用于电驱动系统实时控制的虚拟实验平台

摘要: 在开发复杂的大功率电驱动系统的过程中，将使用虚拟实验平台在实际运行之前检查控制器的中断延迟，计算速度，内存，接口，通信以及其他瓶颈和缺陷. 测试，可以缩短开发周期，降低开发成本和技术风险. 基于实际的电驱动系统结构，为离散事件转换系统和连续电机系统的解耦提出了一个实时仿真框架，并建立了一个基于电驱动系统的实时模型库. Simulink;使用dSPACE实时仿真环境生成模型的实时C代码基于两个计时器任务，实现了15-20μs步长的交流传动系统的实时仿真. 实时仿真系统具有与实际系统的实时硬件接口，并且可以直接与实际控制器或实际电动机系统连接，以形成硬件回路仿真测试或快速控制原型系统. 在普通实验室中，可以测试，教导和操作大功率电驱动系统.

关键字: 驱动系统；硬件在环仿真；快速控制原型

交通运输和工业领域对大功率电力驱动系统的需求正在增长. 系统控制和保护功能变得越来越复杂. 基于CAN或其他类型的现场总线的分布式控制系统的应用也变得越来越普遍. 在开发大功率和复杂的电驱动系统的过程中，其数字控制器必须经过全面测试和参数设置. 在完全消除控制器的硬件和软件错误之前，不宜直接使用实际系统进行测试.

当前，在电力驱动系统的调试中，大多数常用的仿真系统都处于脱机状态. 尽管这些仿真系统可有效测试控制算法，量化误差，编程和编译错误，但它们不能用于实时系统. 检查瓶颈和缺陷，例如中断延迟，执行时间，内存使用情况和硬件接口. 此外，离线仿真无法仿真分布式控制系统的数据传输和增量编码器信号.

解决上述问题的方法之一是采用实时仿真系统，即用其实时模型代替实际的逆变器-电动机-传感器，以形成一个闭环测试系统. 实际的控制器. 由于实时仿真测试系统在回路中具有实际的控制计算机和接口硬件，因此简称为“硬件在环仿真（HIL）”. 不同于HIL的另一个实时仿真系统是快速控制原型，或简称RCP. RCP使用控制器实时模型和实际电动机系统形成闭环控制回路，以实现控制系统的快速生成.

尽管实时仿真技术已被汽车和航空业视为技术开发规范，但是电驱动系统的研究仍处于起步阶段. 目前，世界上只有少数几家公司成功地将HIL测试用于牵引电驱动系统的综合测试[1]. 电驱动系统的实时仿真的主要困难是离散事件逆变器系统和连续电机系统的耦合会导致仿真系统的可变因果关系和可变结构特性以及系统的仿真步长太短了.

根据电力驱动系统的结构和运行特性，提出了一种用于离散事件逆变器系统和连续电机系统解耦的实时仿真框架，并建立了基于Simulink的实时模型库电驱动器，并在dSPACE实时环境中实现. 异步电动机，永磁同步电动机（PMSM）和无刷直流电动机驱动系统的实时仿真. 结果表明，本文提出的方法可以实现电驱动系统的15-20 µs实时仿真.

2电驱动系统实时仿真框架

根据HIL和RCP对电力驱动系统开发的两项主要技术要求，本文提出了如图1所示的实时仿真框架. 在每个系统组合中，都有硬件干预. 考虑到系统物理结构的特点，采用分层模块化的建模和测试方法，有助于处理复杂的问题，实现子系统模型的重用. 电动机可以是异步电动机，永磁同步电动机（正弦波），无刷直流电动机（梯形波）.

由于数字计算机当前处理速度的限制，亚微秒物理模型的实时仿真尚无法实现. 因此，有必要使逆变器的开关动作理想化，并用一组离散事件来表示它. 离散事件逆变器系统和连续时间电机系统的耦合使其仿真模型成为一个混合，非线性，可变因果和可变结构系统[1]. 可变因果关系是指电力电子开关前后连续系统动态方程的输入和输出变量将改变位置. 变结构是指仿真中连续系统结构的变化，需要不断调整和初始化仿真系统的动力学方程.

因为建模工具Simulink本质上是一种赋值操作，所以其框图描述的系统只能是因果关系. 为了应用这种类型的建模工具，本文使用输入-输出描述方法对系统模型进行分段，以便将整个闭环系统解耦到图1所示的子系统中. 然后，对每个子系统进行建模，这样就可以消除系统的可变因果关系和可变结构问题. 开关功能用于建立变频器模型[2]，可以实现变频器与电机系统的解耦.

图1中的能量流信号中的输入和输出变量为: 直流电压VDC是电源的输出变量和逆变器的输入变量；直流电流iDC是电源的输入变量，是逆变器的输出变量；三相交流电压uabc是变频器的输出变量和电动机的输入变量;三相交流电流iabc是变频器的输入变量，是电动机的输出变量. 机械负载转矩Tm是电动机的输入变量；电磁转矩Te，机械角速度ωm和机械角位移θ是电动机的输出变量. 根据系统测试要求，可以进一步简化系统模型. 例如，当实时测试CAN总线信号时，可以将逆变器，电机和控制器子系统组合在一起，以建立一个输入作为驱动转矩命令TDref，并建立一个输出作为电磁转换器. 矩Te的简化系统模型.

动力驱动的实时仿真系统受实际子系统的实际时钟限制，并且只能使用显式的固定步长数值积分方法. 无论在两个固定采样时刻之间发生切换事件对系统状态的影响如何，计算出的系统状态都将偏离实际系统状态. 这种现象称为抖动. 现代电力驱动系统的逆变器通常使用PWM控制技术和高频自关断电力电子设备，例如IGBT或IGCT，其开关频率fPWM可以达到1-10 kHz甚至更高. 在控制器的设计中，为了消除抖动的影响，控制器对电机电流的采样应与PWM开关同步，即，控制器采样周期Tc = 1 / fPWM约为100 µs到1毫秒当硬件处于环路仿真测试中时，有必要对实际控制器输出的控制信号进行采样，这会导致环路仿真系统中硬件的输入滞后于控制器输出，并且延迟时间会随机变化. 最大延迟时间等于仿真步长Ts. 为了抑制采样延迟对仿真计算精度的影响，应将环路仿真中硬件的时间步长Ts控制为远小于控制器的采样周期Tc. Ts的一般值范围是10-50 µs.

3个电动系统实时模型库

根据图1中的驱动系统的实时框架，本文开发了一个面向实时仿真的电驱动系统模型库. 图2是模型的一部分. 图中的第一和第四行是通用电源，逆变器，速度和电流调节器，PWM控制器，速度编码器，电机机械子系统模型，第二和第三行是异步电动机，永磁同步电动机（ PMSM）和无刷直流电动机及其控制子系统. 每个子系统模型都是根据其物理结构建模的，每个变量都具有与其实际系统相对应的的物理含义，可以在实时仿真过程中实时对其进行访问. 模型库中的异步电动机使用定子α，β坐标系，而其矢量控制使用转子磁通方向（dc，qc坐标系）[3]. 永磁同步电动机及其矢量控制采用转子坐标系（d，q坐标系）[4]；无刷直流电动机及其电子换向控制采用a，b，c坐标系[5].

4实时虚拟驱动器系统实施

基于Simulink / Real-Time Workshop [6-7]的dSPACE实时仿真系统是机电行业众所周知的开发平台，世界上许多汽车开发制造商都采用该系统. 本文使用单板dSPACE系统DS1103.

DS1103具有高分辨率，高速20通道ADC和8 DAC，32通道高速数字I / O，并集成了用于电机驱动的专用DSP控制器TMS320F240. DS1103还配备了7通道高精度速度测量和CAN控制器SAB80C164. DS1103插入PC主板的ISA扩展槽中，所有实时计算都由DS1103执行，而dSAPCE测试工具软件在PC主机中运行（图3）.

实时接口（RTI）是dSPACE系统的实时实现软件. 它扩展了实时C代码自动生成软件Real-Time Workshop，并无缝集成了dSPACE系统的实时内核和I / O硬件模型. 实现了从Simulink模型到dSPACE系统的实时C代码的自动生成，编译，连接，下载和执行[8]. RTI还根据信号和参数生成一个变量文件，并且dSPACE的测试工具软件ControlDesk [9]可以实时访问变量和参数调整.

在强大的实时代码实现软件RTI和友好的界面测试软件ControlDesk的支持下，可以快速实现电驱动系统的快速控制原型或硬件在环仿真闭环测试. 使用本文开发的电驱动系统模型库和dSPACE硬件模型库，可以快速构建实时闭环系统. 图4是通过上述方法构造的异步电动机驱动系统的Simulink框图.

图4的下部是逆变器-异步电动机-传感器系统模型. 作为实时任务T1，模型具有与实际控制器的硬件接口. 它可以输入6个PWM开关逻辑信号，并输出模拟信号，例如电流和电压. ，使用PowerPC 604e定时器A作为采样定时；上部是控制器-传感器接口模型，作为实时任务T2，该模型使用DSP控制器F240硬件生成实时PWM信号，并将PWM信号用作控制器的采样时序.

控制器和逆变器电动机模型通过硬件接口实现闭环. T1和T2以异步采样模式工作，以形成一个两定时器任务系统（图5）. 为了减少由控制器输出信号的采样引起的可变延迟引起的抖动的影响，将T1的采样率设置为比T2的采样率高得多.

实时仿真系统测试针对异步电动机矢量控制系统，其中逆变器参数: PWM开关频率fPWM = 2 kHz实时控制系统，是防止同一桥臂的开关管通过的空载时间是7 µs；电源和滤波器参数: 电源开路端电压Ebo = 288 V，电源内部电阻Rb =0.03Ω，滤波电容C = 10000 µF；电机参数: 180 V，122 A，50 Hz，45 kW，2900 r·min-1. 实时仿真采用欧拉数值积分法（ODE1），T1采样周期Ts = 15µs，T2采样周期Tc = PWM周期= 500µs. 速度和三相电流控制采用具有极限和反积分饱和的数字PI调节器.

图6是异步电动机驱动系统的速度为0〜时的相电流ia，速度ωm，电磁转矩Te和转子磁通空间矢量ψr的矢量终点轨迹的实时仿真结果. 100弧度/秒任务T1实时控制系统，tT1，T的总执行时间为7-9μs，其脉动幅度等于任务切换时间tTS ＝ 1.35〜2.7μs. 由于任务T1频繁中断，任务T2被挂起，总执行时间tT2，T脉动大，为16〜28 µs.

实时仿真系统可以长时间连续运行而不会出现数值不稳定的情况. Ts = 20 µs的永磁同步电动机矢量控制系统和Ts = 19 µs的无刷直流电动机驱动系统的实时仿真具有相似的结果.

6结论

本文提出的离散事件逆变器系统与连续电动机系统解耦的实时仿真框架有效地解决了电驱动实时仿真系统中的因果关系和结构可变性问题，并减少了模拟系统的复杂性. 并缩短了系统的执行时间，因此可以使用较小的步长来获得更高的仿真精度.

使用本文开发的dSPACE实时环境和电驱动系统的实时模型库，它为快速构建各种类型的电驱动实时仿真系统提供了便利. 实时仿真系统具有与实际系统的硬件接口，可以直接与实际控制器或实际逆变器电机系统连接，以形成硬件在环仿真测试或快速控制原型系统.

基于双定时器任务模式和400 MHz实时处理器PowerPC 604e，它可以实现时间为15-步的功率逆变器异步电动机传感器和控制器系统的实时仿真. 20 µs. 本文方法的应用，可以实现小步长的实时仿真，减少抖动的影响，提高实时仿真的可信度.

本文提出的实时仿真方法已成功应用于混合动力汽车电动驱动系统的测试. 它也可以用于工业领域的复杂电力驱动系统的虚拟实时测试，以取代昂贵的模拟模拟器或模拟和数字混合模拟器.

[1] Terwiesch P，Keller T，Schreiber E.使用数字硬件在环仿真的轨道车辆控制系统集成测试[J]. IEEE Trans. 控制系统技术学报，1999，7（3）: 352 -362.

[2] Lee B. K，Ehsani M.使用开关功能概念的三相电压源逆变器的简化功能仿真模型[J]. IEEE Trans. 工业电子学报，2001，48（2）: 309-321.

[3]高景德，王向恒，李发海（高景德，王向恒，李发海）. 交流电机及其系统分析[M]. 北京: 清华大学出版社，北京: 清华大学出版社，1993年.

[4] Leonhard W.电气驱动器控制（第三版）[M]. 柏林: 施普林格出版社，2001年.

[5] Pillay P，Krishnan R.永磁电动机驱动器的建模，仿真和分析，第二部分: 无刷直流电动机驱动器[J]. IEEE Trans. 在Ind. App. ，1989，25（2）: 274-279.

[6] MathWorks. 使用simulink 4.1 [Z]. MA: MathWorks Inc.，2001年.

[7] MathWorks. 实时研讨会用户指南4.1 [Z]. MA: MathWorks Inc.，2001年.

[8] dSPACE.Real-timeinterface实施指南（4.2版）[Z]. 帕德博恩: dSPACE GmbH，2001年.

[9] dSPACE. 控制台实验指导（版本2.1）[Z]. 帕德博恩: dSPACE GmbH，2001年.

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