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電力驅動(dòng)系統逆變器實(shí)時(shí)仿真
摘要：介紹了采用實(shí)際控制器輸出的PWM開(kāi)關(guān)邏輯信號定義正、負半橋開(kāi)關(guān)函數，建立逆變器的Simulink實(shí)時(shí)模型。該模型既可實(shí)現電力驅動(dòng)實(shí)時(shí)仿真系統中逆變器與電機模型的解耦，又可以確定逆變器開(kāi)關(guān)死區時(shí)間。還給出了基于dSPACE實(shí)時(shí)仿真環(huán)境的逆變器-異步電機實(shí)時(shí)仿真系統的實(shí)現方法，針對開(kāi)關(guān)頻率為1kHz的逆變器，采樣周期為11μs的實(shí)時(shí)仿真與仿真步長(cháng)為100ns的離線(xiàn)仿真結果無(wú)明顯差別。在交通和某些工業(yè)領(lǐng)域中的電力驅動(dòng)系統的研制過(guò)程中，直接使用實(shí)際電機系統對新的控制器進(jìn)行測試，實(shí)現起來(lái)比較困難，而且費用較高。因此，需要介于離線(xiàn)仿真和實(shí)機試驗之間的逆變器-交流電機實(shí)時(shí)仿真器，與實(shí)際控制器硬件相連，在閉環(huán)條件下對實(shí)際控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)測試。由于這種實(shí)時(shí)仿真系統回路中有實(shí)際控制器硬件介入，因此被稱(chēng)為硬件在回路仿真（Hardware-in-the-Loop Simulation）。
盡管在真實(shí)系統上進(jìn)行試驗是必不可少的，但是由于采用實(shí)機難以進(jìn)行極限與失效測試，而采用實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)仿真器可作為快速控制原型（Rapid Control Prototyping）的虛擬試驗臺，在電機、逆變器、電源和控制器需要同時(shí)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
由于目前數字計算機處理速度的限制，不能實(shí)現亞微秒級物理模型實(shí)時(shí)仿真，需要對逆變器開(kāi)關(guān)過(guò)程進(jìn)行理想化處理，因此引入了離散事件系統。離散事件逆變器子系統與連續時(shí)間電機子系統耦合，使變流器-電機實(shí)時(shí)仿真器成為變因果和變結構系統。變因果是指離散開(kāi)關(guān)事件發(fā)生前后，描述連續時(shí)間電機子系統的動(dòng)態(tài)方程的輸入變量與輸出變量會(huì )變換位置；變結構是指在仿真進(jìn)程中，離散開(kāi)關(guān)事件引發(fā)狀態(tài)轉換，使連續系統結構發(fā)生變化。因而需要對動(dòng)態(tài)方程不斷地進(jìn)行調整和初始化[1]。
框圖建模工具Simulink是控制工程仿真的工業(yè)標準，但Simulink本質(zhì)上是一種賦值運算，由其方框圖描述的系統是因果的。為了能應用Simulink建模工具，應該使變流器-電機實(shí)時(shí)仿真系統解耦為兩個(gè)獨立子系統，以消除變因果、變結構問(wèn)題。
作為功能性建模方法之一的開(kāi)關(guān)函數，可用于確定變流器開(kāi)關(guān)器件電壓與電流波形計算，以便進(jìn)行系統優(yōu)化設計。它在變流器的離線(xiàn)仿真中已得到成功的應用[2～3]。本文應用文獻[2]
的開(kāi)關(guān)函數描述法，采用實(shí)際控制器輸出的PWM開(kāi)關(guān)邏輯信號定義正、負半橋開(kāi)關(guān)函數，建立逆變器的Simulink模型。該模型既可實(shí)現實(shí)時(shí)仿真系統中逆變器與電機模型的解耦，又可以確定逆變器設置的開(kāi)關(guān)死區時(shí)間，防止同一橋臂開(kāi)關(guān)管直通。文中還將給出基于dSPACE實(shí)時(shí)環(huán)境的逆變器-異步電機開(kāi)控制系統實(shí)時(shí)仿真的實(shí)現方法和結果。
圖2 逆變器系統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(gè)開(kāi)關(guān)管和6個(gè)與開(kāi)關(guān)管反向并接的續流二極管組成，見(jiàn)圖1。采用實(shí)際控制器輸出的6個(gè)PWM開(kāi)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(kāi)關(guān)函數：
Sfap=1·×a ,SFbp=1×b ,SFcp=1×c
和負半橋開(kāi)關(guān)函數：
SFan=1×a-,SFbn=1×b-，SFcn=1×c-。
則全橋開(kāi)關(guān)函數為：
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(diǎn)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(xiàn)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)為電機三相繞組中點(diǎn)n與直流電流中點(diǎn)o之間的電壓。
正半橋a,b,c相開(kāi)關(guān)器件電流為：
is1=ia×Sfap,is3=ib×SFbp,is5=ic×SFcp
負半橋a,b,c相開(kāi)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(kāi)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、負半橋開(kāi)關(guān)管和續流二極管電流。據此，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(shí)時(shí)仿真系統實(shí)現
著(zhù)名的機電控制系統開(kāi)發(fā)平臺較是基于MATLAB/Simulink/Real-Time Workshop[4～5]開(kāi)發(fā)的dSPACE實(shí)時(shí)系統。本文的相關(guān)課題選用單板dSPACE系統DS1103。
圖3 宿主計算機/目標計算機結構
DS1103采用32位精簡(jiǎn)指令集處理器PowerPC 604e進(jìn)行浮點(diǎn)運算。精簡(jiǎn)指令集處理器采用小指令集、多寄存器結構，指令執行簡(jiǎn)單快速；統一用單周期指令，克服了復雜指令集處理器周期指令有長(cháng)有短，造成運行中偶發(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(shí)時(shí)計算都是由DS1103獨立執行，而dSAPCE的試驗工具軟件則并行運行于PC主機上。宿主計算機/目標計算機結構如圖3所示。
Real-Time Interface(RTI)是dSPACE系統的實(shí)時(shí)實(shí)現軟件，它對實(shí)時(shí)代碼生成軟件Real-Time Workshop進(jìn)行擴展，集成了dSPACE系統I/O硬件實(shí)時(shí)模型，可實(shí)現從Simulink模型到dSPACE系統實(shí)時(shí)C代碼的自動(dòng)生成同，生成的實(shí)時(shí)代碼包括實(shí)時(shí)內核和應用代碼[6]。RTI還根據信號和參數產(chǎn)生一個(gè)
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