基于嵌入式系統的異步電機半實物實時仿真平臺

陳 眾， 余思維， 羅 通， 張豐鳴， 文 亮

(1. 湖南省智能電網運行與控制重點實驗室(長沙理工大學),湖南 長沙 410004；2. 國網江西省電力公司 宜春供電分公司，江西 宜春 336000)

基于嵌入式系統的異步電機半實物實時仿真平臺

陳 眾1， 余思維1， 羅 通1， 張豐鳴1， 文 亮2

(1. 湖南省智能電網運行與控制重點實驗室(長沙理工大學),湖南 長沙 410004；2. 國網江西省電力公司 宜春供電分公司，江西 宜春 336000)

提出了一種基于嵌入式虛擬電機閉環控制的半實物仿真平臺。為了精準地模擬出真實電機啟停、變速等過程中內部電磁與機械狀態的變化過程，基于硬件在環技術，構建了一種利用嵌入式裝置運行電機模型搭配實體PLC控制器的硬件在環(HIL)實時仿真平臺。嵌入式裝置與PLC實物控制器進行實時通訊，并通過PLC發出的動作指令調節電機轉速，構成一個閉環實時控制系統，整個過程最終呈現在上位機界面。系統的仿真步長達到200 μs，逼近真實工況。仿真系統分為在線和離線，二者參數一致，得到的轉速及電流電壓波形與MATLAB建模結果比對，實驗結果準確可靠，既滿足在線實時仿真科研，又滿足離線培訓教學演示。相比純實物實驗節約科研經費，縮短時間成本，體現了該硬件在環仿真平臺的可行性與優越性。

嵌入式； 硬件在環； 閉環控制； 實時仿真

0 引言

近年來，隨著電力電子技術和控制技術的飛速發展，使得交流調速的性能可以和直流調速相媲美，交流調速也就成為了電氣傳動領域的研究熱點[1]。但隨著對交流電機的深入研究，原先傳統的研究手段已經不能滿足科研的需求，在電力行業、電氣傳動領域等大型實驗設備為研究主體的科研實踐中，許多由于實驗設備受限產生的弊端開始顯現，如極端工況對設備的損害，操作人員人身安全隱患等[2]。另外，往往真實電機的設計、制造也需要耗費時間，無疑增加了科研時間與成本[3]。

硬件在環(Hardware in Loop，HIL)是半實物實時仿真技術的一種重要工程形式，即被控對象采用實時數學模型模擬，與真實的控制器連接，進行整個系統的半實物實時仿真測試[4]，可以方便地實現設計方案的驗證與優化，縮短開發周期，降低研發成本，并且對在現實中難以實現的設備極端工況如電機各種短路，進行實時模擬而不會對設備造成損害，降低試驗風險。HIL仿真中最需要解決的問題就是“實時性”的問題，對系統響應時間有著很高的要求[5]。文獻[6]提出了一種多微機并行處理交流電機實時仿真系統，采用數字形式對交流電機進行建模仿真，步長為1 ms，雖然能夠較準確展示電機內部情況，但對于精確實時仿真仍無法滿足要求。文獻[7]提出了一種基于FPGA定參數模型的三相異步電機及逆變器實時仿真模型，步長達到了1 μs，并實現了HIL實時仿真試驗。

為了有效地模擬電機內部真實工況，本文提出了一種基于嵌入式系統的電機硬件在環實時仿真，在嵌入式板卡中搭載電機模型，連接到以PLC作為控制器的真實設備上，實現HIL的半實物實時仿真[8-19]。以異步電機的調速實驗為例測驗和調試整個系統，并同步在MATLAB 中建模進行對比驗證，驗證該仿真系統的可靠性。所設計的仿真系統具有研發成本低，學習周期短，安全性好等優點。

1 異步電機數學模型搭建

基于建模方便，采用旋轉坐標系下的dq軸模型，只需Park變換，無需旋轉變換，省去了計算同步旋轉角度θ及運行實時模型時查詢三角函數帶來的資源占用和時間消耗。轉換后的dq軸數學模型為：

定子側電壓方程為：

(1)

轉子側電壓方程為：

(2)

磁鏈方程為：

(3)

式中：Ls、Lr、Lm分別為定子自感、轉子自感、定轉子互感；Rs、Rr分別為定子電阻、轉子電阻；L1σ、Lms分別為定子相繞組漏電感和主電感；L2σ為轉子相繞組漏電感；w、wr分別為旋轉磁場的電角速度和轉子的電角速度；p為微分算子。因此，dq0軸下異步電機的等效電路如圖1。

圖1 異步電機dq軸等效電路

2 電機硬件在環實時仿真平臺

2.1系統構架

本仿真平臺由嵌入式仿真裝置、PLC控制器和PC上位機仿真軟件3個部分組成，系統結構如圖2所示。嵌入式系統中運用了FPGA和ARM等硬件技術，運行電機仿真算法，模擬電機運行狀態，并與上位機和控制器進行數據交換；控制器部分是PLC實際設備，對虛擬電機進行狀態監測并發出指令信號進行反饋控制；上位機軟件由Visual Stuido 2013開發，提供各種電機模型參數設置、工作特性展示等，并且可進行離線與在線實驗。

圖2 硬件在環實時仿真系統結構框圖

2.2嵌入式裝置的說明

嵌入式裝置外觀如圖3所示，將在VS軟件環境下開發的虛擬電機模型的控制算法移植到由FPGA及ARM等搭建的硬件環境中，運行電機仿真算法、模擬電機運行狀態，并與控制器與上位機進行數據交互，查看電機實時仿真狀態。CPU標準主頻800 MHz，板卡I2C串行24CXX系列EEPROM，可用于存儲128字節數據，因為電力系統常用頻率50 Hz,一個周波20 ms，每個周波滿足128個采樣點，便于傅里葉算法。仿真系統能夠實現200 μs定時周期，并具有在此周期內30階離散狀態方程運算的能力。系統具有12路16位同步A/D和16路16位D/A用于每個周波滿足128個采樣和輸出。

圖3 嵌入式裝置實體圖

2.3硬件在環實驗設計

為了系統地研究異步電機的工作特性及運轉下的內部情形，實驗范圍應當包括電機的啟動、調速、制動及工作特性實驗。將異步電機模塊搭載到嵌入式裝置中，根據不同的實驗開發不同的算法，在VS環境中實現不同控制策略的編程，配合實體控制器或者外接電路設備實現對實驗進程的控制，完成硬件在環實時仿真，并通過上位機的顯示界面對其進行系統的展示和研究。

2.4輸入輸出定義及閉環控制過程

仿真平臺的輸入量包括定子電壓Us、定子電流Is、負載轉矩Tm等、輸出量包括轉子電壓Ur、轉子電流Ir、電磁轉矩Tem、功率因素cosφ、及功率p等。

嵌入式裝置實時運行電機模型，電壓信號(或電流信號)Ua、Ub、Uc先經過3S/2R換為Uq、Ud，然后進行仿真運算。輸出的定、轉子電壓電流等信號通過DA轉換成模擬量后輸入到PLC控制器的I/O口，PLC在對所采集數據進行監測的同時通過預設程序對信號進行運算并向其電機發出動作指令，輸出模擬量信號再經過轉換給嵌入式系統進行內部運算從而調整電機轉速，同時將轉速信息反饋給PLC控制器，構成一個閉環系統。控制器和嵌入式系統之間通過485通信連接，嵌入式系統與上位機系統通過TCP/IP連接。整個仿真系統在一個周波20 ms內滿足128個采樣點，實現200 μs定時周期，解決實時性問題。

3 硬件在環實時仿真實驗

3.1電機硬件在環仿真實驗

實驗部分由在線與離線實驗2部分完成。在線實驗為HIL仿真，通過嵌入式裝置內的電機模型運算電機內部參數，數據與PLC同步通訊，并通過PLC反饋指令調節電機轉速；離線模型中又充分考慮了實際物體，脫開嵌入式裝置和控制器，在軟件環境中建立了仿真模型，其參數可以直接應用到半實物仿真中，達到了離線仿真和真實系統的參數一致性。

離線和在線實驗均由PC端的上位機進行展示，上位機程序由VS環境開發完成，它在圖形處理和數據庫管理等方面具有較強的優勢，并且用它來實現底層的通訊控制有著更快的效率，設計的界面簡潔友好。本文研發的嵌入式系統電機硬件在環仿真平臺操作主界面參數如表1所示。在上位機界面可進行電機模型和實驗類型的選擇并查詢部分相關參數。

表1 仿真平臺主界面參數

3.2異步電機轉子繞組串電阻調速實驗

選擇異步電機轉子串電阻調速實驗來測試實時仿真平臺。異步電動機的轉速公式為：

(4)

式中：n為轉子轉速；s為轉差率；f1為電源頻率；p為極對數。

這里通過對轉子回路串入電阻來改電動機的轉差率從而實現對轉速的調節。根據電磁力矩公式：

(5)

由于負載力矩不變，則有：

可得：

(6)

由公式(6)可計算出所需串入的外接電阻R為15 Ω。實驗內容為待電機啟動穩定后串入外接電阻，使得電機從額定轉速(1 471 r/min)下降至 1 200 r/min。進入實驗頁面后，啟動電機待穩定運行進入額定轉速，串入15 Ω的外接電阻直至再次穩定運行。調速實驗波形圖如圖4所示，同時可設置電阻大小并通過上位機與控制器的通訊實時控制實驗進程，生成的轉速波形圖清晰直觀。

圖4 異步電機轉子串電阻調速實驗轉速波形圖

由于在線實驗為實時仿真，通常實驗在極短的時間內可完成，為了便于觀察實驗過程，可通過實驗回放觀察機械轉矩及定轉子側的波形圖，如圖5和圖6所示。

圖5 定子側三相電流仿真波形

圖6 轉子側三相電流仿真波形

4 MATLAB仿真驗證及實驗結果對比分析

在MATLAB中首先模擬異步電機全壓啟動的過程，同樣讓異步電機直接啟動后的穩定轉速在 1 500 r/min左右，再通過編寫程序使轉子在串入電阻后轉速控制在1 200 r/min左右。

整個過程包括全壓啟動和轉速調節2個部分，該電機全壓啟動過程大致在0～0.3 s時間段內，通過直接啟動獲取穩定運行參數運用在后面的調速過程，由于重點為調速階段所以啟動階段不做詳細說明。調速過程部分程序說明如下：

%調試控制

if t>0.3

wr_e=-wr_target+wr;

Rint=Rint+Ki*wr_e;

Romga=Kp*wr_e+Rint;

SM.R=[SM.Rs 0 0 0;

0 SM.Rs 0 0;

0 0 SM.Rr+Romga 0;

0 0 0 SM.Rr+Romga];

SM.RLinv=SM.R*SM.Linv;

end

%反變換，獲取相關交流量

P_theta_c=[cos(theta_c)sin(theta_c); (-cos(theta_c)+sqrt(3)*sin(theta_c))/2 (-sqrt(3)*cos(theta_c)-sin(theta_c))/2];

最后得到如圖7所示的模擬異步電機啟動調速過程轉速圖形，與仿真系統的結果進行對比驗證。

圖7 異步電機轉子串電阻調速MATLAB仿真波形圖

對比MATLAB仿真結果可直觀發現，二者均在0～0.3 s左右屬于電機啟動狀態，0.3 s之后基本進入穩定運行，轉速達到預設1 500 r/min左右，在0.6 s時刻串入轉子電阻，電機轉速開始下降，并最終在1 s時間內穩定在1 200 r/min左右，轉速波動過程相似，曲線吻合程度高，且定轉子電流在整個仿真過程的波動情況符合實際工況，達到了預期目的。仿真結果表明：異步電機轉子串電阻調速實時仿真實驗的動態響應與實際調速系統的運動過程基本上是相吻合的，仿真結果能夠比較準確地反映串電阻調速系統的實際工況，從而驗證了該半實物仿真系統的可行性。

5 結論

本文提出的基于嵌入式系統的電機硬件在環實時仿真平臺模擬出的電機狀態逼近實際工況，仿真實時性較好。為深入研究電機系統提供了一個安全、直觀、經濟、高效的環境。與其他仿真平臺相比，本平臺既包含在線實時仿真，系統模型建立準確，配合實物設備完成硬件在環實驗，高效可靠，用于科研實踐；又包括離線實驗，純軟件環境中建立的模型與在線實驗參數一致，用于培訓教學。由于硬件在環技術的實施，使得實驗對象不單局限于電機本身，更可配合實際設備研究其工作特性及驗證、調試控制程序等，大量節省了實驗成本，同時縮短研發周期。目前該實驗平臺已成功應用于實踐，并與多家電科院及電力公司展開合作。

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Real-time Simulation Platform for Asynchronous Motor Basedon Embedded System

CHEN Zhong1， YU Siwei1， LUO Tong1， ZHANG Fengming1， WEN Liang2

(1. Hunan Province Key Laboratory of Intelligent Power Grid Operation and Control, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China;2.State Grid Jiangxi Yichun Power Supply Company,Yichun 336000,China)

A hardware-in-the-loop simulation platform based on embedded virtual motor closed-loop control is proposed in this paper. In order to accurately simulate the process of internal electromagnetic and mechanical state change during the process of starting and stopping the motor, a hardware-in-the-loop real-time simulation platform with the embedded device implementing the motor model and the real physical PLC controller was developed based on the HIL technology. Embedded device communicates with physical PLC controller in real time and adjusts the motor speed through the action command issued by PLC, which constitute a closed-loop real-time control system. The whole process eventually presented in the host computer interface. The simulation step of the system reaches 200 μs, approaching the real working condition. The simulation system is divided into online and offline situations and the two parameters are consistent. The obtained speed and current voltage waveform are accurate and reliable by comparing with the MATLAB modeling results. It meets both the real-time simulation of online research and the offline training and teaching demonstration. Compared with the pure physical experiment, it saves research funding and cuts the time cost, which embodies the feasibility and superiority of hardware-in-the-loop simulation platform.

embedded; hardware-in-the-loop; closed-loop control; real-time simulation

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.10.003

TM343

A

1672-0792(2017)10-0016-06

2017-06-07。

陳眾(1974-)，博士，副教授，研究方向為電力系統與控制。余思維(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統仿真。