專利名稱：電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，特別是基于FPGA的電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬 件在環(huán)仿真裝置的構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
實(shí)時(shí)仿真技術(shù)目前應(yīng)用于航天航空、軍事和汽車工業(yè)等領(lǐng)域，與離線仿真技術(shù) 相比，實(shí)時(shí)仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)控制中斷、延時(shí)等功能的仿真，在實(shí)時(shí)性和逼近現(xiàn)實(shí)方面 優(yōu)于離線仿真。目前實(shí)時(shí)仿真技術(shù)分為快速控制原型和硬件在環(huán)兩大類，快速控制原型 技術(shù)采用虛擬控制器和真實(shí)控制對(duì)象，硬件在環(huán)技術(shù)采用虛擬控制對(duì)象和真實(shí)控制器。 構(gòu)建基于FPGA的硬件在環(huán)仿真裝置對(duì)交流電機(jī)電力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真，可 以節(jié)省能源，降低財(cái)力人力消耗，減少空間的占用，不會(huì)對(duì)變流器、傳感器和功率器件 造成損害，能避免因人為誤操作對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)造成的損害，還可以在真實(shí)世界中難以 實(shí)現(xiàn)的極端條件下對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)各單元進(jìn)行測(cè)試。另一方面，當(dāng)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制器 開發(fā)出來后，電機(jī)可能仍處于研制階段，電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置能有效地解決 這個(gè)問題。電機(jī)模型及變流器模型對(duì)采樣率和仿真周期的要求很高。例如，變流器的開 關(guān)頻率可達(dá)數(shù)十千赫茲，開關(guān)周期在微秒量級(jí)，硬件在環(huán)仿真裝置要能穩(wěn)定工作并提供 足夠準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，仿真周期應(yīng)小于開關(guān)周期的1/10，這屬于亞微秒級(jí)的實(shí)時(shí)仿真。 dSPACE、RTDS和Hypersim屬于基于處理器的大型專用實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，它們不僅價(jià)格昂 貴，而且處理器采用順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)，仿真步長(zhǎng)通常為幾十個(gè)微秒，所以這些系統(tǒng)在要求 高實(shí)時(shí)性的場(chǎng)合并不適用。而FPGA是一種硬件電路，以硬件方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理， 并行運(yùn)算方式使得速度更快，實(shí)時(shí)性更高。另外，實(shí)時(shí)仿真對(duì)電機(jī)系統(tǒng)模型的精度要求很高，但對(duì)于基于處理器的電機(jī)系 統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)來說，模型越精確，計(jì)算所消耗時(shí)間的就會(huì)越多，實(shí)時(shí)性更低。由于 FPGA采用并行運(yùn)算方式，在基于FPGA的電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置上，模型復(fù)雜 化的代價(jià)只是消耗了更多的硬件資源，但不會(huì)影響計(jì)算速度，因此適合對(duì)復(fù)雜的電力傳 動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于FPGA的電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置的構(gòu) 建方法，能夠?qū)崿F(xiàn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的快速開發(fā)與產(chǎn)品測(cè)試，具有節(jié)能、安全、成本低的特
點(diǎn)ο為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是通過硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)中的變流器、電機(jī)、位置速度傳 感器建模，然后集成到一片F(xiàn)PGA芯片中，F(xiàn)PGA芯片與接口電路組成虛擬電機(jī)印刷電路 板，將虛擬電機(jī)印刷電路板與電力傳動(dòng)系統(tǒng)控制器印刷電路板連接，構(gòu)成電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿 真裝置。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置的構(gòu)建方法，用于對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行硬 件在環(huán)半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真，其特征在于通過硬件描述語(yǔ)言VerilogHDL對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)中 的變流器、電機(jī)、位置速度傳感器建模，然后集成到一片F(xiàn)PGA芯片中。采用的FPGA 芯片為美國(guó)Altera公司生產(chǎn)，型號(hào)為EP3C40Q240C8N。FPGA芯片與接口電路組成虛擬 電機(jī)印刷電路板，將虛擬電機(jī)印刷電路板與電力傳動(dòng)系統(tǒng)控制器印刷電路板連接，構(gòu)成 電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置。具體實(shí)現(xiàn)步驟為(1)采用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL，對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)中的變流器建模。(2)采用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL，對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)建模。(3)采用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL，對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)中的位置速度傳感器建 模。(4)將所建立的變流器模型、電機(jī)模型與位置速度傳感器模型集成到一片F(xiàn)PGA 芯片中。(5)將步驟(4)中的FPGA芯片與接口電路制作在一張印刷電路板上，構(gòu)成虛擬 電機(jī)印刷電路板。(6)制作以信號(hào)處理器DSP為核心的電力傳動(dòng)系統(tǒng)控制器印刷電路板。(7)編制電力傳動(dòng)系統(tǒng)控制程序，然后嵌入到該控制器DSP芯片中。(8)將步驟(5)中的虛擬電機(jī)印刷電路板與步驟(6)中的電力傳動(dòng)系統(tǒng)控制器印 刷電路板連接，構(gòu)成電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置。所述步驟(1)中的電壓型變流器模型是接收六路PWM信號(hào)a+，a_，b+，b_， C+，Cf，通過下式計(jì)算出電機(jī)三相相電壓Uan，Ubn, um。uan = [2(fl+ -a~)-{b+(c+ — C")]
6ubn =-b')-(a+ -a~)~{c+ -C-)]
6 ucn = ^-[2(c+ -c~)-(b+- b') - (a+ - ^)]其中，ud。為電壓型變流器直流側(cè)電壓。六路PWM信號(hào)a+，a_，b+，b_，c+， c_均為數(shù)字邏輯量，高電平用1表示，低電平用O表示。根據(jù)所述電機(jī)模型中電機(jī)的相數(shù)n，當(dāng)n>3時(shí)，變流器模型接收2η路PWM信號(hào)。所述步驟(2)中的電機(jī)模型包括靜止3相/旋轉(zhuǎn)2相變換模型、電流模型、轉(zhuǎn) 矩模型、旋轉(zhuǎn)2相/靜止3相變換模型、電角速度模型和電角度模型。根據(jù)電機(jī)模型中電機(jī)的相數(shù)η，當(dāng)η>3時(shí)，所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)變換模型為靜止η相 /旋轉(zhuǎn)2相坐標(biāo)變換模型和旋轉(zhuǎn)2相/靜止η相坐標(biāo)變換模型。所述靜止3相/旋轉(zhuǎn)2相變換模型是通過下式將電機(jī)三相相電壓Uan，ubn, Ucn 變換到直軸電壓Ud與交軸電壓Uq 'uA _ ^J cos(9 cos((9 -120°) cos(6> +120°) "““
uq ~ 3 -sin(9 -sin((9-120°) -sin( 9 + 120°)
L」 L」|3'丨_其中，θ為電機(jī)轉(zhuǎn)子 電角度，θ的取值范圍是從0到2π。直軸為同步旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)系的直軸，交軸為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的交軸。所述電流模型是通過下式計(jì)算出直軸電流id與交軸電流iq ud=^-mVq+Rid
atuq =~^ + ay/d+Riq其中，R為電機(jī)定子相電阻，Vd為直軸磁鏈、Vq為交軸磁鏈，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)子 電角速度；R和Vd的值包含了電機(jī)溫度效應(yīng)、電機(jī)飽和程度效應(yīng)和電機(jī)交直軸耦合效 應(yīng)；11和Vd的值與電機(jī)溫度、電機(jī)飽和程度、電機(jī)交直軸耦合程度之間的關(guān)系曲線通過 有限元法和實(shí)驗(yàn)法獲得。所述轉(zhuǎn)矩模型是通過下式計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T6 Te= 1.5piq[Lfif+(Ld-Lq) id]其中，ρ為電機(jī)定子極對(duì)數(shù)，Lf為勵(lì)磁電感，if為勵(lì)磁電流，Ld為直軸電感，Lq 為交軸電感；Lf，if，Ld, Lq的值包含了電機(jī)溫度效應(yīng)、電機(jī)飽和程度效應(yīng)和電機(jī)交直軸 耦合效應(yīng)；Lf，if，Ld, Lq的值與電機(jī)溫度、電機(jī)飽和程度、電機(jī)交直軸耦合程度之間的 關(guān)系曲線通過有限元法和實(shí)驗(yàn)法獲得。所述旋轉(zhuǎn)2相/靜止3相變換模型是通過下式計(jì)算出電機(jī)三相相電流ia，ib， ic
；‘ 廠 cos0- sin^ ι
αι
ib = cos(^-120°) -Sinf^-120。) d
/J cos((9 + 120°) _sin(<9 + 1200)j"' -所述電角速度模型是通過下式計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度Ω J 今= TC-TL
at其中，J為電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，TY為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。所述電角度模型是通過下式計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子電角度θ θ (η+1) = θ (η) +T Ω其中，θ (η+1)為第η+1個(gè)仿真時(shí)刻的電機(jī)轉(zhuǎn)子電角度，θ (η)為第η個(gè)仿真時(shí) 刻的電機(jī)轉(zhuǎn)子電角度，T為仿真步長(zhǎng)。參考圖2和圖3，位置速度傳感器模型是通過下式計(jì)算出光電編碼器的三路數(shù) 字信號(hào)Α，B，Ζ。
1， kP<0< (kP + —)A = I2
0， {kP + ^)<e<{kP + P)
權(quán)利要求
1.一種電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置的構(gòu)建方法，用于對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行硬件 在環(huán)半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真，其特征在于通過硬件描述語(yǔ)言VerilogHDL對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)中的 變流器、電機(jī)和位置速度傳感器建模，然后集成到一片F(xiàn)PGA芯片中。該FPGA芯片與 接口電路組成虛擬電機(jī)印刷電路板，將該虛擬電機(jī)印刷電路板與電力傳動(dòng)系統(tǒng)控制器印 刷電路板連接，構(gòu)成電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置。具體實(shí)現(xiàn)步驟為(1)采用硬件描述語(yǔ)言VerilogHDL，對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)中的變流器建模。(2)采用硬件描述語(yǔ)言VerilogHDL，對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)建模。(3)采用硬件描述語(yǔ)言VerilogHDL，對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)中的位置速度傳感器建模。(4)將所建立的變流器模型、電機(jī)模型與位置速度傳感器模型集成到一片F(xiàn)PGA芯片中。(5)將步驟⑷中的FPGA芯片與接口電路制作在一張印刷電路板上，構(gòu)成虛擬電機(jī) 印刷電路板。(6)制作以信號(hào)處理器DSP為核心的電力傳動(dòng)系統(tǒng)控制器印刷電路板。(7)編制電力傳動(dòng)系統(tǒng)控制程序，然后嵌入到該控制器的DSP芯片中。(8)將步驟(5)中的虛擬電機(jī)印刷電路板與步驟(6)中的電力傳動(dòng)系統(tǒng)控制器印刷電 路板連接，構(gòu)成電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置的構(gòu)建方法，其特征在于 所述步驟(1)中變流器模型是接收六路PWM信號(hào)a+，a_，b+，b_，c+，c_，通過下式 計(jì)算出電機(jī)三相相電壓uan，ubn, um。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置的構(gòu)建方法，其特征在于 所述步驟(2)中電機(jī)模型包括靜止3相/旋轉(zhuǎn)2相坐標(biāo)變換模型、電流模型、轉(zhuǎn)矩模 型、旋轉(zhuǎn)2相/靜止3相坐標(biāo)變換模型、電角速度模型和電角度模型。根據(jù)所述電機(jī)模型中電機(jī)的相數(shù)η，當(dāng)η > 3時(shí)，所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)變換模型為靜止η相 /旋轉(zhuǎn)2相坐標(biāo)變換模型和旋轉(zhuǎn)2相/靜止η相坐標(biāo)變換模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置的構(gòu)建方法，其特征在于 所述靜止3相/旋轉(zhuǎn)2相變換模型是通過下式將電機(jī)三相相電壓Uan，ubn, u。n變換到直 軸電壓Ud與交軸電壓uq:
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置的構(gòu)建方法，其特征在于 所述電流模型是通過下式計(jì)算出直軸電流id與交軸電流iq ψ ^ud = -lT- - ωψ + Riddt~dT+ ωψ, + Riqib'其中，R為電機(jī)定子相電阻，Vd為直軸磁鏈、Vq為交軸磁鏈，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)子電角 速度；R和Vd的值包含了電機(jī)溫度效應(yīng)、電機(jī)飽和效應(yīng)和電機(jī)交直軸耦合效應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置的構(gòu)建方法，其特征在于 所述轉(zhuǎn)矩模型是通過下式計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T6 Te = 1.5piq[Lfif+(Ld-Lq) id]其中，ρ為電機(jī)定子極對(duì)數(shù)，Lf為勵(lì)磁電感，if為勵(lì)磁電流，Ld為直軸電感，Lq為 交軸電感；Lf，if，Ld, Lq的值包含了電機(jī)溫度效應(yīng)、電機(jī)飽和效應(yīng)和電機(jī)交直軸耦合效應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置的構(gòu)建方法，其特征在于 所述旋轉(zhuǎn)2相/靜止3相變換模型是通過下式計(jì)算出電機(jī)三相相電流cos θ-sin^cos(沒-120°) — sin(<9 —120°) cos(^ + 120°) -sin(6> + 120°)
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置的構(gòu)建方法，其特征在于 所述電角速度模型是通過下式計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度Ω 手H其中，J為電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，A為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置的構(gòu)建方法，其特征在于 所述電角度模型是通過下式計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子電角度θ θ (η+1) = θ (η)+T Ω其中，θ (η+1)為第η+1個(gè)仿真時(shí)刻的電機(jī)轉(zhuǎn)子電角度，θ (η)為第η個(gè)仿真時(shí)刻的 電機(jī)轉(zhuǎn)子電角度，T為仿真步長(zhǎng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置的構(gòu)建方法，其特征在 于所述位置速度傳感器模型是通過下式計(jì)算出光電編碼器的三路數(shù)字信號(hào)Α，B，Lh Λ 一ZcΑ-Ι, kP<0< (kP + y) 0， (kP + ^-)<0<(kP + P)B ρP飛P1’ 0 < & < -m^(kP + —) < θ < (kP + —) 4443P70’(kP + —)<0<(kP + -P)44Z =1, 0<θ< — 2P0， —<θ<2π 2其中，k = 0，1，2，3......4998，4999 ； P = 2 π /5000 ； θ 為電機(jī)轉(zhuǎn)子電角度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置的構(gòu)建方法，其特征在于所述位置速度傳感器模型是通過下式計(jì)算出旋轉(zhuǎn)變壓器的三路模擬信號(hào)IN，S， C。IN = E sin (2 31 ft) S = KE sin (2 π ft) cos (ρ θ ) C = KE sin (2 π ft) sin (ρ θ )其中，E為高頻激磁信號(hào)的幅值，f為高頻激磁信號(hào)的頻率，K為電壓比常數(shù)，ρ為 電機(jī)極對(duì)數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置的構(gòu)建方法。本方法是通過硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)中的變流器、電機(jī)、位置速度傳感器進(jìn)行建模，然后集成到FPGA芯片中。FPGA芯片與接口電路組成虛擬電機(jī)印刷電路板，將該虛擬電機(jī)印刷電路板與電力傳動(dòng)系統(tǒng)控制器印刷電路板連接，構(gòu)成電力傳動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真裝置。本發(fā)明可以對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真，能夠?qū)崿F(xiàn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的快速開發(fā)與產(chǎn)品測(cè)試，具有節(jié)能、安全、成本低的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02P23/00GK102012674SQ20101029112
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者劉暢, 張琪, 羅志武, 高瑾, 黃蘇融 申請(qǐng)人:上海大學(xué)