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1. 概述

隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)新能源電動(dòng)汽車提出了越來越多的需求，作為新能源電動(dòng)汽車最重要的組成部分，電機(jī)的性能遭到了極大的挑戰(zhàn)。如何讓電機(jī)響應(yīng)更快、動(dòng)力性更好、效率更高，如何能夠快速開發(fā)高性能的電機(jī)總成，滿足客戶需求，在激烈的市場(chǎng)中占據(jù)自己的一席之地，已經(jīng)成為了各大電機(jī)、電機(jī)控制器廠商亟待解決的問題。恒潤(rùn)科技作為本土高科技企業(yè)，一直致力于電機(jī)HIL （Hardware in the loop）測(cè)試設(shè)備的研發(fā)，將助力電機(jī)、電機(jī)控制器廠商快速開發(fā)高性能產(chǎn)品，滿足市場(chǎng)需求。

2. 測(cè)試需求

電機(jī)HIL測(cè)試設(shè)備主要是針對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行測(cè)試，具備安全、快速、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)﹄姍C(jī)控制器的各項(xiàng)功能進(jìn)行快速測(cè)試。電機(jī)HIL測(cè)試設(shè)備核心部分主要由硬件和模型組成，硬件用于和電機(jī)控制器硬件構(gòu)成電氣回路，模型主要包括逆變器模型和電機(jī)本體模型，用于和電機(jī)控制器的控制算法構(gòu)成邏輯回路，硬件和模型的聯(lián)合給電機(jī)控制器提供了一個(gè)完善的仿真測(cè)試平臺(tái)。文章主要針對(duì)電機(jī)HIL測(cè)試設(shè)備中逆變器模型進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3. 逆變器建模

逆變器的作用是將直流母線電壓調(diào)制為交流電壓，交流電壓產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，帶動(dòng)永磁鐵轉(zhuǎn)子（永磁同步電機(jī)）或者轉(zhuǎn)子線圈（交流異步電機(jī)）轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)調(diào)制的方法不同分為SPWM、SAPWM、SVPWM等。本文不對(duì)調(diào)制方法進(jìn)行展開，主要集中于單個(gè)IGBT和二極管的仿真建模，研究IGBT或者二極管在打開關(guān)閉時(shí)電壓電流的變化過程。



圖1.  逆變器電路

逆變器一般有兩種建模方法，一種方法是把IGBT和二極管當(dāng)做理想的開關(guān)，開關(guān)打開時(shí)，開關(guān)兩端完全斷開，開關(guān)閉合時(shí)，開關(guān)兩端相當(dāng)于導(dǎo)線連接。另一種方法是將IGBT或二極管當(dāng)做可變阻抗，開關(guān)打開時(shí)，IGBT或二極管相當(dāng)于電容，開關(guān)關(guān)閉時(shí)，IGBT或二極管相當(dāng)于電感。第一種方法對(duì)應(yīng)理想開關(guān)模型，第二種方法對(duì)應(yīng)本文將重點(diǎn)講述的高級(jí)逆變器模型。

理想開關(guān)模型
理想開關(guān)模型建模方法極其簡(jiǎn)單，理想開關(guān)模型的基本模型單元是一個(gè)橋臂，當(dāng)上橋臂閉合時(shí)，中間點(diǎn)電壓等于直流母線正極電壓，當(dāng)下橋臂閉合時(shí)，中間點(diǎn)電壓等于直流母線負(fù)極電壓，上橋臂和下橋臂必須一個(gè)打開另外一個(gè)閉合。




該建模方法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，采用簡(jiǎn)單查表就行，能從一定層度反應(yīng)開關(guān)對(duì)三相電電壓的影響，目前很多電機(jī)HIL測(cè)試設(shè)備均采用該方法建模，但是該建模方法也存在很多的缺點(diǎn)：

• 沒有針對(duì)單個(gè)IGBT建模，而是針對(duì)一個(gè)橋臂（兩個(gè)IGBT）的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行建模，這意味著有些算法如半橋控制沒法實(shí)現(xiàn)，意味著沒法對(duì)單個(gè)IGBT或者二極管進(jìn)行故障模擬。

• 沒有考慮二極管導(dǎo)通情況，開關(guān)的導(dǎo)通由兩種可能，IGBT導(dǎo)通或者二極管導(dǎo)通，該建模方法只考慮了IGBT導(dǎo)通。

• IGBT的打開和關(guān)閉需要時(shí)間，這也是死區(qū)控制需要考慮的時(shí)間差，該建模方式中IGBT打開和關(guān)閉是立刻響應(yīng)的，不符合IGBT響應(yīng)特性。

• 該建模方法沒法直接從電路原理上實(shí)現(xiàn)電流的回饋。只能通過負(fù)扭矩的方式計(jì)算出負(fù)電流，從而間接實(shí)現(xiàn)能量回收，這和真實(shí)系統(tǒng)存在差異。

基于以上原因，恒潤(rùn)開發(fā)了高級(jí)逆變器模型。

高級(jí)逆變器模型

高級(jí)逆變器模型建模的原理是：將IGBT或者二極管當(dāng)做一個(gè)可變阻抗，斷開時(shí)，IGBT或二極管相當(dāng)于電容，導(dǎo)通時(shí)，IGBT或二極管相當(dāng)于電感。如果直接按照這種方式進(jìn)行建模，在開關(guān)打開閉合切換的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生電壓電流的不連續(xù)，由于逆變器開關(guān)頻率很快，該建模方式容易導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)散。為了解決這個(gè)問題，可以將IGBT或者二極管當(dāng)做一個(gè)恒流源和一個(gè)固定阻抗并聯(lián)，如圖2所示。其中恒流源的大小取決于IGBT或者二極管是否導(dǎo)通。阻抗的大小取決于被模擬電容和電感的阻抗。

下面根據(jù)一個(gè)電阻和IGBT串聯(lián)的電路來演示IGBT模型的工作過程。圖3是開關(guān)打開過程和閉合過程中IGBT兩端電壓電流的變化情況。IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，IGBT打開，流過IGBT的電流逐漸增大，直到等于E/R，同時(shí)IGBT兩端的電壓逐漸減小，直到0。IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，IGBT關(guān)閉，流過IGBT的電流逐漸減小，直到等于0，同時(shí)IGBT兩端的電壓逐漸增大，直到電源電壓E。



圖2. 開關(guān)閉合過程演示電路



圖3. 開關(guān)打開閉合過程電壓電流變化過程

由圖2的等效關(guān)系對(duì)圖1所示電路進(jìn)行等效：



圖4. 逆變器等效電路

由逆變器等效電路和基爾霍夫定律可以推導(dǎo)出三相電壓和母線電流的計(jì)算公式，最終得到逆變器模型如下：



圖5. 逆變器模型

下面演示六個(gè)IGBT全部關(guān)斷時(shí)逆變器的工作情況，這是理想開關(guān)模型沒法模擬的。（假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速為100rad/s，逆變器母線電壓為580V）

電機(jī)按照轉(zhuǎn)速100rad/s空轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，圖7是電機(jī)模型計(jì)算得到的三相感應(yīng)電流。



圖6. 電機(jī)三相電流

三相感應(yīng)電流流入逆變器，會(huì)計(jì)算出三相電壓，從圖中可以看出三相電壓的峰值約為28V，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為



兩者基本相等，不完全相等的原因是電機(jī)線圈上存在部分壓降。



圖7. 電機(jī)三相電壓

電機(jī)的最終輸出扭矩為0，如圖8所示，這和實(shí)際情況是相吻合的。高級(jí)逆變器模型彌補(bǔ)了理想開關(guān)模型的缺點(diǎn)，能夠更加真實(shí)地復(fù)現(xiàn)IGBT和二極管的打開關(guān)閉過程；能夠模擬出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)電機(jī)、逆變器的影響；能夠直接從電路原理上實(shí)現(xiàn)能量回收。



圖8. 電機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩

優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比



4. 結(jié)語(yǔ)

電機(jī)控制器HIL測(cè)試設(shè)備能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，設(shè)備可靠性高、集成度好、易于使用和配置，便于維護(hù)和擴(kuò)展，同時(shí)，配備強(qiáng)大的自動(dòng)化測(cè)試功能能夠極大的提高測(cè)試質(zhì)量和效率。