郝 琦 葛興來(lái) 宋文勝 馮曉云

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 610031）

電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)微秒級(jí)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真

郝 琦 葛興來(lái) 宋文勝 馮曉云

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 610031）

為滿足電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)高速實(shí)時(shí)仿真的需求，分析了交直交牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其原理，建立了現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列硬件在環(huán)（HIL）仿真模型，其中包含單相脈沖整流器、中間直流回路、三相兩電平逆變器以及異步電機(jī)四部分。對(duì)于含有開(kāi)關(guān)器件的結(jié)構(gòu)——逆變器和整流器，分別推導(dǎo)出它們不同狀態(tài)下各自開(kāi)關(guān)函數(shù)的邏輯表達(dá)式，考慮了變流器電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)的換流情況。采用狀態(tài)方程及矩陣方程分別對(duì)變流器以及異步電機(jī)進(jìn)行建模，并將數(shù)學(xué)模型集成在FPGA中加以實(shí)現(xiàn)，在RT-LAB實(shí)時(shí)仿真器上進(jìn)行HIL仿真，驗(yàn)證了仿真平臺(tái)的正確性。由于采用FPGA模擬牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，充分發(fā)揮了其善于并行計(jì)算的特性，大幅縮短了仿真的步長(zhǎng)，突破了中央處理器速度限制，實(shí)現(xiàn)了微秒級(jí)系統(tǒng)模型實(shí)時(shí)仿真，提高了HIL仿真系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及準(zhǔn)確度。

現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列 微秒級(jí) 硬件在環(huán) 電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng) 實(shí)時(shí)仿真 交直交

TM922

0 引言

近年來(lái)，在電力電子和電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，硬件在環(huán)（Hard-In-the-Loop, HIL）作為一種快速、安全和可靠驗(yàn)證控制器算法的途徑逐漸得到了廣泛應(yīng)用[1]。開(kāi)發(fā)過(guò)程中加入HIL仿真，可以提前測(cè)試系統(tǒng)的控制參數(shù)和算法，有效減少了研發(fā)的周期與成本[2]。在HIL仿真系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)仿真器用數(shù)學(xué)模型模擬實(shí)際裝置，實(shí)際控制器對(duì)其模型加以控制，二者進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)多參數(shù)、多運(yùn)行條件的測(cè)試，并具有靈活性好、體積小、周期短和準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)[3]。

文獻(xiàn)[4,5]針對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，建立實(shí)時(shí)仿真模型，仿真步長(zhǎng)分別為 40μs和60μs，測(cè)試驗(yàn)證了模型的正確性。文獻(xiàn)[6]為避免電力電子實(shí)時(shí)仿真模型求解發(fā)散，給出不同電路拓?fù)湎履軌虮ＷC模型求解收斂穩(wěn)定的最大步長(zhǎng)。文獻(xiàn)[7]為了提高實(shí)時(shí)仿真準(zhǔn)確度，研究了開(kāi)關(guān)器件在相鄰仿真時(shí)刻間動(dòng)作時(shí)的補(bǔ)償算法。無(wú)論是為了避免模型求解發(fā)散或是為了提高仿真準(zhǔn)確度，縮小仿真步長(zhǎng)都是最為直接有效的方法。

傳統(tǒng)HIL仿真中，由中央處理器（CPU）承擔(dān)模型解算工作，由于其模擬程序采用串行計(jì)算方式，速度難以進(jìn)一步提升，HIL仿真步長(zhǎng)通常在 10μs數(shù)量級(jí)[8]。較高的仿真步長(zhǎng)意味著低采樣速率，為了精確體現(xiàn)控制器脈沖控制效果，只能通過(guò)額外器件精確抓取脈沖變化時(shí)間，在下一個(gè)仿真周期中引入算法加以補(bǔ)償。如若強(qiáng)制縮短仿真步長(zhǎng)，又會(huì)導(dǎo)致計(jì)算超時(shí)，進(jìn)而引起仿真數(shù)值的不穩(wěn)定。HIL系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交互的模-數(shù)、數(shù)-模器件頻率動(dòng)輒上兆赫茲，控制器——FPGA或 DSP，其控制周期也能達(dá)到10μs這一數(shù)量級(jí)。顯然，實(shí)時(shí)仿真器的速度已經(jīng)成為仿真系統(tǒng)的瓶頸，影響了實(shí)時(shí)仿真速度進(jìn)一步提升。

目前為止，F(xiàn)PGA憑借其高時(shí)鐘頻率、高可靠性和多輸入、輸出等特點(diǎn)，承擔(dān)了電力電子裝置驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生工作，應(yīng)用已非常普遍[9-11]。在 HIL仿真方面，F(xiàn)PGA主要應(yīng)用在硬件接口中，承擔(dān)仿真器與控制器間信號(hào)交換[12]。但是，F(xiàn)PGA還具備潛力替代CPU成為電力電子系統(tǒng)的仿真運(yùn)算單元。文獻(xiàn)[13]分析了電力電子器件的開(kāi)關(guān)特性和換流過(guò)程，并在FPGA中實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)仿真，在器件級(jí)的水平上反映出開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流尖峰及功率損耗等關(guān)鍵指標(biāo)。文獻(xiàn)[14]針對(duì)兩電平電壓源型逆變器及異步電機(jī)進(jìn)行建模，采用FPGA對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，仿真步長(zhǎng)為10μs，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的矢量控制HIL實(shí)時(shí)仿真。

本文以交直交電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)為對(duì)象，提供了一種高速實(shí)時(shí)仿真的建模和實(shí)現(xiàn)方法，完成了牽引傳動(dòng)系統(tǒng)1μs步長(zhǎng)的HIL仿真。基于硬件描述語(yǔ)言（Hardware Description Language，HDL）在FPGA中實(shí)現(xiàn)了電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Ｒ约盃恳惒诫姍C(jī)建模，構(gòu)建了電力牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)HIL仿真平臺(tái)，并完成了實(shí)時(shí)仿真模型HIL仿真測(cè)試。與傳統(tǒng)基于CPU的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)相比，仿真步長(zhǎng)大幅減小，仿真模型動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度提高，此外還避免CPU模型解算中復(fù)雜的時(shí)間補(bǔ)償算法，提高了仿真準(zhǔn)確度。

1 電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)HIL仿真簡(jiǎn)介

電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)包括牽引變壓器、單相脈沖整流器、中間直流回路、三相兩電平逆變器和牽引異步電機(jī)[15]。牽引變壓器將單相 50Hz工頻交流降壓，供給單相整流器，后者將交流電變?yōu)橹绷麟姡⑼ㄟ^(guò)中間直流回路輸送給逆變器。逆變器將直流電變換為頻率幅值可變的三相交流電，驅(qū)動(dòng)牽引異步電機(jī)，為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力[16]。

圖1給出了電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)HIL仿真框圖。與傳統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真相比，將被控對(duì)象的模型由CPU中轉(zhuǎn)移到FPGA芯片中進(jìn)行計(jì)算。采用雙DSP分別作為整流器系統(tǒng)和逆變器電機(jī)系統(tǒng)的控制器。脈沖整流器系統(tǒng)控制算法采用瞬態(tài)電流控制，調(diào)制算法采用SPWM。逆變器電機(jī)系統(tǒng)控制算法采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向間接矢量控制，調(diào)制算法采用 SVPWM，其中低速區(qū)為異步調(diào)制，中高速區(qū)為分段同步調(diào)制。

圖1　電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)HIL仿真框圖Fig.1 HIL of electrical traction drive system

2 牽引變流器建模

Matlab/Simulink、PSCAD等仿真軟件在求解電路時(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，這類(lèi)復(fù)雜運(yùn)算在FPGA上實(shí)現(xiàn)較為困難。為滿足實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的高速性，本文采用狀態(tài)方程對(duì)變流器進(jìn)行建模，忽略器件導(dǎo)通時(shí)的電阻和關(guān)斷時(shí)的電導(dǎo)，便于牽引變流器模型的求解。將整流器、逆變器以及連接二者的直流電路視為變流器的三個(gè)核心部分，進(jìn)行統(tǒng)一建模。整流器、逆變器共同完成了交直交傳動(dòng)系統(tǒng)的電能變換，中間直流回路作為兩者能量傳輸?shù)臉蛄骸?/p>

2.1單相脈沖整流器及直流環(huán)節(jié)模型

牽引變壓器將供電系統(tǒng)的電能變換電壓等級(jí)，變壓器一次側(cè)、二次側(cè)電動(dòng)勢(shì)同頻率、同相位，僅幅值不同。為降低仿真系統(tǒng)的復(fù)雜度，建模時(shí)只考慮變壓器二次側(cè)，將其等效為正弦交流電源與變壓器二次側(cè)漏電感Ls和繞組電阻Rs串聯(lián)，如圖2所示。

圖2　單相整流器及直流環(huán)節(jié)電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of the single-phase rectifier and DC-link circuit

單相整流器由a橋和b橋兩個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂包含兩個(gè)IGBT和兩個(gè)二極管，共同組成一個(gè)全控橋電路。建立整流器理想開(kāi)關(guān)函數(shù)，描述a橋、b橋?qū)P(guān)斷，其開(kāi)關(guān)函數(shù)Sra、Srb狀態(tài)可定義為

則整流器輸出電流和輸入端電壓可以分別用開(kāi)關(guān)函數(shù)表示為

式中，udc為直流側(cè)電壓；uab為整流器輸入端電壓；is為變壓器二次電流；ir為整流器輸出電流。

中間直流回路包含一個(gè)直流電容器 Cdc和一個(gè)包含電感L2和電容C2的LC濾波電路，后者的諧振頻率設(shè)置為100Hz。

至此，將整流器、變壓器與中間直流回路聯(lián)合起來(lái)，圖2所示的電路拓?fù)鋽?shù)學(xué)模型可以描述為

式中，Cdc為直流側(cè)電容；C2為濾波電路電容；L2為濾波電路電感；us為變壓器二次電壓；uab為整流器輸入端電壓；uC2為電容 C2電壓；iL2為電感 L2電流；ip為直流電路輸出電流。

2.2牽引逆變器模型

逆變器主電路如圖3所示，它由三相橋臂u、v 和w組成，每個(gè)橋臂有兩個(gè)IGBT以及與其反并聯(lián)的二極管構(gòu)成，共同構(gòu)成三相電壓源型逆變器。

圖3　三相兩電平逆變器電路拓?fù)銯ig.3 Topology of the three-phase two-level inverter

與整流器類(lèi)似，用開(kāi)關(guān)函數(shù)描述逆變器開(kāi)通關(guān)斷狀態(tài)，即

在牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中，逆變器向電機(jī)提供三相交流電壓。取直流側(cè)支撐電容中點(diǎn)為零電位點(diǎn)，則電機(jī)三相輸入電壓及直流回路輸出電流可以描述為

式中，uu、uv和uw分別為電機(jī)u、v和w三相輸入電壓；iu、iv和iw分別為電機(jī)u、v和w三相電流。

2.3FPGA實(shí)現(xiàn)

對(duì)于整流器和逆變器，開(kāi)關(guān)函數(shù)取值由其接收控制器的觸發(fā)脈沖所決定。

以整流器為例，整流器拓?fù)浒膫€(gè)開(kāi)關(guān)管，開(kāi)關(guān)管信號(hào)組合有24=16種，其中有七種信號(hào)組合會(huì)引起直流母線短路，排除后仍有九種，而開(kāi)關(guān)函數(shù)Sra與Srb組合僅有22=4種，開(kāi)關(guān)函數(shù)與觸發(fā)脈沖存在一定的映射關(guān)系。因此，首先要確定如何根據(jù)觸發(fā)脈沖來(lái)獲得開(kāi)關(guān)函數(shù)。

變壓器漏電感的續(xù)流作用會(huì)維持變壓器二次電流 is方向不變，而電流流向的不同也會(huì)影響橋臂導(dǎo)通關(guān)斷狀態(tài)。枚舉出 is為任意方向時(shí)，不同觸發(fā)脈沖組合對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)函數(shù)，表1給出了具體開(kāi)關(guān)函數(shù)取值。

表1　觸發(fā)信號(hào)與開(kāi)關(guān)函數(shù)對(duì)照Tab.1 Corresponding rules between trigger signal and switching function

當(dāng)is大小接近于0時(shí)，電感續(xù)流作用可被忽略，此時(shí)開(kāi)關(guān)器件通斷情況受交流側(cè)電壓以及直流側(cè)電壓影響。定義閾值δ，當(dāng)時(shí)，不再以is正負(fù)來(lái)判斷開(kāi)關(guān)函數(shù)取值，類(lèi)似地，列舉出不同電壓條件下的開(kāi)關(guān)函數(shù)的值，文中不再給出。實(shí)際情況中，δ 取值視系統(tǒng)功率等級(jí)和模型計(jì)算步長(zhǎng)不同而變化，功率等級(jí)越大或計(jì)算步長(zhǎng)越大，對(duì)應(yīng)δ 取值越大，此處取0.5Α。

若采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，為得到不同情況下開(kāi)關(guān)函數(shù)取值，需要加入一系列條件判斷語(yǔ)句。而對(duì)FPGA來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)條件判斷效率并不高，需要耗費(fèi)較多的硬件資源。

電流方向、電壓正負(fù)和電壓間大小比較都可化為二進(jìn)制 01變量，IGBT的觸發(fā)脈沖也用01變量表示。而FPGA恰好善于組合邏輯運(yùn)算，因此，本文考慮用邏輯表達(dá)式來(lái)表示 Sra和 Srb，并利用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)得

式中，Zis、sgnis和sgnus分別對(duì)應(yīng)電感電流過(guò)0判斷、電感電流方向和網(wǎng)側(cè)電壓正負(fù)三個(gè)邏輯變量。

此外，當(dāng)電感不具備續(xù)流作用時(shí)，整流器還存在一種特殊的工作情況。例如：當(dāng) udc＞us＞0、|is|＜δ 時(shí)，Tr2=Tr3=0，Tr1、Tr4不同為1。此時(shí)，由于Tr1、Tr4并沒(méi)有同時(shí)接收導(dǎo)通觸發(fā)脈沖，對(duì)于is來(lái)講，只存在順時(shí)針導(dǎo)通的回路（流經(jīng)二極管），而不存在逆時(shí)針導(dǎo)通的回路（流經(jīng)IGBT），并且由于udc＞us，二極管承受反向壓降，無(wú)法導(dǎo)通。在FPGA實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)is寄存器的復(fù)位信號(hào)使之為0。

對(duì)于逆變器，由于電機(jī)的定子繞組也呈感性，同樣具有續(xù)流作用。定義電機(jī)電流方向邏輯變量為

式中，k可取u，v和w。

電機(jī)與中間直流環(huán)節(jié)不同，不存在電容維持電機(jī)側(cè)電壓，因此不必考慮電機(jī)電流過(guò)0點(diǎn)時(shí)的橋臂導(dǎo)通情況。

同樣，利用卡諾圖對(duì)其進(jìn)行化簡(jiǎn)得到邏輯函數(shù)

為保證模型求解速度，模型中變量、參數(shù)統(tǒng)一以定點(diǎn)數(shù)參與運(yùn)算，表2中給出了牽引變流器模型中變量定點(diǎn)數(shù)表示。以交流電壓 us的定點(diǎn)數(shù)精度16.8為例，用16個(gè)二進(jìn)制位表示電壓的整數(shù)部分，8個(gè)二進(jìn)制位表示電壓的小數(shù)部分。

表2　牽引變流器變量定點(diǎn)數(shù)表示Tab.2 Fix-point format of variables in traction converter

本文中，采用了梯形公式對(duì)狀態(tài)方程進(jìn)行積分計(jì)算。由于將模型集成在FPGA中，使得模型求解步長(zhǎng)大幅度縮短，梯形公式積分已經(jīng)可以滿足較高的仿真準(zhǔn)確度。

圖4 牽引變流器模型離散化框圖Fig.4 The block diagram of discretization modeling of a traction converter

圖4中給出了變流器模型的離散化具體實(shí)現(xiàn)框圖，其中，Ts為 FPGA模型仿真步長(zhǎng)，為1μs。由于模型中，式（3）相對(duì)較為復(fù)雜，用狀態(tài)方程一般形式進(jìn)行表示。

最后，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)過(guò)程中也考慮了短路故障情況，當(dāng)監(jiān)測(cè)到整流器或逆變器上下橋臂同時(shí)接收到導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，模型會(huì)向上位機(jī)發(fā)送短路報(bào)警信號(hào)。

3 異步電機(jī)建模

電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)通常選取三相異步電機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為列車(chē)提供行駛動(dòng)力。三相異步電機(jī)本身是一個(gè)高階非線性的多變量系統(tǒng)，本文采用靜止αβ坐標(biāo)系下異步電機(jī)模型對(duì)其建模。

3.1牽引異步電機(jī)模型

首先，將牽引變流器的輸出三相電壓uu、uv和uw采用矢量合成方式，轉(zhuǎn)換為兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的電壓uαs、uβs為

因此，在兩相靜止坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的狀態(tài)方程模型如式（9）～式（13）所示。

式中，Rs為定子內(nèi)阻；Rr為轉(zhuǎn)子內(nèi)阻；Lm為互感；Ls為定子自感；Lr為轉(zhuǎn)子自感；ψαs、ψβs為定子磁鏈在α軸和β軸分量；ψαr、ψβr為轉(zhuǎn)子磁鏈在α軸和β軸分量；uαs、uβs為定子電壓在α軸和β軸分量；iαs、iβs為定子電壓在α軸和β軸分量；np為級(jí)對(duì)數(shù)；ωr為轉(zhuǎn)子電角速度；ωm為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

最后，將兩相靜止坐標(biāo)系下的電流iαs、iβs轉(zhuǎn)換為三相交流電流iu、iv和iw，轉(zhuǎn)換公式為

式中，iu、iv、iw作為電機(jī)輸出，同時(shí)作為逆變器的輸入反饋回變流器模型。

3.2FPGA實(shí)現(xiàn)

在FPGA實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，主要是對(duì)模型的離散化處理。圖5給出了異步電機(jī)模型的離散化具體實(shí)現(xiàn)框圖，Ts為FPGA模型仿真步長(zhǎng)，為 1μs。由于式（9）相對(duì)較為復(fù)雜，用狀態(tài)方程一般形式X= AX+BU進(jìn)行表示。

圖5　異步電機(jī)模型離散化框圖Fig.5 The block diagram of discretization modeling of an induction motor

在該模型中，四階狀態(tài)方程以轉(zhuǎn)子和定子磁鏈為狀態(tài)變量，描述電機(jī)電磁特性，一階狀態(tài)方程以轉(zhuǎn)子電角速度ωr為狀態(tài)變量，描述電機(jī)機(jī)械特性。由于轉(zhuǎn)速相對(duì)磁鏈來(lái)說(shuō)是慢變量，ωr(k)與ωr(k+1)的角速度變化差值相對(duì)較小。因此，先由ωr(k)作為初值計(jì)算第k+1時(shí)刻轉(zhuǎn)子和定子磁鏈，再由磁鏈計(jì)算第k+1時(shí)刻Te和ωr。

表3給出了異步電機(jī)模型中變量定點(diǎn)數(shù)表示。

表3　異步電機(jī)變量定點(diǎn)數(shù)表示Tab.3 Fix-point format of variables in an induction motor

表4給出了模型各部分調(diào)用基本運(yùn)算模塊的數(shù)量。加法運(yùn)算、移位和多路選擇均可以在一個(gè)時(shí)鐘周期完成，乘法運(yùn)算相對(duì)復(fù)雜，采用流水線乘法器加以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于一個(gè)N位數(shù)乘法器需要INT(log2N)級(jí)加法實(shí)現(xiàn)。模型中的乘數(shù)均不超過(guò)32位，考慮到移位及其他操作的時(shí)間，乘法運(yùn)算耗時(shí)共6個(gè)時(shí)鐘周期。FPGA芯片時(shí)鐘頻率為 100MHz，乘法運(yùn)算時(shí)間為60ns，其他運(yùn)算操作則需10ns，對(duì)表4各部分求和，共 750ns。此外，模型中需對(duì)關(guān)鍵變量添加寄存器，保證數(shù)值穩(wěn)定，通過(guò)控制器脈沖計(jì)算得到變流器開(kāi)關(guān)函數(shù)，亦需要計(jì)算時(shí)間。故考慮時(shí)間裕量將 100個(gè) FPGA時(shí)鐘周期設(shè)為仿真步長(zhǎng)，即1μs，各計(jì)算模塊受1MHz的信號(hào)觸發(fā)，信號(hào)占空比為1%，保證了每1μs系統(tǒng)完成一次完整運(yùn)算。

表4　模型各部分運(yùn)算模塊使用數(shù)量Tab.4 Numbers of operation modules of each part in this model

本文采用了Xilinx公司的System Generator系統(tǒng)級(jí)工具箱對(duì)整個(gè)電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)模型進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。該工具箱提供了圖形化的設(shè)計(jì)界面，并且提供了Matlab/Simulink的接口。

4 HIL仿真驗(yàn)證

4.1HIL仿真平臺(tái)框架

圖6a和圖6b分別給出了HIL仿真平臺(tái)的框架結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖。上位機(jī)與RT-LAB仿真器通過(guò)以太網(wǎng)線通信，上位機(jī)可觀測(cè)模型中的變量，并可配置模型參數(shù)。RT-LAB實(shí)時(shí)仿真器包含兩個(gè)運(yùn)算單元：CPU為Intel Core-i7處理器，F(xiàn)PGA為Xilinx Virtex-6芯片。CPU將配置信號(hào)通過(guò)PCI-E總線發(fā)送給FPGA，并接收來(lái)自FPGA的待觀測(cè)量。FPGA還負(fù)責(zé)與數(shù)字、模擬板卡通信的工作，模型中的電流、電壓、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬板卡OP5330輸出。其中電壓、電流信號(hào)發(fā)送給 DSP的模-數(shù)模塊。電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)過(guò)正交編碼脈沖（Quadrature Encoder Pulse，QEP）電路，通過(guò)OP5354數(shù)字輸出板卡發(fā)送至DSP的QEP模塊，F(xiàn)PGA通過(guò)數(shù)字輸入板卡OP5353，接收來(lái)自DSP的PWM信號(hào)，控制模型中虛擬的整流器和逆變器。值得一提的是，OP5353、OP5354和 OP5330中的所有信號(hào)都可以在RT-LAB仿真器I/O面板通過(guò)示波器進(jìn)行觀測(cè)。牽引控制單元（TCU）由TI公司TMS320F2812為核心的器件構(gòu)成。

圖6　電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)HIL仿真平臺(tái)Fig.6 The block diagram and photo of hardware-in-the-loop simulation platform for electrical traction drive systems

4.2測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證所建模型的正確性和適用性，基于圖6所示的HIL仿真平臺(tái)，對(duì)電力牽引傳動(dòng)的FPGA模型進(jìn)行測(cè)試。具體系統(tǒng)參數(shù)配置見(jiàn)表 5。其中，逆變器要同時(shí)驅(qū)動(dòng)四臺(tái)異步電機(jī)，脈沖整流器系統(tǒng)控制算法采用瞬態(tài)電流控制，調(diào)制算法采用SPWM。逆變器電機(jī)系統(tǒng)控制算法采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向間接矢量控制，調(diào)制算法采用 SVPWM，低速區(qū)為異步調(diào)制，中高速區(qū)為分段同步調(diào)制。

表5　電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)HIL仿真參數(shù)Tab.5 The HIL simulation parameters of an electrical drive system

圖7所示為單相整流器模型工作在不控整流狀態(tài)時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓、電流仿真波形。以網(wǎng)側(cè)電壓 us＞0時(shí)為例說(shuō)明：t＜t1時(shí)，udc＞us，二極管反向阻斷，整流器 a、b兩橋臂均未導(dǎo)通，is=0；t1＜t＜t2時(shí)，udc＜us，二極管VDr1、VDr4正向?qū)?，整流器a橋上橋臂和b橋下橋臂導(dǎo)通，Ls正向充電，is增大；t2時(shí)刻，udc=us，is增至最大值，由于Ls續(xù)流作用，維持 VDr1、VDr4導(dǎo)通；t2＜t＜t3時(shí)，udc＞us，Ls持續(xù)放電，is減??；t3時(shí)刻，is減小為0，a、b兩橋臂變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。

圖8給出整流器在瞬態(tài)電流控制下，電壓與電流波形。由圖8可知，網(wǎng)側(cè)電流is正弦度高，與交流電壓us同頻同相位，整流器工作在單位功率因數(shù)下。ip為直流側(cè)輸出電流。

圖7　不控整流網(wǎng)側(cè)電壓與電流仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of the main voltage and the line current in diode-rectification mode

圖8　瞬態(tài)電流控制下整流器網(wǎng)側(cè)和直流側(cè)電壓與電流波形Fig.8 Simulation waveforms voltage and current of AC side and DC side of rectifiers with transient current control

圖9 異步電機(jī)矢量控制全過(guò)程的定子電流、轉(zhuǎn)速、直流側(cè)電流和轉(zhuǎn)矩仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of stator current, speed, DC-link current and torque of the asynchronous motor with vector control in the whole operations process

圖9給出了異步電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行全過(guò)程的定子電流、轉(zhuǎn)矩、直流側(cè)電流和轉(zhuǎn)矩波形，其中給定轉(zhuǎn)子磁鏈ψs*=5Wb。t1時(shí)刻，給定轉(zhuǎn)速ωm*=200rad/s，電機(jī)帶載起動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩給定值 Te=3 000N·m，負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL=1 500N·m，電機(jī)勻加速起動(dòng)，相電流 iu起動(dòng)時(shí)電流幅值保持不變，頻率增大，電機(jī)輸入電流ip線性增加，能量由直流側(cè)傳導(dǎo)至電機(jī)側(cè)。t2時(shí)刻，電機(jī)達(dá)給定轉(zhuǎn)速，輸出轉(zhuǎn)矩Te=TL=1 500N·m。t3時(shí)刻，給定轉(zhuǎn)速改變?yōu)棣豰*=?50rad/s，輸出轉(zhuǎn)矩給定值Te=?2 000N·m，ωm勻減速變化，ip突變?yōu)樨?fù)值并呈上升趨勢(shì)變化。t4時(shí)刻，ωm達(dá)給定轉(zhuǎn)速，電機(jī)反轉(zhuǎn)，能量由電機(jī)側(cè)反饋回直流環(huán)節(jié)，ip由正變?yōu)樨?fù)并保持相對(duì)穩(wěn)定。t5時(shí)刻，TL變?yōu)?，Te迅速變?yōu)?，電機(jī)轉(zhuǎn)差也變?yōu)?，電機(jī)轉(zhuǎn)速有略微上升。

在電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中，受變流器體積及散熱器散熱能力限制，除異步調(diào)制外，往往在較高頻率范圍，引入分段同步調(diào)制、方波控制，在保證不超過(guò)發(fā)熱量限制值的前提下，降低電流諧波含量、抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖10中給出了不同調(diào)制模式下，各過(guò)程的牽引電機(jī)三相電流波形。調(diào)制模式切換時(shí)，三相定子電流過(guò)渡平穩(wěn)，證明了FPGA電機(jī)模型在各種調(diào)制模式下都能正確穩(wěn)定工作。

圖10 不同調(diào)制模式過(guò)程中三相定子電流波形Fig.10 Simulation waveforms of three-phase stator current under different module modes

圖11對(duì)比不同實(shí)時(shí)仿真中CPU模型和FPGA模型整流器交流側(cè)電流的變化情況，說(shuō)明FPGA模型運(yùn)算速度上的優(yōu)勢(shì)。圖11a中，CPU模型運(yùn)算步長(zhǎng)為20μs，電流is呈階梯狀變化。對(duì)于開(kāi)關(guān)信號(hào)Tr3、Tr4的窄脈沖，由于模型計(jì)算的延遲，is并未對(duì)其作出響應(yīng)，繼續(xù)增大。圖11b中，F(xiàn)PGA模型運(yùn)算步長(zhǎng)為1 μs，電流連續(xù)性更高。對(duì)于開(kāi)關(guān)信號(hào)Tr3、Tr4的窄脈沖，is立即響應(yīng)變化。FPGA模型相對(duì)于傳統(tǒng)CPU模型提高了仿真計(jì)算速度。

圖11　電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的CPU模型與FPGA模型對(duì)比Fig.11 The comparison between CPU model and FPGA model of an electrical traction drive system

5 結(jié)論

本文以提升電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真速度為目標(biāo)，分析了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，推導(dǎo)了開(kāi)關(guān)邏輯函數(shù)，充分考慮了變流器過(guò)零點(diǎn)換流情況，并采用狀態(tài)方程對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的變流器及異步電機(jī)進(jìn)行建模。通過(guò)System Generator工具將模型集成在FPGA芯片中，由于其高速并行的計(jì)算特性，實(shí)時(shí)仿真步長(zhǎng)僅為1μs，相較于基于CPU的實(shí)時(shí)仿真，速度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，避免了復(fù)雜的時(shí)間補(bǔ)償算法。實(shí)驗(yàn)證明模型的正確性、可靠性。1μs的實(shí)時(shí)仿真步長(zhǎng)提高了HIL仿真動(dòng)態(tài)性能和仿真準(zhǔn)確度，降低了計(jì)算帶來(lái)的延遲。

本文對(duì)電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的建模方法具有普遍性。本文所構(gòu)建的模型包含了電阻、電感和電容等構(gòu)成電路的基本元件，單相及三相變換器，以及非線性的異步電機(jī)模型。建模思路和方法具有一定的借鑒和推廣價(jià)值。

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Microsecond Hardware-in-the-Loop Real-Time Simulation of Electrical Traction Drive System

Hao Qi Ge Xinglai Song Wensheng Feng Xiaoyun
（School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China）

The structure and principle of electric traction drive system are analyzed, and a field-programmable gate array (FPGA) model is built for hardware-in-the-loop (HIL) simulation, to meet the demand of real-time high speed simulation. This model consists of a single-phase rectifier, the DC-link circuit, a three-phase two-level inverter and asynchronous motors. For the inverter and rectifier which include switching devices, logical expression functions are derived under different switching states. State equations and matrix equations are applied in modeling converters and asynchronous motors respectively. In addition, the mathematical model is integrated into the FPGA chip. The test on HIL simulation in the RT-LAB real-time simulator has verified this FPGA model. As a result, the simulation step decreases sharply, breaking the speed limit of general-purpose processor. The real-time HIL simulation method at microsecond level improves the response speed and accuracy of the electrical traction drive system modeling.

Field-programmable gate array, microsecond, hard-in-the-loop, electric traction drive system, real-time simulation, AC-DC-AC

郝 琦 男，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏恳涣鱾鲃?dòng)及其控制。

E-mail: curiouse@gmail.com

葛興來(lái) 男，1979年生，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏恳到y(tǒng)控制及其故障檢測(cè)與診斷技術(shù)。

E-mail: xlgee@163.com（通信作者）

國(guó)家自然科學(xué)基金——高鐵聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U1134205）和國(guó)家自然科學(xué)基金（51207131、51277153）資助。

2014-02-21 改稿日期 2014-07-08