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电力驱动系统逆变器实时仿真
摘要：介绍了采用实际控制器输出的PWM开关逻辑信号定义正、负半桥开关函数，建立逆变器的Simulink实时模型。该模型既可实现电力驱动实时仿真系统中逆变器与电机模型的解耦，又可以确定逆变器开关死区时间。还给出了基于dSPACE实时仿真环境的逆变器-异步电机实时仿真系统的实现方法，针对开关频率为1kHz的逆变器，采样周期为11μs的实时仿真与仿真步长为100ns的离线仿真结果无明显差别。在交通和某些工业领域中的电力驱动系统的研制过程中，直接使用实际电机系统对新的控制器进行测试，实现起来比较困难，而且费用较高。因此，需要介于离线仿真和实机试验之间的逆变器-交流电机实时仿真器，与实际控制器硬件相连，在闭环条件下对实际控制器进行实时测试。由于这种实时仿真系统回路中有实际控制器硬件介入，因此被称为硬件在回路仿真（Hardware-in-the-Loop Simulation）。
尽管在真实系统上进行试验是必不可少的，但是由于采用实机难以进行极限与失效测试，而采用实时仿真器可以自由地给定各种测试条件，测试被测控制器的性能，因此实时仿真器可作为快速控制原型（Rapid Control Prototyping）的虚拟试验台，在电机、逆变器、电源和控制器需要同时工作的并行工程中必不可少。
图1 电源-滤波-逆变器-交流电机系统
由于目前数字计算机处理速度的限制，不能实现亚微秒级物理模型实时仿真，需要对逆变器开关过程进行理想化处理，因此引入了离散事件系统。离散事件逆变器子系统与连续时间电机子系统耦合，使变流器-电机实时仿真器成为变因果和变结构系统。变因果是指离散开关事件发生前后，描述连续时间电机子系统的动态方程的输入变量与输出变量会变换位置；变结构是指在仿真进程中，离散开关事件引发状态转换，使连续系统结构发生变化。因而需要对动态方程不断地进行调整和初始化[1]。
框图建模工具Simulink是控制工程仿真的工业标准，但Simulink本质上是一种赋值运算，由其方框图描述的系统是因果的。为了能应用Simulink建模工具，应该使变流器-电机实时仿真系统解耦为两个独立子系统，以消除变因果、变结构问题。
作为功能性建模方法之一的开关函数，可用于确定变流器开关器件电压与电流波形计算，以便进行系统优化设计。它在变流器的离线仿真中已得到成功的应用[2～3]。本文应用文献[2]
的开关函数描述法，采用实际控制器输出的PWM开关逻辑信号定义正、负半桥开关函数，建立逆变器的Simulink模型。该模型既可实现实时仿真系统中逆变器与电机模型的解耦，又可以确定逆变器设置的开关死区时间，防止同一桥臂开关管直通。文中还将给出基于dSPACE实时环境的逆变器-异步电机开控制系统实时仿真的实现方法和结果。
图2 逆变器系统Simulink框图
1 逆变器Simulink模型
双电平三相电压源型逆变器由6个开关管和6个与开关管反向并接的续流二极管组成，见图1。采用实际控制器输出的6个PWM开关逻辑信号a ，b ，c ；a-，b-，c-定义逆变器a,b,c三相正半桥开关函数：
Sfap=1·×a ,SFbp=1×b ,SFcp=1×c
和负半桥开关函数：
SFan=1×a-,SFbn=1×b-，SFcn=1×c-。
则全桥开关函数为：
SFa=Sfap-SFan,SFb=SFbp-SFbn，SFc=SFcp-SFcn。
逆变器输出端a,b,c与直流电流中点o之间的电压为：uao=0.5VDC×Sfab，ubo=0.5VDC×SFb,uco=0.5VDC×SFc，
其中，VDC为直流环路电压。由此得到线电压为：
uab=uao-ubo,ubc=ubo-uco,uca=uco-uao
相电压为：
uan=uao-uno,ubn=ubo-uno,ucn=uco-uno。
式中，uno=(1/3)(uao ubo uco)为电机三相绕组中点n与直流电流中点o之间的电压。
正半桥a,b,c相开关器件电流为：
is1=ia×Sfap,is3=ib×SFbp,is5=ic×SFcp
负半桥a,b,c相开关器件电流为：
is4=ia×SFan,is6=ib×SFbn,is2=ic×SFcn
三相电流为：
ia=is1 is4,ib=is3 is6,ic=is5 is2
另外开关电流为：
is1=is1_s-is1_D,iS4=is4_D-is4_s
直流电流为：
iDC=is1 is3 is5
其中，is1_s,is1_D,is4_s,is4_D分别为a相正、负半桥开关管和续流二极管电流。据此，可建立逆变器的Simulink框图模型。图2（a）～(d)分别是逆变器模型顶层和底层的Simulink框图。
2 实时仿真系统实现
著名的机电控制系统开发平台较是基于MATLAB/Simulink/Real-Time Workshop[4～5]开发的dSPACE实时系统。本文的相关课题选用单板dSPACE系统DS1103。
图3 宿主计算机/目标计算机结构
DS1103采用32位精简指令集处理器PowerPC 604e进行浮点运算。精简指令集处理器采用小指令集、多寄存器结构，指令执行简单快速；统一用单周期指令，克服了复杂指令集处理器周期指令有长有短，造成运行中偶发不确定性，致使运行失常的弊端。
DS1103板插入PC机主板的ISA扩展槽中，由PC机提供电源，所有的实时计算都是由DS1103独立执行，而dSAPCE的试验工具软件则并行运行于PC主机上。宿主计算机/目标计算机结构如图3所示。
Real-Time Interface(RTI)是dSPACE系统的实时实现软件，它对实时代码生成软件Real-Time Workshop进行扩展，集成了dSPACE系统I/O硬件实时模型，可实现从Simulink模型到dSPACE系统实时C代码的自动生成同，生成的实时代码包括实时内核和应用代码[6]。RTI还根据信号和参数产生一个
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