電力驅(qū)動系統(tǒng)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(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)的實現(xiàn)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(jié)果無明顯差別。

    關鍵詞：逆變器 開關函數(shù) 實時仿真

在交通和某些工業(yè)領域中的電力驅(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。

圖1 電源-濾波-逆變器-交流電機系統(tǒng)

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)標準，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。為了能應用Simulink建模工具，應該使變流器-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函數(shù)，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(tǒng)優(yōu)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(shù)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(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置的開關死區(qū)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(huán)境的逆變器-異步電機開控制系統(tǒng)實時仿真的實現(xiàn)方法和結(jié)果。

圖2 逆變器系統(tǒng)Simulink框圖

1 逆變器Simulink模型

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