InSolver 求解器使用方法 教程

求解器使用的步骤如下，首先需要搭建基于电路拓扑的Simulink仿真模型，然后将该模型转换为用于部署到FPGA加速运算的bit文件，接着创建实时仿真模型并链接离线模型，最后即可完成实时运行。

在此教程中，将使用InSolver搭建一个三相并网逆变器的测试demo，来讲解使用流程，使用之前需要先安装Insrealm安装包以及Vivado2018.3。

为了方便，建议后续创建的模型都放在同一个文件夹下，由于下面的内容将讲解一个逆变器模型的搭建，因此我们创建一个文件夹，名字为inverter。

创建离线仿真模型

在matlab中进入前面创建的inverter文件夹。

接着点击simulink，并基于自带的空白模型创建一个新的模型即可。

接着按照逆变器的拓扑，使用黑库模型搭建离线仿真模型如下图所示，需要注意的是模型中要插入一个InSolver Config模块。

在之后的步骤中，我们会将此离线模型转换为FPGA比特流文件，其中需要注意以下几点。

1. 模型中必须要有Ground节点。
2. 模型中至少要有一个电感元件和一个电容元件。
3. 模型中的元件的参数不能使用变量，需要填入具体的数值。
4. 模型的电路部分使用Simscape/specialized power system库的模块，或者使用Insrealm/insolver library中的模块，目前specialized power system库中支持的模块包括：

Source类：

• Three-Phase Programmable Voltage Source
• DC Voltage source
• AC Voltage source
• Controlled current source
• Ground

开关类：

• Half bridge
• Universal Bridge的mosfet模式（单相、两相、三相）
• Breaker
• Three-Phase Breaker

无源器件类：

• Series RLC
• Three-Phase Series RLC Branch
• Linear Transformer
• Three-Phase Transformer(Two Windings)
• Three-Phase Transformer(Three Windings)

测量类：

• Voltage Measurement
• Current Measurement
• Three-Phase V-I Measurement

可以添加相应的控制驱动模型，来检验离线模型搭建是否正确。确保离线仿真没有问题之后可以进入下一步骤。

自动生成bit文件

在离线仿真模型搭建完毕后，首先我们双击InSolver Config模块。这个模块是用来设置额定电压、额定电流和FPGA的步长的。其中，额定电压和额定电流值按照实际需求大概值即可（用于定点数定标，确保实际运行时电流电压不超过额定值的100倍，否则会出现数值溢出）。FPGA步长通常设置为50ns即可。综合模式有两种：Minimum step和Maximum capacity，分别用于实现最小仿真步长（纯并行仿真，无资源复用，仿真规模受限）和最大仿真规模（对资源进行时分复用，步长受限）。这里暂时使用Minimum step模式进行生成。

此外，可通过勾选 Advanced Settings 中的 embed InSolver Params 来使能修改电路参数的功能：若勾选该项，则代表不能修改电路参数，需要重新编译比特流文件；不勾选时，修改电路参数后只需点击 Update FPGA Model 按钮即可生效。

然后点击Generate Bitstream按钮，将会由模型文件直接生成verilog文件。转换结束之后，如果是首次运行，会弹出欢迎界面。此时点击Yes ，然后找到前面安装的vivado软件路径，填写在下图所示的输入框中，比如：C:\Xilinx\Vivado\2018.3

点击OK之后会弹出下图所示的界面。对所有的输入输出端口进行一定的映射。一般情况下，使用默认配置即可。表格中各列说明如下

• port_name：端口名字
• port_type：端口类型，比如cpu, digital等
• data_type：端口的数据类型
• direction：端口方向，输入或者输出
• channel：硬件通道。
• 此时需要通过点击 Plugins 按钮来进行数字和模拟通道的映射。点击按钮后，在弹出的窗口中点击 Add Instance 按钮进行配置：数字信号需配置为 di_mux，模拟信号需配置为 ao_mux。需要注意的是，DI_NUM 和 AO_NUM 参数不能修改，否则可能导致编译失败。

做好数字和模拟通道的映射后，在主界面选中相应的通道，点击鼠标右键即可进行通道的配置和清除，配置完成后点击 Process 按钮即可。

生成端口名规则

表格中的port_name由离线模型自动生成，主要包含三类

• 电源输入类

离线仿真中的所有电源都被转换为受控电压源，并接收外部信号的控制。其名字的命名规则为直流电压源会转换为Vdc开头，交流电压源会转换为Vac开头，再根据元件的后缀名字生成一定的后缀。

上图中的Vdc_0就是离线模型中的直流电压源，Vac_3p_0A， Vac_3p_0B，Vac_3p_0C就是三相的交流受控电压源。

• 桥臂IO输入类

离线仿真模型中的所有桥（包括Universal Bridge、ANPC等），都会自动产生相应维度的pwm输入端口，输入端口引脚信息可在FPGA Solver模块中查看。如上图所示的S_0_A_0就是指三相桥A相的上管PWM通道，以此类推。

• 信号输出类

离线仿真中的电压测量、电流测量，会生成相应的输出端口。其中电压测量生成的端口名前缀为Vm，电流测量生成的端口名前缀为Im，如上图所示。

开始编译

点击Process按钮，即可自动开始编译FPGA固件，Build Log会显示编译过程，并且提示编译进度。

完成综合之后，会弹出资源占用的窗口。如果使用的资源超过 80%，会导致比特流文件编译变慢；如果超过 100%，则会编译失败。

完成编译

当编译完成之后，将显示如下图所示的窗口。其中，WNS是FPGA中的时序约束结果，意思是最差的建立时间裕度，如果这个值大于0时，综合出来的结果才是正确的，否则表明编译失败，需要联系客户支持排查问题。

以上步骤完成之后，下面的步骤则需要搭建实时运行的模型，并导入此步骤中创建的模型文件，实现实时运行。

创建实时仿真模型

基于模板创建空白模型

实时模型运行时，电路部分可以用外部控制器来控制（需要连接对应的数字IO和模拟IO，并且设置数字IO的方向为输入）；也可以由RTScale同时完成自己的控制（无需外部接线，将数字IO方向设置为输出即可）。

我们这里以RTScale中同时运行FPGA模型以及CPU控制模型为例，讲解使用流程。首先点击Simulink，然后选择RTScale CPU model template模板创建CPU模型。

添加FPGA模块并链接

然后在模型中添加FPGA Solver模块，选中该模块，点击INSREALM控件组的Link Solver（链接模型）按钮，选择前面步骤中搭建的离线仿真模型，FPGA Solver模块自动完成链接操作并生成相应的输入输出端口，可以在输出侧(out)接口后加一个 bus select 模块查看相应信号，如下图所示。

此时将输入输出的连线部分完善：

• 比如输入直流电压源通过一个constant模块设置电压值
• 交流电压源可以通过sin wave模块设置正弦电压
• 输出则可以插入scope模块查看波形，也可以连接到控制环路上做闭环控制。
• 数字IO的输入输出，直接双击FPGA Solver进行通道的修改，比如这里把六个桥臂的信号引脚依次设置为1/2/3/4/5/6。pwm信号需要使用insrealm/rtscale库中的PWM模块来产生PWM波，且需要设置pwm的输出引脚对应的1/2/3/4/5/6。

  

完整模型如下图所示，搭建了一个三相开环调试的模型，通过给定一个开环的abc调制电压信号，并将输出的调制波分别连接到PWM1控制A相桥臂，连接到PWM2控制B相桥臂以及连接到PWM3控制C相桥臂。而FPGA Solver模块则接受400V的直流电压输入以及三个正弦波作为三相电网电压输入。

除此之外还需要设置RTScale的数字IO引脚方向，在System模块中进行配置，如下图所示。RTScale带有50个双向IO，每5个IO一组，可以在GPIO Direction Setting里面配置为输入或者输出，下图代表GPIO1~GPIO30为输出，GPIO31~GPIO50为输入。需要注意的是，只有配置为输出引脚，PWM模块产生的信号才能连接到管脚上，否则接收来自外部控制器的信号。由于本教程中将使用自己控制自己的模式，因此保持下图配置即可。

实时运行

当模型搭建完成后，点击INSREALM插件下的Build for Monitoring（编译以监控）按钮，此时将执行模型的编译工作，由于此时编译的是纯CPU模型，因此大概只需要十几秒即可，当提示如下界面时表明编译成功。

此时点击connect连接模型，连接成功之后，右下角时间会显示T=0，等待运行模型。此时点击Start即可实时运行模型。

通过双击scope即可查看实时的三相电流波形，如下图所示。这里需要注意的是，由于模型本身的波形是在FPGA以50ns计算的，但是上传到CPU的采样率则没有这么高，默认为10k采样率（在system模块中设置上传速率，推荐不要设置太高，否则通讯量太大会导致波形断续，但不影响模型仿真计算）。因此下图所示的波形中看不到电感电流 纹波，只能看到平均值，这是正常的现象。如果需要看到真实的纹波，则需要借助示波器连接到DAC通道上进行观测。