《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電力驅(qū)動系統(tǒng)逆變器實時仿真

2008-09-26
作者:盧子廣 柴建云 王祥珩

  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" title="半橋">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" title="實時仿真">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)" title="實時仿真系統(tǒng)">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的離線仿真的結(jié)果無明顯差別。

  關(guān)鍵詞: 逆變器? 開關(guān)函數(shù)? 實時仿真

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  在交通和某些工業(yè)領(lǐng)域中的電力驅(qū)動系統(tǒng)" title="驅(qū)動系統(tǒng)">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的介入,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 Prototyping)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。

  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是控制工程仿真的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),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[2~3]。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(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" title="開關(guān)管">開關(guān)管直通。文中還將給出基于dSPACE實時環(huán)境的逆變器-異步電機開環(huán)控制系統(tǒng)實時仿真的實現(xiàn)方法和結(jié)果。

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):

    

  和負(fù)半橋開關(guān)函數(shù):

     

  則全橋開關(guān)函數(shù)為:

  

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  逆變器輸出端a,b,c與直流電源中點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:

  

  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。

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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 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。

  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(biāo)計算機結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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  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,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)快速控制原型或硬件在回路仿真測試。圖4是采用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,模型具有與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)的可變延時造成抖動的影響,設(shè)置T1的采樣速率遠(yuǎn)高于T2的采樣速率。

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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=7μs;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=0.03Ω,濾波電容C=10000μF;異步電機參數(shù)為:132V,182A,50Hz,45kW,2900rpm;負(fù)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=11μs,T2采樣周期=PWM周期=1ms。

  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跡為圓形。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。

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  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)值積分方法。結(jié)果是更小的步長并沒有對仿真精度有明顯的改進,這表明步長為11μs的實時仿真已經(jīng)具有較高的仿真精度。

  本文提出的逆變器模型已分別在交流永磁同步電機、無刷直流電機和異步電機驅(qū)動系統(tǒng)的硬件在回路仿真測試中得到成功應(yīng)用。

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參考文獻

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2 B. K. Lee, M. Ehsani. A Simplified Functional Simulation Model for Three-Phase?Voltage-Source Inverter Using Switching?Function Concept. IEEE Trans. on Ind.Electronics, 2001;48(2):309~321

3 L. Salazar and G. Joos. PSPICE Simulation?of Three- phase Inverters by Means of?Switching Functions.IEEE Trans. on Power?Electron, 1994;9(1):35~42

4 MathWorks. Using Simulink 4.1. MA: The?MathWorks Inc.,2001

5 MathWorks. Real-Time Workshop User′s?Guide 4.1 [Z].MA: The MathWorks Inc.,?2001

6 dSPACE.Real-Time Interface Implementation?Guide (Version 4.2) [Z].Paderborn:dSPACE

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7 dSPACE. ControlDesk Experiment Guide?(Version 2.1) [Z]. Paderborn: dSPACE?GmbH, 2001

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