軌道交通車輛交流傳動系統(tǒng)硬件在回路仿真技術(shù)進展

陳鑫磊 王晨霞

武漢地鐵運營有限公司 湖北武漢 430000

1 發(fā)展?fàn)顩r

在FPGA技術(shù)出現(xiàn)之前，門信號捕捉是實時仿真電氣傳動系統(tǒng)的主要瓶頸。在ADRTANZ仿真項目中，dSPACE數(shù)字波形捕捉板DS5001用來捕捉PWM信號，它提供了16通道，采樣時間為。應(yīng)用現(xiàn)代FPGA技術(shù)，運行頻率為內(nèi)被捕捉。在數(shù)字實時HIL仿真器中，位置傳感器采用dSPACE的高速來簡化模擬。工業(yè)和牽引傳動普遍應(yīng)用的速度傳感器有2種：①旋轉(zhuǎn)變壓器：最常用旋轉(zhuǎn)變壓器是一種空心軸旋轉(zhuǎn)變壓器，在結(jié)構(gòu)上保證了其定子和轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)一周）之間空氣間隙內(nèi)磁通分布符合正弦規(guī)律，因此，當(dāng)激磁電壓加到定子繞組時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組便產(chǎn)生感應(yīng)反饋電壓，其輸出電壓的大小取決于轉(zhuǎn)子的角向位置，即隨著轉(zhuǎn)子偏移的角度呈正弦變化。通過測兩相電壓相對幅值確定轉(zhuǎn)子與定子的相對角度，從而確定軸的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。②編碼器：編碼器就是數(shù)字化的旋轉(zhuǎn)變壓器。增量編碼器有時被稱為相對編碼器，比絕對編碼器設(shè)計簡單。它包括對應(yīng)通道A和通道B的兩路輸出的2個傳感器。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時。通道會產(chǎn)生脈沖串，輸出頻率與軸轉(zhuǎn)速成正比，信號之間的相位關(guān)系反映旋轉(zhuǎn)的方向。應(yīng)用FPGA技術(shù)，旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器的特性能被準(zhǔn)確地模擬出來，為控制器產(chǎn)生與實際速度傳感器相同的輸出信號[1]。

2 軌道交通車輛交流傳動系統(tǒng)硬件在回路仿真技術(shù)進展

2.1 基于數(shù)字化計算的仿真器

自從20世紀90年代中期以來，數(shù)字處理器的計算能力已經(jīng)足夠強大，能滿足實時HIL仿真的需要，來模擬軌道車輛牽引傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能。對大規(guī)模系統(tǒng)實時仿真而言，例如軌道車輛交流傳動系統(tǒng)，并行計算和計算單元之間的高速通信也是非常重要的。工業(yè)中廣泛應(yīng)用的實時仿真器有4種：①內(nèi)置仿真器：處理器中的控制系統(tǒng)內(nèi)置仿真模型，不用外部硬件就能模擬系統(tǒng)運行狀態(tài)。這對測試控制軟件或者現(xiàn)場故障診斷是非常有用的，但通信瓶頸或者外匍設(shè)備的設(shè)計缺陷都無法克服，這種類型仿真器不屬于仿真器。②控制器作為仿真器：仿真軟件在與控制器同樣的硬件上執(zhí)行，實施實時HIL仿真。2個控制器，一個用作控制，另一個運行仿真模型。因為具有相同的硬件結(jié)構(gòu)，兩者之間連接、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的負擔(dān)最小，建立這樣的仿真系統(tǒng)費用也相對低一些。但是仿真模型的算法通常比控制算法更為復(fù)雜，控制器不一定適合當(dāng)做仿真器來用。③專用實時仿真器：專用實時仿真器克服了第2種仿真器的缺點。借助于精簡指令集、復(fù)雜指令集、超大規(guī)模集成電路技術(shù)以及處理器板之間的高速通信，實現(xiàn)了專用實時仿真器巨大的計算能力。除了系統(tǒng)動態(tài)性能，傳感器和真實設(shè)備接r丁也能實時模擬，但專用仿真器比其他種類仿真器硬件投資大。仿真器是最流行的專用仿真器之一。每個計算節(jié)點都有1個處理器板和I/O板。處理器板和I/O板之間的通信由外同高速的I/O總線執(zhí)行，連接多個計算節(jié)點來構(gòu)成多處理器仿真大系統(tǒng)模型[2]。

2.2 基于FPGA的仿真器

混合仿真器主要由數(shù)字處理器、模擬處理器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理器和計算機構(gòu)成。計算機提供相對友好的人機界面，使用者可以用編程語言在源文件中描述應(yīng)用程序，源文件經(jīng)過解析、分離后再發(fā)送到模擬和數(shù)字處理器中的編譯器，由數(shù)據(jù)交換器完成2種處理器之間的信息交換。這種混合仿真器盡可能地利用了當(dāng)時的新技術(shù)，由計算機軟件實現(xiàn)了相對友好的人機界面。然而，受到數(shù)字化技術(shù)的限制，科學(xué)計算中最重要的積分器由模擬技術(shù)來完成。FPGA技術(shù)從20世紀80年代中期出現(xiàn)以來，它的容量每年增長約1倍[3]。當(dāng)前FPGA芯片可容納超過30萬個邏輯單元，這樣在單獨的FPGA芯片上就能夠執(zhí)行大型的控制和仿真系統(tǒng)。迄今為止，在電力電子和電氣傳動領(lǐng)域FPGA主要用于執(zhí)行控制算法和產(chǎn)生PWM門控信號，也被用做獨立處理器或者是DSP處理器的輔助處理器。今天的電氣傳動控制硬件基于微處理器或者DSP，在將來也許越來越多地傾向采用FPGA或者是采用在實時I-IIL仿真領(lǐng)域，F(xiàn)PGA主要用于硬件接口，例如PWM測量，位置傳感器模擬中，F(xiàn)PGA首次作為獨立處理器來實時仿真一個完整的交流傳動系統(tǒng)，系統(tǒng)包括整流器、直流中間環(huán)節(jié)、逆變器和異步電機，控制器采用同樣的FPGA芯片模擬。仿真器用快速開發(fā)硬件描述語言（VHDL）開發(fā)，能夠模擬2電平6脈沖的基于IGBT的電壓型變流器和感應(yīng)電機，固定步長為12.5ns，這樣可以高精度地模擬電氣傳動系統(tǒng)。基于FPGA與DSP聯(lián)合的實時仿真器，DSP適合處理連續(xù)過程，而FPGA則用于提高仿真器性能.仿真步長為2.5ixs。基于FPGA的仿真器具有2個顯著特征：①步長小，這樣不用復(fù)雜的補償算法；②設(shè)備的開關(guān)特性能詳細地表達，當(dāng)前技術(shù)情況下，基于FPGA的仿真器仍沒有廣泛地應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)和研究中，仿真規(guī)模限制在中小型系統(tǒng)，主要瓶頸在于一是相對應(yīng)用少和建模過程難度大；二是對復(fù)雜系統(tǒng)建立的FPGA群而言，常用離散求解方法的正確性有待于驗證。既然代碼工具箱允許用戶圖形化地建立控制和仿真模型，可預(yù)見會有越來越多的FPGA技術(shù)應(yīng)用于實時仿真領(lǐng)域[4]。

3 結(jié)語

綜上所述，基于FPGA的仿真器前景廣闊，但無法滿足大系統(tǒng)仿真的需要，大系統(tǒng)仿真的主要選擇對象，具體采用哪種硬件設(shè)備可以根據(jù)仿真系統(tǒng)的規(guī)模、投入資金多少、仿真器技術(shù)積累情況而定。