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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(fù)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(jī)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(jī)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11μs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。在交通和某些工業(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(jī)系統(tǒng)對新的控制器進(jìn)行測試，實現(xiàn)起來比較困難，而且費(fèi)用較高。因此，需要介于離線仿真和實機(jī)試驗之間的逆變器-交流電機(jī)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(jìn)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(jìn)行試驗是必不可少的，但是由于采用實機(jī)難以進(jìn)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 Prototyping）的虛擬試驗臺，在電機(jī)、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(jī)系統(tǒng)
由于目前數(shù)字計算機(jī)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(jìn)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(jī)子系統(tǒng)耦合，使變流器-電機(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)行調(diào)整和初始化[1]。
框圖建模工具Simulink是控制工程仿真的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但Simulink本質(zhì)上是一種賦值運(yùn)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(jī)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(jìn)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[2～3]。本文應(yīng)用文獻(xiàn)[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(fù)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(jī)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。文中還將給出基于dSPACE實時環(huán)境的逆變器-異步電機(jī)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(fù)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,SFb=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。
式中，uno=(1/3)(uao ubo uco)為電機(jī)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(fù)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_D分別為a相正、負(fù)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(jī)電控制系統(tǒng)開發(fā)平臺較是基于MATLAB/Simulink/Real-Time Workshop[4～5]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(jī)/目標(biāo)計算機(jī)結(jié)構(gòu)
DS1103采用32位精簡指令集處理器PowerPC 604e進(jìn)行浮點運(yùn)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(yùn)行中偶發(fā)不確定性，致使運(yùn)行失常的弊端。
DS1103板插入PC機(jī)主板的ISA擴(kuò)展槽中，由PC機(jī)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(yùn)行于PC主機(jī)上。宿主計算機(jī)/目標(biāo)計算機(jī)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(jìn)行擴(kuò)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
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