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(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:u_ao=0.5V_DC×SF_ab,， u_bo=0.5V_DC×SF_b,， u_co=0.5V_DC×SF_c，

　　其中,，V_DC為直流環(huán)路電壓,。由此得到線電壓為：

　　其中，i_{S1_S},，i_{S1_D},，i_{S4_S}，i_{S4_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f_PWM=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E_bo=288V,，電源內(nèi)阻R_b=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u_an、相電流i_a,、a相上半橋開關(guān)電流i_S1,、S₁開關(guān)管電流i_{S1_S}、S₁續(xù)流二極管電流i_{S1_D},、直流環(huán)路電壓V_DC,、直流環(huán)路電流i_DC、任務(wù)總執(zhí)行時間T1/t_TT和T2/t_TT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(xiàn)

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