敘述電力驅(qū)動系統(tǒng)逆變器實時仿真

1、敘述電力驅(qū)動系統(tǒng)逆變器實時仿真            摘要：介紹了采用實際控制器輸出的PWM開關(guān)邏輯信號定義正、負半橋開關(guān)函數(shù)，建立逆變器的Simulink實時模型。該模型既可實現(xiàn)電力驅(qū)動實時仿真系統(tǒng)中逆變器與電機模型的解耦，又可以確定逆變器開關(guān)死區(qū)時間。還給出了基于dSPACE實時仿真環(huán)境的逆變器-異步電機實時仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，針對開關(guān)頻率為1kHz的逆變器，采樣周期為11s的實時仿真與仿真步長為100ns的離線仿真結(jié)果無明顯差別。 關(guān)鍵詞：逆變器 開關(guān)函數(shù) 實時仿真在交

2、通和某些工業(yè)領(lǐng)域中的電力驅(qū)動系統(tǒng)的研制過程中，直接使用實際電機系統(tǒng)對新的控制器進行測試，實現(xiàn)起來比較困難，而且費用較高。因此，需要介于離線仿真和實機試驗之間的逆變器-交流電機實時仿真器，與實際控制器硬件相連，在閉環(huán)條件下對實際控制器進行實時測試。由于這種實時仿真系統(tǒng)回路中有實際控制器硬件介入，因此被稱為硬件在回路仿真（Hardware-in-the-Loop Simulation）。盡管在真實系統(tǒng)上進行試驗是必不可少的，但是由于采用實機難以進行極限與失效測試，而采用實時仿真器可以自由地給定各種測試條件，測試被測控制器的性能，因此實時仿真器可作為快速控制原型（Rapid Control Prot

3、otyping）的虛擬試驗臺，在電機、逆變器、電源和控制器需要同時工作的并行工程中必不可少。圖1 電源-濾波-逆變器-交流電機系統(tǒng)由于目前數(shù)字計算機處理速度的限制，不能實現(xiàn)亞微秒級物理模型實時仿真，需要對逆變器開關(guān)過程進行理想化處理，因此引入了離散事件系統(tǒng)。離散事件逆變器子系統(tǒng)與連續(xù)時間電機子系統(tǒng)耦合，使變流器-電機實時仿真器成為變因果和變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。變因果是指離散開關(guān)事件發(fā)生前后，描述連續(xù)時間電機子系統(tǒng)的動態(tài)方程的輸入變量與輸出變量會變換位置；變結(jié)構(gòu)是指在仿真進程中，離散開關(guān)事件引發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，使連續(xù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。因而需要對動態(tài)方程不斷地進行調(diào)整和初始化1。框圖建模工具Simulink是控制

4、工程仿真的工業(yè)標準，但Simulink本質(zhì)上是一種賦值運算，由其方框圖描述的系統(tǒng)是因果的。為了能應(yīng)用Simulink建模工具，應(yīng)該使變流器-電機實時仿真系統(tǒng)解耦為兩個獨立子系統(tǒng)，以消除變因果、變結(jié)構(gòu)問題。作為功能性建模方法之一的開關(guān)函數(shù)，可用于確定變流器開關(guān)器件電壓與電流波形計算，以便進行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。它在變流器的離線仿真中已得到成功的應(yīng)用23。本文應(yīng)用文獻2的開關(guān)函數(shù)描述法，采用實際控制器輸出的PWM開關(guān)邏輯信號定義正、負半橋開關(guān)函數(shù)，建立逆變器的Simulink模型。該模型既可實現(xiàn)實時仿真系統(tǒng)中逆變器與電機模型的解耦，又可以確定逆變器設(shè)置的開關(guān)死區(qū)時間，防止同一橋臂開關(guān)管直通。文中還將給出

5、基于dSPACE實時環(huán)境的逆變器-異步電機開控制系統(tǒng)實時仿真的實現(xiàn)方法和結(jié)果。圖2 逆變器系統(tǒng)Simulink框圖1 逆變器Simulink模型雙電平三相電壓源型逆變器由6個開關(guān)管和6個與開關(guān)管反向并接的續(xù)流二極管組成，見圖1。采用實際控制器輸出的6個PWM開關(guān)邏輯信號a+，b+，c+；a-，b-，c-定義逆變器a,b,c三相正半橋開關(guān)函數(shù)：Sfap=1·×a+,SFbp=1×b+,SFcp=1×c+和負半橋開關(guān)函數(shù)：SFan=1×a-,SFbn=1×b-，SFcn=1×c-。則全橋開關(guān)函數(shù)為：SFa=Sfap-SFan,S

6、Fb=SFbp-SFbn，SFc=SFcp-SFcn。逆變器輸出端a,b,c與直流電流中點o之間的電壓為：uao=0.5VDC×Sfab，ubo=0.5VDC×SFb,uco=0.5VDC×SFc，其中，VDC為直流環(huán)路電壓。由此得到線電壓為：uab=uao-ubo,ubc=ubo-uco,uca=uco-uao相電壓為：uan=uao-uno,ubn=ubo-uno,ucn=uco-uno。<P1 2 3 下一頁         >式中，un

7、o=(1/3)(uao+ubo+uco)為電機三相繞組中點n與直流電流中點o之間的電壓。正半橋a,b,c相開關(guān)器件電流為：is1=ia×Sfap,is3=ib×SFbp,is5=ic×SFcp負半橋a,b,c相開關(guān)器件電流為：is4=ia×SFan,is6=ib×SFbn,is2=ic×SFcn三相電流為：ia=is1+is4,ib=is3+is6,ic=is5+is2另外開關(guān)電流為：is1=is1_s-is1_D,iS4=is4_D-is4_s直流電流為：iDC=is1+is3+is5其中，is1_s,is1_D,is4_s,is4

8、_D分別為a相正、負半橋開關(guān)管和續(xù)流二極管電流。據(jù)此，可建立逆變器的Simulink框圖模型。圖2（a）(d)分別是逆變器模型頂層和底層的Simulink框圖。2 實時仿真系統(tǒng)實現(xiàn)著名的機電控制系統(tǒng)開發(fā)平臺較是基于MATLAB/Simulink/Real-Time Workshop45開發(fā)的dSPACE實時系統(tǒng)。本文的相關(guān)課題選用單板dSPACE系統(tǒng)DS1103。圖3 宿主計算機/目標計算機結(jié)構(gòu)DS1103采用32位精簡指令集處理器PowerPC 604e進行浮點運算。精簡指令集處理器采用小指令集、多寄存器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行簡單快速；統(tǒng)一用單周期指令，克服了復(fù)雜指令集處理器周期指令有長有短，造成運

9、行中偶發(fā)不確定性，致使運行失常的弊端。DS1103板插入PC機主板的ISA擴展槽中，由PC機提供電源，所有的實時計算都是由DS1103獨立執(zhí)行，而dSAPCE的試驗工具軟件則并行運行于PC主機上。宿主計算機/目標計算機結(jié)構(gòu)如圖3所示。Real-Time Interface(RTI)是dSPACE系統(tǒng)的實時實現(xiàn)軟件，它對實時代碼生成軟件Real-Time Workshop進行擴展，集成了dSPACE系統(tǒng)I/O硬件實時模型，可實現(xiàn)從Simulink模型到dSPACE系統(tǒng)實時C代碼的自動生成同，生成的實時代碼包括實時內(nèi)核和應(yīng)用代碼6。RTI還根據(jù)信號和參數(shù)產(chǎn)生一個變量文件，可以用dSPACE的試驗工

10、具軟件ControlDesk進行訪問7。在功能強大的實時代碼實現(xiàn)軟件RTI與界面友好的試驗軟件ControlDesk支持下，可以很快地實現(xiàn)電力驅(qū)動系統(tǒng)快速控制原型與硬件在回路仿真測試。圖4是采上述的逆變器模型與dSPACE系統(tǒng)I/O硬件模型組建的逆變器-交流電機系統(tǒng)Simulink框圖。圖中下部是逆變器-異步電機系統(tǒng)模型，作為實時任務(wù)T1，模型具有實際控制器的硬件接口，可輸入6路實際的PWM開關(guān)信號，輸出電流、電壓等模擬信號；上部是PWM控制器模型，作為實時任務(wù)T2，模型由DSP控制器F240硬件產(chǎn)生實時PWM信號。T1與T2以異步采樣模式工作，構(gòu)成兩定時器任務(wù)系統(tǒng)。為減少采樣控制器輸出引發(fā)的

11、可變延時造成抖動的影響，設(shè)置T1的采樣速率遠高于T2的采樣速率。3 實時仿真結(jié)果系統(tǒng)仿真是針對某電動汽車電力驅(qū)動系統(tǒng)的，其中逆變器參數(shù)為：PWM開關(guān)頻率fPWM=1kHz，開關(guān)死區(qū)時間=7s；直流電源與濾波參數(shù)為：電池開路電壓Ebo=288V，電源內(nèi)阻Rb=0.03，濾波電容C=10000F；異步電機參數(shù)為：132V，182A，50Hz，45kW，2900rpm；負載轉(zhuǎn)矩=50Nm；交流電源參數(shù)為：相電壓幅值=100V,頻率=50Hz。實時仿真采用Euler數(shù)值積分方法（ODE1），T1采樣周期=11s，T2采樣周期=PWM周期=1ms。圖4 逆變器-交流電機Simulink框圖<P上一

12、頁  1 2 3 下一頁         >圖5是相電壓uan、相電流ia、a相上半橋開關(guān)電流is1、S1開關(guān)管電流is1_s、S1續(xù)流二極管電流is1_D、直流環(huán)路電壓VDC、直流環(huán)路電流iDC、任務(wù)總執(zhí)行時間T1/tTT和T2/tTT的實時仿真波形。圖中還顯示出逆變器的輸出電壓空間矢量的矢端軌跡為正六邊形，并內(nèi)含從零電壓矢量至六邊形頂點的連線；而電機的轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量的矢端軌為圓形。實時仿真系統(tǒng)經(jīng)長時間連續(xù)運行，沒有出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定問題。作為比較，對相同系統(tǒng)參數(shù)的逆變器-交流電機系統(tǒng)進行步長為100ns的離線仿真，并采用與實時仿真相同的Simulink模型（無硬件接口）和數(shù)值積分方