電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逆變器實(shí)時(shí)仿真

電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(hào)定義正、負(fù)半橋開(kāi)關(guān)函數(shù)，建立逆變器的Simulink實(shí)時(shí)模型。該模型既可實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)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(kāi)關(guān)死區(qū)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(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，針對(duì)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(zhǎng)為100ns的離線仿真結(jié)果無(wú)明顯差別。 關(guān)鍵詞：逆變器 開(kāi)關(guān)函數(shù) 實(shí)時(shí)仿真在交通和某些工業(yè)領(lǐng)域中的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研制過(guò)程中，直接使用實(shí)際電機(jī)系統(tǒng)對(duì)新的控制器進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，而且費(fèi)用較高。因此，需要介于離線仿真和實(shí)機(jī)試驗(yàn)之間的逆變器-交流電機(jī)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(duì)實(shí)際控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試。由于這種實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)回路中有實(shí)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(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)是不可少的，但是由于采用實(shí)機(jī)難以進(jìn)行極限與失效測(cè)試，而采用實(shí)時(shí)仿真器可以自由地給定各種測(cè)試條件，測(cè)試被測(cè)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(yàn)臺(tái)，在電機(jī)、逆變器、電源和控制器需要同時(shí)工作的并行工程中bi不可少。電源-濾波-逆變器-交流電機(jī)系統(tǒng)由于目前數(shù)字計(jì)算機(jī)處理速度的限制，不能實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)物理模型實(shí)時(shí)仿真，需要對(duì)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(tǒng)。離散事件逆變器子系統(tǒng)與連續(xù)時(shí)間電機(jī)子系統(tǒng)耦合，使變流器-電機(jī)實(shí)時(shí)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(kāi)關(guān)事件發(fā)生前后，描述連續(xù)時(shí)間電機(jī)子系統(tǒng)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(jié)構(gòu)是指在仿真進(jìn)程中，離散開(kāi)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(duì)動(dòng)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(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)解耦為兩個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)，以消除變因果、變結(jié)構(gòu)問(wèn)題。作為功能性建模方法之一的開(kāi)關(guān)函數(shù)，可用于確定變流器開(kāi)關(guān)器件電壓與電流波形計(jì)算，以便進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(kāi)關(guān)函數(shù)描述法，采用實(shí)際控制器輸出的PWM開(kāi)關(guān)邏輯信號(hào)定義正、負(fù)半橋開(kāi)關(guān)函數(shù)，建立逆變器的Simulink模型。該模型既可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(kāi)關(guān)死區(qū)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(jī)開(kāi)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真的實(shí)現(xiàn)方法和結(jié)果。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(gè)開(kāi)關(guān)管和6個(gè)與開(kāi)關(guān)管反向并接的續(xù)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(hào)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(shù)：Sfap=1·×a+,SFbp=1×b+,SFcp=1×c+和負(fù)半橋開(kāi)關(guān)函數(shù)：SFan=1×a-,SFbn=1×b-，SFcn=1×c-。則全橋開(kāi)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(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(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(fù)半橋a,b,c相開(kāi)關(guān)器件電流為：is4=ia×SFan,is6=ib×SFbn