基于嵌入式系統(tǒng)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(wǎng)運行與控制重點實驗室(長沙理工大學(xué)),湖南 長沙 410004；2. 國網(wǎng)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(tǒng)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(wǎng)運行與控制重點實驗室(長沙理工大學(xué)),湖南 長沙 410004；2. 國網(wǎng)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(huán)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(nèi)部電磁與機械狀態(tài)的變化過程，基于硬件在環(huán)技術(shù)，構(gòu)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(huán)(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(fā)出的動作指令調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，構(gòu)成一個閉環(huán)實時控制系統(tǒng)，整個過程最終呈現(xiàn)在上位機界面。系統(tǒng)的仿真步長達到200 μs，逼近真實工況。仿真系統(tǒng)分為在線和離線，二者參數(shù)一致，得到的轉(zhuǎn)速及電流電壓波形與MATLAB建模結(jié)果比對，實驗結(jié)果準確可靠，既滿足在線實時仿真科研，又滿足離線培訓(xùn)教學(xué)演示。相比純實物實驗節(jié)約科研經(jīng)費，縮短時間成本，體現(xiàn)了該硬件在環(huán)仿真平臺的可行性與優(yōu)越性。

嵌入式； 硬件在環(huán)； 閉環(huán)控制； 實時仿真

0 引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，使得交流調(diào)速的性能可以和直流調(diào)速相媲美，交流調(diào)速也就成為了電氣傳動領(lǐng)域的研究熱點[1]。但隨著對交流電機的深入研究，原先傳統(tǒng)的研究手段已經(jīng)不能滿足科研的需求，在電力行業(yè)、電氣傳動領(lǐng)域等大型實驗設(shè)備為研究主體的科研實踐中，許多由于實驗設(shè)備受限產(chǎn)生的弊端開始顯現(xiàn)，如極端工況對設(shè)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(shè)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(huán)(Hardware in Loop，HIL)是半實物實時仿真技術(shù)的一種重要工程形式，即被控對象采用實時數(shù)學(xué)模型模擬，與真實的控制器連接，進行整個系統(tǒng)的半實物實時仿真測試[4]，可以方便地實現(xiàn)設(shè)計方案的驗證與優(yōu)化，縮短開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，并且對在現(xiàn)實中難以實現(xiàn)的設(shè)備極端工況如電機各種短路，進行實時模擬而不會對設(shè)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(tǒng)響應(yīng)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(tǒng)，采用數(shù)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(nèi)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(shù)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(xiàn)了HIL實時仿真試驗。

為了有效地模擬電機內(nèi)部真實工況，本文提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)的電機硬件在環(huán)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(shè)備上，實現(xiàn)HIL的半實物實時仿真[8-19]。以異步電機的調(diào)速實驗為例測驗和調(diào)試整個系統(tǒng)，并同步在MATLAB 中建模進行對比驗證，驗證該仿真系統(tǒng)的可靠性。所設(shè)計的仿真系統(tǒng)具有研發(fā)成本低，學(xué)習(xí)周期短，安全性好等優(yōu)點。

1 異步電機數(shù)學(xué)模型搭建

基于建模方便，采用旋轉(zhuǎn)坐標系下的dq軸模型，只需Park變換，無需旋轉(zhuǎn)變換，省去了計算同步旋轉(zhuǎn)角度θ及運行實時模型時查詢?nèi)呛瘮?shù)帶來的資源占用和時間消耗。轉(zhuǎn)換后的dq軸數(shù)學(xué)模型為：

定子側(cè)電壓方程為：

(1)

轉(zhuǎn)子側(cè)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(zhuǎn)子自感、定轉(zhuǎn)子互感；Rs、Rr分別為定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻；L1σ、Lms分別為定子相繞組漏電感和主電感；L2σ為轉(zhuǎn)子相繞組漏電感；w、wr分別為旋轉(zhuǎn)磁場的電角速度和轉(zhuǎn)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(huán)實時仿真平臺

2.1系統(tǒng)構(gòu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。嵌入式系統(tǒng)中運用了FPGA和ARM等硬件技術(shù)，運行電機仿真算法，模擬電機運行狀態(tài)，并與上位機和控制器進行數(shù)據(jù)交換；控制器部分是PLC實際設(shè)備，對虛擬電機進行狀態(tài)監(jiān)測并發(fā)出指令信號進行反饋控制；上位機軟件由Visual Stuido 2013開發(fā)，提供各種電機模型參數(shù)設(shè)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(huán)實時仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(huán)境下開發(fā)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(huán)境中，運行電機仿真算法、模擬電機運行狀態(tài)，并與控制器與上位機進行數(shù)據(jù)交互，查看電機實時仿真狀態(tài)。CPU標準主頻800 MHz，板卡I2C串行24CXX系列EEPROM，可用于存儲128字節(jié)數(shù)據(jù)，因為電力系統(tǒng)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(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)200 μs定時周期，并具有在此周期內(nèi)30階離散狀態(tài)方程運算的能力。系統(tǒng)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(huán)實驗設(shè)計

為了系統(tǒng)地研究異步電機的工作特性及運轉(zhuǎn)下的內(nèi)部情形，實驗范圍應(yīng)當包括電機的啟動、調(diào)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(jù)不同的實驗開發(fā)不同的算法，在VS環(huán)境中實現(xiàn)不同控制策略的編程，配合實體控制器或者外接電路設(shè)備實現(xiàn)對實驗進程的控制，完成硬件在環(huán)實時仿真，并通過上位機的顯示界面對其進行系統(tǒng)的展示和研究。

2.4輸入輸出定義及閉環(huán)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(zhuǎn)矩Tm等、輸出量包括轉(zhuǎn)子電壓Ur、轉(zhuǎn)子電流Ir、電磁轉(zhuǎn)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(jīng)過3S/2R換為Uq、Ud，然后進行仿真運算。輸出的定、轉(zhuǎn)子電壓電流等信號通過DA轉(zhuǎn)換成模擬量后輸入到PLC控制器的I/O口，PLC在對所采集數(shù)據(jù)進行監(jiān)測的同時通過預(yù)設(shè)程序?qū)π盘栠M行運算并向其電機發(fā)出動作指令，輸出模擬量信號再經(jīng)過轉(zhuǎn)換給嵌入式系統(tǒng)進行內(nèi)部運算從而調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，同時將轉(zhuǎn)速信息反饋給PLC控制器，構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)。控制器和嵌入式系統(tǒng)之間通過485通信連接，嵌入式系統(tǒng)與上位機系統(tǒng)通過TCP/IP連接。整個仿真系統(tǒng)在一個周波20 ms內(nèi)滿足128個采樣點，實現(xiàn)200 μs定時周期，解決實時性問題。

3 硬件在環(huán)實時仿真實驗

3.1電機硬件在環(huán)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(nèi)的電機模型運算電機內(nèi)部參數(shù)，數(shù)據(jù)與PLC同步通訊，并通過PLC反饋指令調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)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(huán)境中建立了仿真模型，其參數(shù)可以直接應(yīng)用到半實物仿真中，達到了離線仿真和真實系統(tǒng)的參數(shù)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(huán)境開發(fā)完成，它在圖形處理和數(shù)據(jù)庫管理等方面具有較強的優(yōu)勢，并且用它來實現(xiàn)底層的通訊控制有著更快的效率，設(shè)計的界面簡潔友好。本文研發(fā)的嵌入式系統(tǒng)電機硬件在環(huán)仿真平臺操作主界面參數(shù)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(guān)參數(shù)。

表1 仿真平臺主界面參數(shù)

3.2異步電機轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速實驗

選擇異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速實驗來測試實時仿真平臺。異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為：

(4)

式中：n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；s為轉(zhuǎn)差率；f1為電源頻率；p為極對數(shù)。

這里通過對轉(zhuǎn)子回路串入電阻來改電動機的轉(zhuǎn)差率從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。根據(jù)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(nèi)容為待電機啟動穩(wěn)定后串入外接電阻，使得電機從額定轉(zhuǎn)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(wěn)定運行進入額定轉(zhuǎn)速，串入15 Ω的外接電阻直至再次穩(wěn)定運行。調(diào)速實驗波形圖如圖4所示，同時可設(shè)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(zhuǎn)速波形圖清晰直觀。

圖4 異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速實驗轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)矩及定轉(zhuǎn)子側(cè)的波形圖，如圖5和圖6所示。

圖5 定子側(cè)三相電流仿真波形

圖6 轉(zhuǎn)子側(cè)三相電流仿真波形

4 MATLAB仿真驗證及實驗結(jié)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(wěn)定轉(zhuǎn)速在 1 500 r/min左右，再通過編寫程序使轉(zhuǎn)子在串入電阻后轉(zhuǎn)速控制在1 200 r/min左右。

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

%調(diào)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(guān)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(diào)速過程轉(zhuǎn)速圖形，與仿真系統(tǒng)的結(jié)果進行對比驗證。

圖7 異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速MATLAB仿真波形圖

對比MATLAB仿真結(jié)果可直觀發(fā)現(xiàn)，二者均在0～0.3 s左右屬于電機啟動狀態(tài)，0.3 s之后基本進入穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)速達到預(yù)設(shè)1 500 r/min左右，在0.6 s時刻串入轉(zhuǎn)子電阻，電機轉(zhuǎn)速開始下降，并最終在1 s時間內(nèi)穩(wěn)定在1 200 r/min左右，轉(zhuǎn)速波動過程相似，曲線吻合程度高，且定轉(zhuǎn)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(yù)期目的。仿真結(jié)果表明：異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速實時仿真實驗的動態(tài)響應(yīng)與實際調(diào)速系統(tǒng)的運動過程基本上是相吻合的，仿真結(jié)果能夠比較準確地反映串電阻調(diào)速系統(tǒng)的實際工況，從而驗證了該半實物仿真系統(tǒng)的可行性。

5 結(jié)論

本文提出的基于嵌入式系統(tǒng)的電機硬件在環(huán)實時仿真平臺模擬出的電機狀態(tài)逼近實際工況，仿真實時性較好。為深入研究電機系統(tǒng)提供了一個安全、直觀、經(jīng)濟、高效的環(huán)境。與其他仿真平臺相比，本平臺既包含在線實時仿真，系統(tǒng)模型建立準確，配合實物設(shè)備完成硬件在環(huán)實驗，高效可靠，用于科研實踐；又包括離線實驗，純軟件環(huán)境中建立的模型與在線實驗參數(shù)一致，用于培訓(xùn)教學(xué)。由于硬件在環(huán)技術(shù)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(shè)備研究其工作特性及驗證、調(diào)試控制程序等，大量節(jié)省了實驗成本，同時縮短研發(fā)周期。目前該實驗平臺已成功應(yīng)用于實踐，并與多家電科院及電力公司展開合作。

[1] 高景德,王祥珩,李發(fā)海.交流電機及其系統(tǒng)的分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,1993.

[2] 盧子廣,柴建云,王祥珩.電力驅(qū)動系統(tǒng)實時控制虛擬實驗平臺[J].中國電機工程學(xué)報,2003,23(4):119-123.

[3] 安躍軍,孟昭軍.電機系統(tǒng)及其計算機仿真[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013.

[4] 位正.新一代硬件在環(huán)仿真平臺的研究和開發(fā)[D].北京：清華大學(xué),2009.

[5] 王曉遠,鄧婕,陳益廣.交流電機實時仿真系統(tǒng)以及實時性的研究[J].電工電能新技術(shù)，2001,20(9):41-44.

[6] 黃蘇融,朱培駿,高瑾，等.基于數(shù)字化虛擬電機硬件在環(huán)實時仿真測試[J].電機與控制應(yīng)用，2012,39(7): 20-25.

[7] 黃蘇融,黃艷,高瑾,等.基于FPGA的虛擬異步電機系統(tǒng)的半實物實時仿真[J].電機與控制應(yīng)用，2013,40(9): 33-38.

[8] 劉延斌,金光.半實物仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].仿真技術(shù),2003,11(1):27-32.

[9] 杜中蘭,趙海森，劉曉芳，等.基于dq0坐標系的異步電機等效電路參數(shù)在線辨識方法研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,40(3):30-35.

[10] 黃蘇融,劉暢,高瑾，等.五相內(nèi)置式永磁同步電機硬件在環(huán)實時仿真平臺的實現(xiàn)[J].電機與控制應(yīng)用,2014,38(10):20-25.

[11] 陳源龍,李東,馬培軍，等.基于HIL半實物仿真平臺體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計及實時性改進[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2016,42(4):531-536.

[12] 劉天皓,韓冰,呂盼,等.電壓暫降過程中異步電機定子電流計算新方法[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016, 43(4):47-52.

[13] 謝小榮,嚴干貴,陳遠華.三電平PWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的MATLAB仿真平臺[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,27(9):18-22.

[14] 孫玉良,韓昌佩,王飛.基于半實物仿真的高精度永磁同步電機控制方案[J].電機與控制應(yīng)用,2016, 43(9):31-37.

[15] 楊馥華,許伯強.異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真平臺研究[J].電力科學(xué)與工程,2011,27(8):10-14.

[16] 張曉玲,許伯強.異步電機矢量控制變頻調(diào)速仿真研究[J].電力科學(xué)與工程,2010,26(12):24-27.

[17] 顧春雷,陳中.電力拖動自動控制系統(tǒng)與MATLAB仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2014.

[18] 李強,宓超,王晨星,等.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸式PLC控制程序的半實物仿真系統(tǒng)[J].中國工程機械學(xué)報,2013,11(1):41-45.

[19] 張厚升,于蘭蘭,孟天星,等.基于Simulink的繞線式異步電機串級調(diào)速系統(tǒng)虛擬實驗分析[J].實驗技術(shù)與管理,2016,33(6):112-116.

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(tǒng)與控制。余思維(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)仿真。