交流电机系统硬软件混合实时仿真的研究

• 作 者: 卢子广
• 机 构: 清华大学
• 出 处: 清华大学
• 发表日期: 2003年期
• 关键词: 交流电机 变流器 实时仿真 电动汽车 风力发电

在电动汽车和风力发电交流电机系统的研究和开发领域，采用真实的电力电子变流器和交流电机进行控制系统闭环测试有诸多局限性。采用实时模型与部分实物系统，构成硬软件混合实时仿真系统，可以克服离线仿真和全实物试验系统的不足。在该论文中，主要研究交流电机系统的硬件在环实时仿真及其应用，这对于实现电动汽车和风力发电交流电机系统的高效开发具有重要的意义。
针对双电平变流器系统，使用开关函数建模方法。由于开关函数模型与电路的拓扑结构无关，离散事件变流器模型与连续时间电机模型仅有外部输入—输出变量耦合，而无内部变量耦合，可避免变因果、变结构问题。
依据交流电机系统开发的快速控制原型、硬件在环仿真和功率在环仿真的技术要求，提出了交流电机系统实时仿真框架，基于因果的建模工具Simulink，开发了面向实时仿真的交流电机系统模型库。详细论述了双电平变流器、鼠笼异步电机、双馈异步电机、永磁同步电机、无刷直流电机和增量编码器的Simulink模型。基于dSPACE实时仿真平台DS1103，实现了交流电机系统硬件在环实时仿真。
为研究交流电机系统实时仿真的性能，提出了等效斩波器控制直流电机系统模型的分析方法。理论分析和实时仿真实验都表明仿真电磁转矩、磁链和转速是收敛和数值稳定的，而闭环仿真系统中的真实控制器的反馈控制提高了仿真器的鲁棒性。仿真系统的收敛性、稳定性和鲁棒性不依赖于交流电机建模所采用的坐标系。依据实时系统对任务周转时间、数值稳定条件、转矩平均值仿真误差、转矩开关纹波仿真误差和位置传感器仿真误差的要求来确定交流电机系统实时仿真的时间边界。
把硬件在环仿真技术分别应用于混合电动客车无刷直流电机驱动系统的开发和双馈异步风力发电系统的实时测试，试验结果表明交流电机系统实时仿真模型具有较高的可信度，可用于代替真实的“变流器—交流电机—传感器”系统，在虚拟的环境中测试真实的控制器。