電力驅動(dòng)系統逆變器實(shí)時(shí)仿真

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