一种实时仿真方法及系统技术方案

本申请公开了一种实时仿真方法及系统，适用于交流牵引传动系统，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，该方法基于FPGA和处理器实现的两电平电压源型变流器和三相交流异步鼠笼电机拓扑结构电路的混合实时仿真，其中占用资源较多的乘法运算、变化相对缓慢和需要进行参数设置的变量由处理器来运算；而与门开关信号有关，相对变化较快的系统输入/输出变量由FPGA直接进行累加运算，同时，FPGA的I/O通道用于采集系统输入的门开关信号和输出系统需要输出的变量，以达到最大程度减少FPGA资源占用和处理器运算带来的延时的目的，并充分发挥处理器运算潜力和FPGA高精度优势，使在不增加仿真硬件平台成本的同时，有效扩展交流传动机车/车辆牵引系统的仿真规模。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及交流牵引传动
，更具体的说，是涉及一种实时仿真方法及系统。
技术介绍
在交流牵引传动领域，随着电力电子和驱动系统控制器智能化和复杂化的增加，实时仿真是系统仿真模型的动态过程与实际系统的动态过程的时间进程完全相同的仿真研究。例如:如附附图说明图1所示控制器的HiL (Hardware-1n-the-Loop,硬件回路)实时仿真，开发好的控制器是被测试设备，采用与实际设备相同的连接方式，连接到HiL虚拟设备上。HiL仿真基于高性能处理器Pro或FPGA (Field 一 Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)实时运行，能精确地模拟实际传感器、执行机构和电气设备的电气特性。因此，控制器开发工作可以在HiL仿真上进行，这与通过驱动系统原型设备进行开发相比，可以大大节约开发周期、减少验证风险和降低开发成本。在现有技术中，电力传动系统通常含有高速的电力电子开关器件，控制器调制变化的驱动信号给高速开关器件实现开、关，如IGBT。与离线仿真不同，HiL仿真器采用定步长数学方法实时运行，这样使HiL仿真器和控制器运行不同步，不可避免出现仿真步长内出现开关过程，致使控制器的开关信号丢失，进而导致传动系统状态变化存在计算误差。因此，采用基于处理器Pro和基于FPGA的HiL仿真，其中，基于处理器Pro的HiL仿真，虽然能精确计算固定采样间隔的系统状态变量，但是由于顺序指令执行系统软件和实时处理器的硬件消耗，导致的仿真步长限制引起的等待或者HiL仿真延迟，通常比真实的设备要长很多，最长的延迟可能比一个仿真时间步长长。目前，最小时间步长约20 μ S，因此，与实际的变流器和电机相比，由于处理器Pro运行带来的额外的延迟将引起Hil仿真相当大的误差，无法达到实时仿真的要求；另一种基于FPGA的HiL仿真，因其设备资源有限，编译整合时间较长，占用的资源及消耗较多，也无法达到实时仿真的要求。因此，本专利技术提供一种实时仿真方法及系统，能够实现减小误差及减少占用的资源和消耗，达到实时仿真的要求，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种实时仿真方法及系统，以能够实现减小误差及减少占用的资源和消耗，达到实时仿真要求的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案:—种实时仿真方法，适用于交流牵引传动系统，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，包括:确定实时仿真拓扑结构，采用开关函数的方法建立仿真电路的等效模型；根据所述电动机的模型选择合理的状态变量，建立连续的空间状态方程组；将所述连续的空间状态方程组进行拆分并离散化处理，得到第一方程组和第二方程组；处理器计算所述第一方程组中与所述变流器的开关函数无关和在所述处理器仿真步长内认为常量的部分以及所述第二方程组；FPGA采集控制器输出的门开关信号，并计算与所述变流器的开关函数相关的部分；采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，并经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器。其中，所述连续的空间状态方程组为:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实时仿真方法，适用于交流牵引传动系统，其特征在于，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，包括：确定实时仿真拓扑结构，采用开关函数的方法建立仿真电路的等效模型；根据所述电动机的模型选择合理的状态变量，建立连续的空间状态方程组；将所述连续的空间状态方程组进行拆分并离散化处理，得到第一方程组和第二方程组；处理器计算所述第一方程组中与所述变流器的开关函数无关和在所述处理器仿真步长内认为常量的部分以及所述第二方程组；FPGA采集控制器输出的门开关信号，并计算与所述变流器的开关函数相关的部分；采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，并经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器。

【技术特征摘要】
1.一种实时仿真方法，适用于交流牵引传动系统，其特征在于，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，包括: 确定实时仿真拓扑结构，采用开关函数的方法建立仿真电路的等效模型； 根据所述电动机的模型选择合理的状态变量，建立连续的空间状态方程组； 将所述连续的空间状态方程组进行拆分并离散化处理，得到第一方程组和第二方程组； 处理器计算所述第一方程组中与所述变流器的开关函数无关和在所述处理器仿真步长内认为常量的部分以及所述第二方程组； FPGA采集控制器输出的门开关信号，并计算与所述变流器的开关函数相关的部分；采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，并经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器。2.根据权利要求1所述的实时仿真方法，其特征在于，所述连续的空间状态方程组为:3.根据权利要求2所述的实时仿真方法，其特征在于，所述将所述连续的空间状态方程组进行拆分并离散化处理，得到第一方程组和第二方程组具体为: 将所述连续的空间状态方程组进行拆分，得到系统内部状态变量与所述变流器的开关 函数无关部分4.根据权利要求3所述的实时仿真方法，其特征在于，所述第一方程组为:5.根据权利要求1所述的实时仿真方法，其特征在于，所述采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，并经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器具体为: 采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，得到累加计算结果； 将所述累加计算结果经过克拉克逆变换之后，通过所...

【专利技术属性】
技术研发人员：佟来生，李希宁，邹焕青，郭婉露，
申请(专利权)人：南车株洲电力机车有限公司，
类型：发明
国别省市：