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在交通运输和某些行业的电驱动系统开发中逆变器仿真，直接用实际电机系统测试新控制器既困难又昂贵。 因此，需要一个介于离线仿真和实机测试之间的变频-交流电机实时仿真器，与实控器硬件连接，在闭环条件下对实控器进行实时测试。 由于实时仿真系统回路中涉及实际控制器硬件，故称为硬件在环仿真（Hardware-in-the-Loop Simulation）。

虽然在真实系统上进行测试是必不可少的，但是用真机进行极限和失效测试是比较困难的，而实时模拟器可以自由给出各种测试条件来测试被测控制器的性能，所以真实time 模拟器可用作快速控制原型制作（Rapid Control Prototyping）的虚拟试验台，在电机、逆变器、电源和控制器需要同时工作的并行工程中必不可少。

图1 电源-滤波器-逆变器-交流电机系统

由于目前数字计算机处理速度的限制，无法实现亚微秒级物理模型的实时仿真，需要对逆变器的开关过程进行理想化处理，因此引入了离散事件系统。 离散事件逆变器子系统与连续时间电机子系统耦合，使变流器-电机实时模拟器成为一个可变因果和变结构系统。 变量因果关系是指在离散切换事件发生前后，描述连续时间电机子系统的动态方程的输入变量和输出变量会发生位置变化； 变结构是指在仿真过程中，离散的开关事件触发状态转换，导致连续系统结构发生变化。 因此，需要不断调整和初始化动力学方程[1]。

框图建模工具Simulink是控制工程仿真的行业标准，但Simulink本质上是一种赋值运算，其框图所描述的系统是因果关系。 为了应用Simulink建模工具，变流器-电机实时仿真系统应解耦为两个独立的子系统，以消除因果关系和结构变量的问题。

作为函数建模方法之一，开关函数可用于确定变换器开关器件的电压和电流波形计算，用于系统优化设计。 它已成功应用于变流器的离线仿真[2-3]。 本文应用文献[2]

根据开关函数描述法，利用实际控制器输出的PWM开关逻辑信号定义正、负半桥开关函数，建立逆变器的Simulink模型。 该模型不仅可以在实时仿真系统中实现逆变器与电机模型的解耦，还可以确定逆变器设置的开关死区时间，防止同一桥臂的开关管通过。 本文还将给出基于dSPACE实时环境的变频-异步电机控制系统实时仿真的实现方法和结果。

图2 逆变器系统的Simulink框图

1 逆变器 Simulink 模型

双电平三相电压源逆变器由6个开关管和6个与开关管反并联的续流二极管组成，如图1所示。6路PWM开关逻辑信号a+、b+、c+； 实际控制器输出的a-、b-、c-用于定义逆变器a、b、c三相正半桥开关函数：

Sfap=1×a+,SFbp=1×b+,SFcp=1×c+

和负半桥开关功能：

SFan=1×a-，SFbn=1×b-逆变器仿真，SFcn=1×c-。

那么全桥开关函数为：

SFa=Sfap-SFan，SFb=SFbp-SFbn，SFc=SFcp-SFcn。

逆变器输出端子a、b、c与直流电流中点o之间的电压为：uao=0.5VDC×Sfab，ubo=0.5VDC×SFb，uco=0.5VDC×SFc，

其中，VDC为直流环路电压。 产生的线路电压为：

uab=uao-ubo,ubc=ubo-uco,uca=uco-uao

相电压为：

uan=uao-uno,ubn=ubo-uno,ucn=uco-uno。

式中uno=(1/3)(uao+ubo+uco)为电机三相绕组中点n与直流电流中点o之间的电压。

正半桥a、b、c相投切装置的电流为：

is1=ia×Sfap,is3=ib×SFbp,is5=ic×SFcp

负半桥a、b、c相开关器件电流为：

is4=ia×SFan,is6=ib×SFbn,is2=ic×SFcn

三相电流为：

ia=is1+is4, ib=is3+is6, ic=is5+is2

此外，开关电流为：

is1=is1_s-is1_D, iS4=is4_D-is4_s

直流电流为：

iDC=is1+is3+is5

其中is1_s、is1_D、is4_s、is4_D分别为a相正负半桥开关管和续流二极管电流。 据此，可以建立逆变器的Simulink框图模型。 图2(a)~(d)分别是逆变器模型顶层和底层的Simulink框图。

2 实时仿真系统的实现

著名的机电控制系统开发平台是基于MATLAB/Simulink/Real-Time Workshop开发的dSPACE实时系统[4-5]。 本文相关课题选用单板dSPACE系统DS1103。

图3 主机/目标计算机结构

DS1103采用32位精简指令集处理器PowerPC 604e进行浮点计算。 精简指令集处理器采用小指令集和多寄存器结构，指令执行简单、快速； 单周期指令的统一使用，克服了复杂指令集的复杂性。 缺点。

DS1103板插入PC机主板的ISA扩展槽，由PC机供电。 所有实时计算均由 DS1103 独立执行，而 dSACE 的测试工具软件在主机 PC 上并行运行。 上位机/目标机结构如图3所示。

Real-Time Interface（RTI）是dSPACE系统的实时实现软件。 扩展了实时代码生成软件Real-Time Workshop，集成了dSPACE系统I/O硬件的实时模型，可以实现从Simulink模型到dSPACE系统的实时C代码自动生成，生成的实时代码包括实时内核和应用代码[6]。 RTI 还根据信号和参数生成可变文件，可以使用 dSPACE 的测试工具软件 ControlDesk [7] 访问该文件。

在强大的实时代码实现软件RTI和界面友好的测试软件ControlDesk的支持下，可以快速实现电驱动系统的快速控制原型和硬件在环仿真测试。 图4是采用上述逆变器模型和dSPACE系统I/O硬件模型搭建的逆变器-交流电机系统的Simulink框图。 图下部为变频-异步电机系统模型。 作为实时任务T1，模型具有实际控制器的硬件接口，可输入6路实际PWM开关信号，输出电流、电压等模拟信号； 上半部分是PWM控制器模型，作为实时任务T2，该模型通过DSP控制器F240硬件产生实时PWM信号。 T1和T2工作在异步采样模式，构成双定时器任务系统。 为了减小采样控制器输出的可变延迟引起的抖动的影响，T1的采样率设置得远高于T2的采样率。

3 实时仿真结果

系统仿真针对电动汽车动力驱动系统，逆变器参数为：PWM开关频率fPWM=1kHz，开关死区时间=7μs； 直流电源及滤波参数为：电池开路电压Ebo=288V，电源内阻Rb=0.03Ω，滤波电容C=10000μF； 异步电机参数：132V、182A、50Hz、45kW、2900rpm； 负载扭矩=50Nm； 交流电源参数：相电压幅值=100V，频率=50Hz。 实时仿真采用欧拉数值积分法（ODE1），T1采样周期=11μs，T2采样周期=PWM周期=1ms。

图 4 逆变器交流电机 Simulink 框图

图5为相电压uan、相电流ia、a相上半桥开关电流is1、S1开关管电流is1_s、S1续流二极管电流is1_D、直流环路电压VDC、直流环路电流iDC、总任务执行时间T1 /tTT和T2/tTT的实时仿真波形。 由图还可以看出逆变器输出电压空间矢量的矢量端轨迹为正六边形，包含零电压矢量到六边形顶点的连线； 而电机转子磁链空间矢量的矢量端轨迹是圆的。 实时仿真系统长期连续运行，不存在数值不稳定问题。

作为对比，对系统参数相同的变频-交流电机系统进行步长100ns的离线仿真，采用与实时仿真相同的Simulink模型（无硬件接口）和数值积分方法. 结果是较小的步长并没有显着提高仿真精度，这表明11 μs步长的实时仿真已经具有较高的仿真精度。

图5 逆变系统实时仿真界面及波形图

本文提出的逆变器模型已成功应用于交流永磁同步电机、无刷直流电机和异步电机驱动系统的硬件在环仿真试验。