電力驅動系統逆變器實時仿真

時間：2024-08-31 18:12:30 理工畢業論文我要投稿

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電力驅動系統逆變器實時仿真

摘要：介紹了采用實際控制器輸出的PWM開關邏輯信號定義正、負半橋開關函數，建立逆變器的Simulink實時模型。該模型既可實現電力驅動實時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關死區時間。還給出了基于dSPACE實時仿真環境的逆變器-異步電機實時仿真系統的實現方法，針對開關頻率為1kHz的逆變器，采樣周期為11μs的實時仿真與仿真步長為100ns的離線仿真結果無明顯差別。

在交通和某些工業領域中的電力驅動系統的研制過程中，直接使用實際電機系統對新的控制器進行測試，實現起來比較困難，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。

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，不能實現亞微秒級物理模型實時仿真，需要對逆變器開關過程進行理想化處理，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間電機子系統耦合，使變流器-電機實時仿真器成為變因果和變結構系統。變因果是指離散開關事件發生前后，描述連續時間電機子系統的動態方程的輸入變量與輸出變量會變換位置；變結構是指在仿真進程中，離散開關事件引發狀態轉換，使連續系統結構發生變化。因而需要對動態方程不斷地進行調整和初始化[1]。

框圖建模工具Simulink是控制工程仿真的工業標準，但Simulink本質上是一種賦值運算，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-電機實時仿真系統解耦為兩個獨立子系統，以消除變因果、變結構問題。

作為功能性建模方法之一的開關函數，可用于確定變流器開關器件電壓與電流波形計算，以便進行系統優化設計。它在變流器的離線仿真中已得到成功的應用[2～3]。本文應用文獻[2]

的開關函數描述法，采用實際控制器輸出的PWM開關邏輯信號定義正、負半橋開關函數，建立逆變器的Simulink模型。該模型既可實現實時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關死區時間，防止同一橋臂開關管直通。文中還將給出基于dSPACE實時環境的逆變器-異步電機開控制系統實時仿真的實現方法和結果。

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個開關管和6個與開關管反向并接的續流二極管組成，見圖1。采用實際控制器輸出的6個PWM開關邏輯信號a ，b ，c ；a-，b-，c-定義逆變器a,b,c三相正半橋開關函數：

Sfap=1·×a ,SFbp=1×b ,SFcp=1×c

和負半橋開關函數：

SFan=1×a-,SFbn=1×b-，SFcn=1×c-。

則全橋開關函數為：

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相開關器件電流為：

is1=ia×Sfap,is3=ib×SFbp,is5=ic×SFcp

負半橋a,b,c相開關器件電流為：

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、負半橋開關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 實時仿真系統實現

著名的機電控制系統開發平臺較是基于MATLAB/Simulink/Real-Time Workshop[4～5]開發的dSPACE實時系統。本文的相關課題選用單板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、多寄存器結構，指令執行簡單快速；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有短，造成運行中偶發不確定性，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系統的實時實現軟件，它對實時代碼生成軟件Real-Time Workshop進行擴展，集成了dSPACE系統I/O硬件實時模型，可實現從Simulink模型到dSPACE系統實時C代碼的自動生成同，生成的實時代碼包括實時內核和應用代碼[6]。RTI還根據信號和參數產生一個

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