轨道交通车辆交流传动系统硬件在回路仿真技术进展

陈鑫磊 王晨霞

武汉地铁运营有限公司 湖北武汉 430000

1 发展状况

在FPGA技术出现之前，门信号捕捉是实时仿真电气传动系统的主要瓶颈。在ADRTANZ仿真项目中，dSPACE数字波形捕捉板DS5001用来捕捉PWM信号，它提供了16通道，采样时间为。应用现代FPGA技术，运行频率为内被捕捉。在数字实时HIL仿真器中，位置传感器采用dSPACE的高速来简化模拟。工业和牵引传动普遍应用的速度传感器有2种：①旋转变压器：最常用旋转变压器是一种空心轴旋转变压器，在结构上保证了其定子和转子（旋转一周）之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律，因此，当激磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应反馈电压，其输出电压的大小取决于转子的角向位置，即随着转子偏移的角度呈正弦变化。通过测两相电压相对幅值确定转子与定子的相对角度，从而确定轴的转角和转速。②编码器：编码器就是数字化的旋转变压器。增量编码器有时被称为相对编码器，比绝对编码器设计简单。它包括对应通道A和通道B的两路输出的2个传感器。当轴旋转时。通道会产生脉冲串，输出频率与轴转速成正比，信号之间的相位关系反映旋转的方向。应用FPGA技术，旋转变压器和编码器的特性能被准确地模拟出来，为控制器产生与实际速度传感器相同的输出信号[1]。

2 轨道交通车辆交流传动系统硬件在回路仿真技术进展

2.1 基于数字化计算的仿真器

自从20世纪90年代中期以来，数字处理器的计算能力已经足够强大，能满足实时HIL仿真的需要，来模拟轨道车辆牵引传动系统的动态性能。对大规模系统实时仿真而言，例如轨道车辆交流传动系统，并行计算和计算单元之间的高速通信也是非常重要的。工业中广泛应用的实时仿真器有4种：①内置仿真器：处理器中的控制系统内置仿真模型，不用外部硬件就能模拟系统运行状态。这对测试控制软件或者现场故障诊断是非常有用的，但通信瓶颈或者外匍设备的设计缺陷都无法克服，这种类型仿真器不属于仿真器。②控制器作为仿真器：仿真软件在与控制器同样的硬件上执行，实施实时HIL仿真。2个控制器，一个用作控制，另一个运行仿真模型。因为具有相同的硬件结构，两者之间连接、数据转换的负担最小，建立这样的仿真系统费用也相对低一些。但是仿真模型的算法通常比控制算法更为复杂，控制器不一定适合当做仿真器来用。③专用实时仿真器：专用实时仿真器克服了第2种仿真器的缺点。借助于精简指令集、复杂指令集、超大规模集成电路技术以及处理器板之间的高速通信，实现了专用实时仿真器巨大的计算能力。除了系统动态性能，传感器和真实设备接r丁也能实时模拟，但专用仿真器比其他种类仿真器硬件投资大。仿真器是最流行的专用仿真器之一。每个计算节点都有1个处理器板和I/O板。处理器板和I/O板之间的通信由外同高速的I/O总线执行，连接多个计算节点来构成多处理器仿真大系统模型[2]。

2.2 基于FPGA的仿真器

混合仿真器主要由数字处理器、模拟处理器、数据转换处理器和计算机构成。计算机提供相对友好的人机界面，使用者可以用编程语言在源文件中描述应用程序，源文件经过解析、分离后再发送到模拟和数字处理器中的编译器，由数据交换器完成2种处理器之间的信息交换。这种混合仿真器尽可能地利用了当时的新技术，由计算机软件实现了相对友好的人机界面。然而，受到数字化技术的限制，科学计算中最重要的积分器由模拟技术来完成。FPGA技术从20世纪80年代中期出现以来，它的容量每年增长约1倍[3]。当前FPGA芯片可容纳超过30万个逻辑单元，这样在单独的FPGA芯片上就能够执行大型的控制和仿真系统。迄今为止，在电力电子和电气传动领域FPGA主要用于执行控制算法和产生PWM门控信号，也被用做独立处理器或者是DSP处理器的辅助处理器。今天的电气传动控制硬件基于微处理器或者DSP，在将来也许越来越多地倾向采用FPGA或者是采用在实时I-IIL仿真领域，FPGA主要用于硬件接口，例如PWM测量，位置传感器模拟中，FPGA首次作为独立处理器来实时仿真一个完整的交流传动系统，系统包括整流器、直流中间环节、逆变器和异步电机，控制器采用同样的FPGA芯片模拟。仿真器用快速开发硬件描述语言（VHDL）开发，能够模拟2电平6脉冲的基于IGBT的电压型变流器和感应电机，固定步长为12.5ns，这样可以高精度地模拟电气传动系统。基于FPGA与DSP联合的实时仿真器，DSP适合处理连续过程，而FPGA则用于提高仿真器性能.仿真步长为2.5ixs。基于FPGA的仿真器具有2个显著特征：①步长小，这样不用复杂的补偿算法；②设备的开关特性能详细地表达，当前技术情况下，基于FPGA的仿真器仍没有广泛地应用于工业系统和研究中，仿真规模限制在中小型系统，主要瓶颈在于一是相对应用少和建模过程难度大；二是对复杂系统建立的FPGA群而言，常用离散求解方法的正确性有待于验证。既然代码工具箱允许用户图形化地建立控制和仿真模型，可预见会有越来越多的FPGA技术应用于实时仿真领域[4]。

3 结语

综上所述，基于FPGA的仿真器前景广阔，但无法满足大系统仿真的需要，大系统仿真的主要选择对象，具体采用哪种硬件设备可以根据仿真系统的规模、投入资金多少、仿真器技术积累情况而定。