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編者按：隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展，人們對新能源電動(dòng)汽車提出了越來越多的需求，越來越想認(rèn)知高級(jí)逆變器模型，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。
1 概述

隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展，人們對新能源電動(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)高性能設(shè)備，滿足市場需求。

2 測試需求

電機(jī)HIL測試設(shè)備主要是針對電機(jī)控制器進(jìn)行測試，HIL測試設(shè)備具備安全、快速、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠電機(jī)控制器的各項(xiàng)功能進(jìn)行快速測試。HIL測試設(shè)備由硬件和模型組成，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)完善的測試平臺(tái)。文章主要針對HIL測試設(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。一種方法是將IGBT和二極管當(dāng)做電感和電容，開關(guān)打開時(shí)，開關(guān)相當(dāng)于一個(gè)電容，開關(guān)關(guān)閉時(shí)，開關(guān)相當(dāng)于一個(gè)電感。

3.1 理想開關(guān)模型

理想開關(guān)模型建模方法極其簡單，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。

定義Sj是三個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)：


中心N點(diǎn)電壓Vng=⅓(Vag+Vbg+Vcg)，則不同開關(guān)狀態(tài)下三相電電壓如下表所示。
該建模方法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡單，采用一個(gè)簡單查表就行，能從一定層度反應(yīng)開關(guān)對三相電電壓的影響，目前很多電機(jī)HIL測試設(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)：

1)沒有針對單個(gè)IGBT建模，而是針對一個(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)，意味著沒法對單個(gè)IGBT進(jìn)行故障模擬。

2)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。

3)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。

4)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，恒潤開發(fā)了高級(jí)逆變器模型。

3.2 高級(jí)逆變器模型

建模的原理是：開關(guān)打開時(shí)，把開關(guān)當(dāng)做一個(gè)電容，開關(guān)閉合時(shí)，把開關(guān)當(dāng)做一個(gè)電感。如果直接按照這種方式進(jìn)行建模時(shí)，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)，而且由于開關(guān)頻率較快，該建模方式容易導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)散。所以采用了一個(gè)等效的方式，把開關(guān)當(dāng)做一個(gè)恒流源和一個(gè)固定阻抗并聯(lián)，如圖1所示。
高級(jí)逆變器模型技術(shù)解析 其中電流源的大小和方向是由開關(guān)的閉合和打開狀況決定的，阻抗的大小是恒定的，由假設(shè)的電容和電感計(jì)算得到。


其中

Gs是等效阻抗

高級(jí)逆變器模型技術(shù)解析
，CS、LS是等效的電容電感，Sk指的是IGBT加二極管的打開和關(guān)閉(注意不是IGBT門極信號(hào)的打開和關(guān)閉，后續(xù)說開關(guān)均指IGBT與二極管并聯(lián)結(jié)構(gòu))。

下面根據(jù)一個(gè)電阻和開關(guān)并聯(lián)的簡單電路來演示該開關(guān)模型的工作過程。圖3是演示電路機(jī)構(gòu)，圖4是開關(guān)打開過程和閉合過程中電壓電流的變化情況。



由逆變器等效電路可以推導(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：

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，感應(yīng)電動(dòng)勢產(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。
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)勢為26V


高級(jí)逆變器模型技術(shù)解析

，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。

電機(jī)的最終輸出扭矩為0，如圖9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)勢對電機(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。

3.3 優(yōu)缺點(diǎn)對比
4 結(jié)語

電機(jī)控制器HIL測試設(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)化測試功能能夠極大的提高測試質(zhì)量和效率。

原標(biāo)題：高級(jí)逆變器模型技術(shù)解析