兩電平整流器及逆變器高速實(shí)時(shí)仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種兩電平整流器及逆變器高速實(shí)時(shí)仿真方法。采用混合邏輯動(dòng)態(tài)模型對(duì)電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)加以描述，構(gòu)建了邏輯表達(dá)式判斷整流器和逆變器的開關(guān)函數(shù)狀態(tài)，分別采用狀態(tài)方程和矩陣方程對(duì)整流器和逆變器進(jìn)行建模。給出電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)離散化計(jì)算實(shí)現(xiàn)框圖，實(shí)現(xiàn)了并行的仿真計(jì)算。本發(fā)明以現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列(FPGA)芯片作為仿真運(yùn)算單元，通過SystemGenerator工具將仿真數(shù)學(xué)模型集成在FPGA芯片中，將整流器仿真模型離散化，采用定點(diǎn)數(shù)模擬系統(tǒng)中的數(shù)值變量；微秒級(jí)實(shí)時(shí)仿真降低了運(yùn)算步長帶來的延遲，提高了仿真系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高了仿真精度。
【專利說明】?jī)呻娖秸髌骷澳孀兤鞲咚賹?shí)時(shí)仿真方法
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]電力電子與電力傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及到電力牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建模以及高速實(shí)時(shí)仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大功率電力傳動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)過程中，需要快速驗(yàn)證控制器的軟件算法、設(shè)備設(shè)計(jì)的硬件方案。如果將計(jì)算機(jī)仿真的算法直接移植到控制器中，并將大型功率設(shè)備與實(shí)際控制器對(duì)接起來，那么會(huì)大大提高研發(fā)過程的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，有可能會(huì)造成大型功率設(shè)備損壞，甚至威脅工作人員安全。實(shí)時(shí)仿真技術(shù)是解決該問題的一種有效途徑。實(shí)時(shí)仿真不同于普通計(jì)算機(jī)仿真，其仿真時(shí)間與自然時(shí)間同步。采用實(shí)時(shí)仿真器模擬被控對(duì)象，采用真實(shí)的數(shù)字控制器對(duì)其進(jìn)行控制。如果對(duì)被控對(duì)象建模足夠準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)具有足夠可信度，可替代實(shí)際電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，與控制器相連接進(jìn)行測(cè)試。
[0003]電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的控制器部分一般由DSP、FPGA組成，生成PWM控制信號(hào)。以實(shí)時(shí)仿真器替換電氣功率部分，對(duì)控制器進(jìn)行測(cè)試，由于采用仿真器模擬電氣功率部分，可避免控制算法設(shè)計(jì)失誤帶來的安全隱患，也可通過實(shí)時(shí)仿真器進(jìn)行批量的產(chǎn)品測(cè)試，達(dá)到快速測(cè)試控制器性能的目的。實(shí)時(shí)仿真技術(shù)出現(xiàn)在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、評(píng)估、調(diào)試、測(cè)試等各研發(fā)階段，可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，縮小研發(fā)成本，降低控制器故障破壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品品質(zhì)。
[0004]實(shí)時(shí)仿真器承擔(dān)被控對(duì)象物理模型仿真運(yùn)算，實(shí)際控制器對(duì)前者所仿真的模型進(jìn)行控制。二者進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，仿真器將系統(tǒng)的電流、電壓和轉(zhuǎn)速等信息以數(shù)字、模擬信號(hào)形式提供給控制器，控制器采集并進(jìn)行處理，將PWM信號(hào)發(fā)送給仿真器，對(duì)其中的物理模型進(jìn)行控制。實(shí)時(shí)仿真中，一般由通用計(jì)算機(jī)處理器承擔(dān)計(jì)算工作，這類離散仿真軟件的程序采用串行計(jì)算方式，在求解電路時(shí)，根據(jù)其拓?fù)浜蛥?shù)將待求電路化為高階方程組，并進(jìn)行求解。其中涉及到行列式變換、矩陣乘法求逆等，運(yùn)算較為復(fù)雜，速度難以進(jìn)一步提升。對(duì)于硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)其他部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交互的A/D，D/A器件頻率動(dòng)輒上兆，高至幾十兆上百兆，而控制器的控制周期也處在十微秒數(shù)量級(jí)。顯然，硬件在環(huán)仿真器的速度已經(jīng)成為整個(gè)仿真系統(tǒng)的瓶頸，影響了實(shí)時(shí)仿真的響應(yīng)速度。受限于運(yùn)算速度，實(shí)時(shí)仿真還存在模型仿真不精確問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有基于CPU的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)運(yùn)算速度的不足，本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)兩電平整流器及逆變器高速實(shí)時(shí)仿真的方法。使之克服現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過如下的手段實(shí)現(xiàn)的。
[0007]兩電平整流器及逆變器高速實(shí)時(shí)仿真方法，，對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，采用混合邏輯動(dòng)態(tài)模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模；對(duì)電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)模型中變量
[0008]進(jìn)行定義:[0009]Us—變壓器二次側(cè)電壓；is—變壓器二次側(cè)電流；ud。一直流側(cè)電壓；ip—直流電路輸出電流；uu，Uv, Uw——逆變器U相，V相，W相的輸出電壓；iu，iv，iw——逆變器U相，V相，W相的輸入電流；
[0010]定義整流器與逆變器各橋臂開關(guān)函數(shù)為:
【權(quán)利要求】
1.一種兩電平整流器及逆變器高速實(shí)時(shí)仿真方法，對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，采用混合邏輯動(dòng)態(tài)模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模； 對(duì)電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)模型中變量進(jìn)行定義: Us—變壓器二次側(cè)電壓；is—變壓器二次側(cè)電流；ud。一直流側(cè)電壓；ip—直流電路輸出電流；UU, uv, Uw-逆變器U相，V相，W相的輸出電壓；iu, iv, iw-逆變器U相，V相，w相的輸入電流； 定義整流器與逆變器各橋臂開關(guān)函數(shù)為:
【文檔編號(hào)】G05B17/02GK103995477SQ201410230683
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】葛興來, 郝琦, 宋文勝, 馮曉云, 熊成林 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)