用AD7666芯片。
所述D/A控制模块的输出端与D/A转换器的输入端相连，所述D/A转换器采用AD5551芯片。
由上述技术方案可知，本发明采用FPGA控制器作为主控芯片，与单片机和DSP控制器相比，FPGA控制器的频率极高，在控制电路中几乎没有信号延迟环节，有效提高了***的动态响应速度；此外，本发明直接将电压输出经A/D转换器转换，得到数字输出，作为电流基准表的地址，进行读表。将读到的数据，经D/A转换器变换，获取电流基准，调整恒流控制电路，显著降低了控制的复杂性。因此，本发明在太阳能电池阵列模拟器的设计中具有良好的应用价值。
附图说明
图1是现有数字型太阳能电池阵列模拟器的电路框图。
图2是本发明的电路框图。
图3是本发明中FPGA控制器的电路框图。
图4为本发明的切换频率测试电路的电路图。
图5为图4所测得的瞬态响应波形图。
具体实施方式
一种太阳能电池阵列模拟器的压控电流信号发生器，包括FPGA控制器3，其输入输出端与DSP控制器的输入输出端相连，其输出端与D/A转换器的输入端相连，D/A转换器的输出端通过信号处理电路与功率调整电路的输入端相连，功率调整电路的输出端分别与电流取样电路、地址发生器4的输入端相连，电流取样电路的输出端与信号处理电路的输入端相连，地址发生器4的输出端与FPGA控制器3的输入端相连。如图2所示。电流参考值通过信号处理电路处理，与输出电流进行误差比较处理，经功率调整电路调节电流输出，实现闭环控制，使模拟器的工作点落在所要模拟的太阳能电池阵列输出 I/V 特性曲线上。
如图2所示，所述DSP控制器的输入输出端通过接口电路与内存有用户定义的太阳能电池阵列I/V曲线表格的PC机相连。所述地址发生器4由电压取样电路和A/D转换器组成，电压取样电路的输入端与功率调整电路的输出端相连，电压取样电路的输出端与A/D转换器的输入端相连，A/D转换器的输出端与FPGA控制器3的输入端相连。DSP控制器下载用户定义的太阳能电池阵列 I/V 曲线表格，将所模拟的太阳能电池阵列输出I/V特性曲线进行离散化，按照电压和电流的对照关系做成表格，并将电流值传输给FPGA控制器3，存储在波形存储器 RAM 中。电压取样电路和A/D转换器组成地址发生器4，当电压取样电路采集到电压信号后，送入A/D转换器转换为相应的数字量信号，将量化过后电压序列送入波形存储器RAM中，对波形存储器RAM进行寻址，该序列对应为相应的地址，地址所对应的数据就是电流参考信号的量化序列。由于这些数据为数字量，故再经 D/A 转换器将其转换为电流参考值。当输出电压改变时，地址发生器4的取址数据相应改变，由此可以从波形 存储器RAM 中取出对应的电流参考值。
如图3所示，所述FPGA控制器3采用XC2V250芯片，FPGA控制器3由时序控制模块、A/D控制模块、波形存储器RAM、D/A控制模块和控制总线接口模块组成，所述控制总线接口模块的输出端分别与时序控制模块、A/D控制模块、D/A控制模块的输入端相连，所述时序控制模块的输出端分别与A/D控制模块、波形存储器RAM、D/A控制模块的输入端相连。所述控制总线接口模块的输入输出端与DSP控制器的输入输出端相连，所述A/D控制模块的输入端与A/D转换器的输出端相连，所述D/A控制模块的输出端与D/A转换器的输入端相连。所述A/D转换器采用AD7666芯片，所述D/A转换器采用AD5551芯片。
如图3所示，控制总线接口模块负责FPGA控制器3和DSP控制器之间的通信、数据连接以及DSP控制器对FPGA控制器3的控制，DSP控制器通过控制总线接口模块向FPGA控制器3内部模块输入读、写、初始化、开始采集等控制信号，并将I/V特性曲线表传输给FPGA控制器3。时序控制模块控制FPGA控制器3内部的时序逻辑和采样频率，采样时钟由FPGA控制器3主时钟分频而得，同时本***中采样时钟可根据DSP控制器发出的指令进行相应修改。A/D控制模块控制A/D转换器，可根据DSP控制器发出的控制信号选择不同的采样方式，在连续采样模式下，将采集到的电压数据作为地址进行查表，从波形存储器RAM取出对应的电流参考量，在D/A控制模块的控制下，完成D/A转换。为减少对FPGA控制器3外部资源的控制，波形存储器RAM使用FPGA控制器3片内自带的RAM。由于FPGA控制器3从片内RAM读取数据的速度远大于DSP控制器的处理速度，因此***瞬态性能大为提高。
以下结合图2、3对本发明作进一步的说明。
本发明以要求电流控制精度的为0.1%，***调整的最高切换频率为50kHz为例：
采用 VHDL 语言进行设计，充分利用了 FPGA控制器3 内部的存储器资源，选择FPGA 控制器3内部的波形存储器 RAM 作为数据存储器，存储电流参考数据，可实现快速查表功能。
FPGA控制器3在整个***中完成对A/D转换器的控制，对其采集到的数字信号的处理，以及数据的缓存和串行输出。本发明FPGA控制器3采用XIlINS的Virtex-II系列的XC2V250芯片，该芯片提供了片内提供了432kb块RAM，最高420MHz内部时钟速度。
A/D转换器的位数和转换速度在一定程度上决定了太阳能电池阵列模拟器电压控制精度和控制速度。本发明采用ANALOG DEVICES公司的16位A/D转换器AD7666，其转换速率为500kSPS。对于16位的A/D，量化级数65536级，可见，***的电压测量精度可以达到很高。
D/A转换器的位数和转换速度决定电流控制精度和控制速度。本发明采用采用ANALOG DEVICES公司的14位串行输入、电压输出D/A转换器AD5551，其最高时钟速度为25MHz。
本发明中样机电路稳态输出电流测试数据结果见表1：
表1 稳态输出电流测试数据
 从表1中可以看出，电流控制的最大误差为0.077%，说明电路具有较好的控制精度。
为测试***在50kHz切换频率的调整特性，采用如图4所示的切换频率测试电路测试***的瞬态响应，图5为测试结果，其中通道2为功率管V1控制信号，通道1为样机输出电压波形。
可见，电路可实现50kHz的快速调整，采用本发明，可使太阳能电池阵列模拟器具有良好的瞬态调整能力。

Claims (7)

1.一种太阳能电池阵列模拟器的压控电流信号发生器，其特征在于：包括FPGA控制器（3），其输入输出端与DSP控制器的输入输出端相连，其输出端与D/A转换器的输入端相连，D/A转换器的输出端通过信号处理电路与功率调整电路的输入端相连，功率调整电路的输出端分别与电流取样电路、地址发生器（4）的输入端相连，电流取样电路的输出端与信号处理电路的输入端相连，地址发生器（4）的输出端与FPGA控制器（3）的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池阵列模拟器的压控电流信号发生器，其特征在于：所述DSP控制器的输入输出端通过接口电路与内存有用户定义的太阳能电池阵列I/V曲线表格的PC机相连。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池阵列模拟器的压控电流信号发生器，其特征在于：所述地址发生器（4）由电压取样电路和A/D转换器组成，电压取样电路的输入端与功率调整电路的输出端相连，电压取样电路的输出端与A/D转换器的输入端相连，A/D转换器的输出端与FPGA控制器（3）的输入端相连。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池阵列模拟器的压控电流信号发生器，其特征在于：所述FPGA控制器（3）采用XC2V250芯片，FPGA控制器（3）由时序控制模块、A/D控制模块、波形存储器RAM、D/A控制模块和控制总线接口模块组成，所述控制总线接口模块的输出端分别与时序控制模块、A/D控制模块、D/A控制模块的输入端相连，所述时序控制模块的输出端分别与A/D控制模块、波形存储器RAM、D/A控制模块的输入端相连。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池阵列模拟器的压控电流信号发生器，其特征在于：所述控制总线接口模块的输入输出端与DSP控制器的输入输出端相连。
6.根据权利要求4所述的太阳能电池阵列模拟器的压控电流信号发生器，其特征在于：所述A/D控制模块的输入端与A/D转换器的输出端相连，所述A/D转换器采用AD7666芯片。
7.根据权利要求4所述的太阳能电池阵列模拟器的压控电流信号发生器，其特征在于：所述D/A控制模块的输出端与D/A转换器的输入端相连，所述D/A转换器采用AD5551芯片。
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