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

　　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,is2=ic×SFcn

　　三相電流為：

　　ia=is1+is4,ib=is3+is6,ic=is5+is2

　　另外開(kāi)關(guān)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(fù)半橋開(kāi)關(guān)管和續(xù)流二極管電流。據(jù)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(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　著名的機(jī)電控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)較是基于MATLAB/Simulink/Real-Time Workshop[4～5]開(kāi)發(fā)的dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)。本文的相關(guān)課題選用單板dSPACE系統(tǒng)DS1103。

　　圖3 宿主計(jì)算機(jī)/目標(biāo)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)

　　DS1103采用32位精簡(jiǎn)指令集處理器PowerPC 604e進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算。精簡(jiǎn)指令集處理器采用小指令集、多寄存器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行簡(jiǎn)單快速;統(tǒng)一用單周期指令，克服了復(fù)雜指令集處理器周期指令有長(zhǎng)有短，造成運(yùn)行中偶發(fā)不確定性，致使運(yùn)行失常的弊端。

　　DS1103板插入PC機(jī)主板的ISA擴(kuò)展槽中，由PC機(jī)提供電源，所有的實(shí)時(shí)計(jì)算都是由DS1103獨(dú)立執(zhí)行，而dSAPCE的試驗(yàn)工具軟件則并行運(yùn)行于PC主機(jī)上。宿主計(jì)算機(jī)/目標(biāo)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　Real-Time Interface(RTI)是dSPACE系統(tǒng)的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)軟件，它對(duì)實(shí)時(shí)代碼生成軟件Real-Time Workshop進(jìn)行擴(kuò)展，集成了dSPACE系統(tǒng)I/O硬件實(shí)時(shí)模型，可實(shí)現(xiàn)從Simulink模型到dSPACE系統(tǒng)實(shí)時(shí)C代碼的自動(dòng)生成同，生成的實(shí)時(shí)代碼包括實(shí)時(shí)內(nèi)核和應(yīng)用代碼[6]。RTI還根據(jù)信號(hào)和參數(shù)產(chǎn)生一個(gè)變量文件，可以用dSPACE的試驗(yàn)工具軟件ControlDesk進(jìn)行訪問(wèn)[7]。

　　在功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)代碼實(shí)現(xiàn)軟件RTI與界面友好的試驗(yàn)軟件ControlDesk支持下，可以很快地實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)快速控制原型與硬件在回路仿真測(cè)試。圖4是采上述的逆變器模型與dSPACE系統(tǒng)I/O硬件模型組建的逆變器-交流電機(jī)系統(tǒng)Simulink框圖。圖中下部是逆變器-異步電機(jī)系統(tǒng)模型，作為實(shí)時(shí)任務(wù)T1，模型具有實(shí)際控制器的硬件接口，可輸入6路實(shí)際的PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)，輸出電流、電壓等模擬信號(hào);上部是PWM控制器模型，作為實(shí)時(shí)任務(wù)T2，模型由DSP控制器F240硬件產(chǎn)生實(shí)時(shí)PWM信號(hào)。T1與T2以異步采樣模式工作，構(gòu)成兩定時(shí)器任務(wù)系統(tǒng)。為減少采樣控制器輸出引發(fā)的可變延時(shí)造成抖動(dòng)的影響，設(shè)置T1的采樣速率遠(yuǎn)高于T2的采樣速率。

　　3 實(shí)時(shí)仿真結(jié)果

　　系統(tǒng)仿真是針對(duì)某電動(dòng)汽車(chē)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的，其中逆變器參數(shù)為：PWM開(kāi)關(guān)頻率fPWM=1kHz，開(kāi)關(guān)死區(qū)時(shí)間=7μs;直流電源與濾波參數(shù)為：電池開(kāi)路電壓Ebo=288V，電源內(nèi)阻Rb=0.03Ω，濾波電容C=10000μF;異步電機(jī)參數(shù)為：132V，182A，50Hz，45kW，2900rpm;負(fù)載轉(zhuǎn)矩=50Nm;交流電源參數(shù)為：相電壓幅值=100V,頻率=50Hz。實(shí)時(shí)仿真采用Euler數(shù)值積分方法(ODE1)，T1采樣周期=11μs，T2采樣周期=PWM周期=1ms。