摘 要:在研制复杂大功率电力驱动系统的过程中,实际测试前采用虚拟实验平台对控制器的中断延迟、计算速度、内存、接口、通信等瓶颈和瑕疵进行排查,可缩短开发周期,降低开发费用和技术风险。该文依据实际电力驱动系统结构,提出离散事件变流器系统与连续时间电机系统解耦的实时仿真框架,并基于Simulink开发电力驱动系统实时模型库;采用dSPACE实时仿真环境生成模型的实时C代码,基于两定时器任务实现交流驱动系统15~20 μs步长实时仿真。实时仿真系统具有与实际系统的实时硬件接口,可以与实际控制器或实际电机系统直接相连,构成硬件在回路仿真测试或快速控制原型系统。在一般的实验室中可以对大功率电力驱动系统进行测试、教学和操作培训。
关键词:驱动系统;硬件在回路仿真;快速控制原型
1 引言
交通和工业领域对大功率电力驱动系统的需求日益增大,系统控制和保护功能愈来愈复杂,基于CAN或其它类型的现场总线分布控制系统的应用也日益普遍。在研制大功率和复杂的电力驱动系统的过程中,必须对其数字控制器进行充分的测试和参数整定。在完全消除控制器硬软件错误之前,就直接使用实际系统进行测试是不合适的。
目前,在电力驱动系统的调试中,经常使用的仿真系统多为离线的,这些仿真系统虽然对控制算法、量化误差、编程和编译错误的测试是有效的,但是不能用于实时系统的中断延迟、执行时间、内存使用和硬件接口等瓶颈与瑕疵排查。此外,离线仿真也无法对分布控制系统的数据传输和增量编码器信号进行仿真。
解决上述问题的途径之一是采用实时仿真系统,即将实际逆变器-电机-传感器代之以其实时模型,与实际控制器构成闭环测试系统。由于该实时仿真测试系统回路中具有实际控制计算机及接口硬件,因而被称为硬件在回路仿真(Hardware-in-the-Loop Simulation) 测试,简称HIL。与HIL不同的另一种实时仿真系统是快速控制原型 (Rapid Control Prototyping) ,简称RCP。RCP采用控制器实时模型与实际电机系统构成闭环控制回路,以实现控制系统的快速生成。
尽管实时仿真技术已被汽车、航空工业视为技术开发规范,但用于电力驱动系统的研究和开发尚处于起步阶段。目前,国际上仅有少数公司,成功地把HIL测试用于牵引电力驱动系统的综合测试[1]。电力驱动系统实时仿真的主要困难在于,离散事件的逆变器系统与连续时间的电机系统耦合引发仿真系统变因果和变结构特性,而且系统的仿真步长要求太短。
本文根据电力驱动系统的结构与运行特点,提出离散事件逆变器系统与连续时间电机系统解耦的实时仿真框架,建立基于Simulink的电力驱动实时模型库,并在dSPACE实时环境中实现异步电机、永磁同步电机(PMSM)和无刷直流电机驱动系统的实时仿真。结果表明,采用本文提出的方法,可以实现电力驱动系统的15~20 µs级的实时仿真。
2 电力驱动系统实时仿真框架
依据电力驱动系统开发的HIL与RCP两大技术要求,本文提出了图1所示的实时仿真框架。在每一种系统组合,都有硬件的介入。考虑系统的物理结构特点,采用层次化、模块化的建模和试验方法,这有助于处理复杂问题,实现子系统模型的复用。电机可以是异步电机、永磁同步电机(正弦波)、无刷直流电机(梯形波)。
由于目前数字计算机处理速度的限制,尚不能实现亚微秒级物理模型实时仿真,因此需要对逆变器开关动作进行理想化处理,用一组离散事件表述。离散事件逆变器系统与连续时间电机系统的耦合,使其仿真模型成为混合、非线性、变因果和变结构系统[1]。变因果是指电力电子开关前后连续系统的动态方程的输入与输出变量会变换位置,变结构是指仿真中连续系统结构发生变化,需要对仿真系统的动态方程不断地进行调整和初始化。
由于建模工具Simulink在本质上是一种赋值运算,由其方框图描述的系统只能是因果的。为了应用此类建模工具,本文采用输入-输出描述法,对系统的模型进行分割处理,使整个闭环系统解耦为如图1所示的子系统。然后,再对每个子系统进行建模,这样就可以消除系统的变因果、变结构问题。采用开关函数建立逆变器的模型[2],可实现逆变器与电机系统的解耦。
图1能量流信号中输入和输出变量为: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是电源的输入变量和逆变器的输出变量;三相交流电压uabc是逆变器的输出变量和电机的输入变量;三相交流电流iabc是逆变器的输入变量和电机的输出变量;机械负载转矩Tm是电机的输入变量;电磁转矩Te、机械角速度ωm、机械角位移θ是电机的输出变量。依据系统测试要求,还可对系统模型进一步简化,例如,实时测试CAN总线信号时,可把逆变器、电机和控制器子系统合并,建立一个输入为驱动转矩指令TDref,输出为电磁转矩Te的简化系统模型。
电力驱动实时仿真系统受真实子系统实际时钟的约束,只能采用显式定步长数值积分方法。不考虑两个固定采样时刻之间发生的开关事件对系统状态的影响,计算的系统状态将偏离实际的系统状态,这一现象称为抖动。现代电力驱动系统的逆变器常采用PWM控制技术和高频自关断电力电子器件,如IGBT或IGCT,其开关频率fPWM可达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为100 µs~1 ms数量级。进行硬件在回路仿真测试时,需要对实际控制器输出的控制信号进行采样,造成硬件在回路仿真系统的输入滞后于控制器输出,而且延迟时间是随机变化的,的延迟时间等于仿真步长Ts。为了抑制采样延迟对仿真计算的影响,应该控制硬件在回路仿真的时间步长Ts,使它远小于控制器的采样周期Tc,Ts的一般取值范围为10~50 µs。
3 电力驱动系统实时模型库
依据图1的驱动系统实时框架,本文开发了面向实时仿真的电力驱动系统模型库。图2是一部分模型,图中第1、4行是通用的电源、逆变器、转速和电流调节器、PWM控制器、测速编码器、电机机械子系统模型,第2、3行分别是常用的异步电机、永磁同步电机(PMSM) 和无刷直流电机及其控制子系统模型。每个子系统模型都按照其物理结构进行建模,每个变量都有与其实际系统一一对应的物理意义,可以在实时仿真过程中进行实时访问。模型库中异步电机采用定子α,β坐标系统,其矢量控制采用转子磁链定向 (dc,qc坐标系统)[3] ;永磁同步电机及其矢量控制采用转子坐标系统 (d,q坐标系统)[4] ;无刷直流电机及其电子换向控制采用a,b,c坐标系统 [5]。
4 实时虚拟驱动系统实现
基于Simulink/Real-Time Workshop[6-7]的dSPACE实时仿真系统是机电工业较的开发平台,国际上许多汽车开发厂商都采用这一系统。本文采用单板dSPACE系统DS1103。
DS1103 拥有高分辨率、高速20路ADC和8路DAC,32路高速数字I/O,并集成电机驱动专用DSP控制器TMS320F240,DS1103还配备7路高测速和CAN控制器SAB80C164。DS1103插入PC机主板的ISA扩展槽中,所有的实时计算都由DS1103执行,而dSAPCE 的试验工具软件则在PC主机中运行(图3)。
Real-Time Interface (RTI)是dSPACE系统的实时实现软件,它对实时C代码自动生成软件Real-Time Workshop进行扩展,无缝地集成了dSPACE系统的实时内核和I/O硬件模型,实现由Simulink模型到dSPACE系统实时C代码的自动生成、编译、连接、下载和执行[8]。RTI还根据信号和参数产生一个变量文件,由dSPACE的试验工具软件ControlDesk [9] 对变量进行实时访问和参数调整。
在功能强大的实时代码实现软件RTI与界面友好的试验软件ControlDesk支持下,可以很快地实现电力驱动系统快速控制原型或硬件在回路仿真闭环测试。采用本文开发的电力驱动系统模型库与dSPACE 硬件模型库,可快速地组建实时闭环系统。图4是采用上述方法组建的异步电机驱动系统Simulink框图。
图4的下部是逆变器-异步电机-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,可输入6路PWM开关逻辑信号,输出电流、电压等模拟信号,以PowerPC 604e的定时器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,模型采用DSP控制器F240硬件产生实时PWM信号,并以PWM信号作为控制器的采样定时。
控制器与逆变器-电机模型通过硬件接口实现闭环,T1与T2以异步采样模式工作,构成两定时器任务系统 (图5)。为减少对控制器输出信号采样引发可变延时而造成抖动影响,设置T1的采样速率远高于T2的采样速率。
5 实时仿真结果
实时仿真系统试验针对异步电机矢量控制系统,其中逆变器参数:PWM开关频率fPWM=2 kHz,防止同一桥臂开关管直通的死区时间为7 µs;电源与滤波参数:电源开路端电压Ebo=288 V,电源内阻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方法(ODE1) ,T1采样周期Ts=15µs,T2采样周期Tc=PWM周期=500 µs。转速及三相电流控制都是采用带限幅与抗积分饱和的数字PI调节器。
图6是异步电机驱动系统在转速=0~100 rad/s突变时的相电流ia、转速ωm、电磁转矩Te和转子磁链空间矢量ψr矢端轨迹的实时仿真结果。任务T1的总执行时间tT1, T为7~9 µs,其脉动幅值等于任务切换时间tTS= 1.35~2.7 µs;任务T2由于被任务T1频繁中断挂起,总执行时间tT2, T脉动较大,为16~28 µs。
实时仿真系统长时间连续运行,没有发生数值不稳定问题。对永磁同步电机矢量控制系统采用Ts=20 µs和无刷直流电机驱动系统采用Ts=19 µs的实时仿真也有类似的结果。
6 结论
本文提出的离散事件逆变器系统与连续时间电机系统解耦的实时仿真框架,有效地解决了电力驱动实时仿真系统中的变因果和变结构问题,降低了仿真系统的复杂度,并缩短了系统的执行时间,从而能够采用小步长获得较高的仿真。
采用dSPACE实时环境和本文开发的电力驱动系统实时模型库,为快速构建不同类型的电力驱动实时仿真系统提供了方便。实时仿真系统具有与实际系统的硬件接口,可以与实际控制器或实际的逆变器电机系统直接相连,构成硬件在回路仿真测试或快速控制原型系统。
基于两定时器任务模式和400 MHz实时处理器PowerPC 604e可实现电源-逆变器-异步电机-传感器和控制器系统15~20 µs时间步长的实时仿真。应用本文的方法可实现小步长的实时仿真,减少抖动影响,提高实时仿真的可信度。
文中提出的实时仿真方法已成功地应用于某混合电动汽车的电力驱动系统测试,也可应用于工业领域复杂的电力驱动系统的虚拟实时测试,以替代昂贵的模拟仿真器或模拟与数字混合仿真器。
参考文献
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[3] 高景德,王祥珩,李发海(Gao Jingde,Wang Xiangheng,Li Fahai). 交流电机及其系统的分析 (Analysis of AC electrical machines and their systems) [M]. 北京:清华大学出版社(Beijing:Tsinghua University Press),1993.
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[7] MathWorks. Real-time workshop user’s guide 4.1 [Z]. MA:The MathWorks Inc.,2001.
[8] dSPACE. Real-time interface implementation guide (Version 4.2) [Z]. Paderborn:dSPACE GmbH,2001.
[9] dSPACE. Control desk experiment gude (Version2.1) [Z]. Paderborn:dSPACE GmbH, 2001.
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