CN103163786A - 一种实时仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种实时仿真方法及系统，适用于交流牵引传动系统，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，该方法基于FPGA和处理器实现的两电平电压源型变流器和三相交流异步鼠笼电机拓扑结构电路的混合实时仿真，其中占用资源较多的乘法运算、变化相对缓慢和需要进行参数设置的变量由处理器来运算；而与门开关信号有关，相对变化较快的系统输入/输出变量由FPGA直接进行累加运算，同时，FPGA的I/O通道用于采集系统输入的门开关信号和输出系统需要输出的变量，以达到最大程度减少FPGA资源占用和处理器运算带来的延时的目的，并充分发挥处理器运算潜力和FPGA高精度优势，使在不增加仿真硬件平台成本的同时，有效扩展交流传动机车/车辆牵引系统的仿真规模。

Description

一种实时仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及交流牵引传动技术领域，更具体的说，是涉及一种实时仿真方法及系统。

背景技术

在交流牵引传动领域，随着电力电子和驱动系统控制器智能化和复杂化的增加，实时仿真是系统仿真模型的动态过程与实际系统的动态过程的时间进程完全相同的仿真研究。例如：如附图1所示控制器的HiL（Hardware-in-the-Loop，硬件回路）实时仿真，开发好的控制器是被测试设备，采用与实际设备相同的连接方式，连接到HiL虚拟设备上。HiL仿真基于高性能处理器Pro或FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）实时运行，能精确地模拟实际传感器、执行机构和电气设备的电气特性。因此，控制器开发工作可以在HiL仿真上进行，这与通过驱动系统原型设备进行开发相比，可以大大节约开发周期、减少验证风险和降低开发成本。

在现有技术中，电力传动系统通常含有高速的电力电子开关器件，控制器调制变化的驱动信号给高速开关器件实现开、关，如IGBT。与离线仿真不同，HiL仿真器采用定步长数学方法实时运行，这样使HiL仿真器和控制器运行不同步，不可避免出现仿真步长内出现开关过程，致使控制器的开关信号丢失，进而导致传动系统状态变化存在计算误差。因此，采用基于处理器Pro和基于FPGA的HiL仿真，其中，基于处理器Pro的HiL仿真，虽然能精确计算固定采样间隔的系统状态变量，但是由于顺序指令执行系统软件和实时处理器的硬件消耗，导致的仿真步长限制引起的等待或者HiL仿真延迟，通常比真实的设备要长很多，最长的延迟可能比一个仿真时间步长长。目前，最小时间步长约20μs，因此，与实际的变流器和电机相比，由于处理器Pro运行带来的额外的延迟将引起Hil仿真相当大的误差，无法达到实时仿真的要求；另一种基于FPGA的HiL仿真，因其设备资源有限，编译整合时间较长，占用的资源及消耗较多，也无法达到实时仿真的要求。

因此，本发明提供一种实时仿真方法及系统，能够实现减小误差及减少占用的资源和消耗，达到实时仿真的要求，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种实时仿真方法及系统，以能够实现减小误差及减少占用的资源和消耗，达到实时仿真要求的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种实时仿真方法，适用于交流牵引传动系统，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，包括：

确定实时仿真拓扑结构，采用开关函数的方法建立仿真电路的等效模型；

根据所述电动机的模型选择合理的状态变量，建立连续的空间状态方程组；

将所述连续的空间状态方程组进行拆分并离散化处理，得到第一方程组和第二方程组；

处理器计算所述第一方程组中与所述变流器的开关函数无关和在所述处理器仿真步长内认为常量的部分以及所述第二方程组；

FPGA采集控制器输出的门开关信号，并计算与所述变流器的开关函数相关的部分；

采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，并经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器。

其中，所述连续的空间状态方程组为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\α}}\\ {\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\β}}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]=A\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]+B\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right].$

其中，所述将所述连续的空间状态方程组进行拆分并离散化处理，得到第一方程组和第二方程组具体为：

将所述连续的空间状态方程组进行拆分，得到系统内部状态变量与所述变流器的开关函数无关部分

和系统输出状态变量与变流器开关函数相关部分

对所述

和所述

分别进行离散化，得到第一方程组和第二方程组。

其中，所述第一方程组为： $\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]=A_2\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]\⇒\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}(k+1)\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}(k+1)\end{array}\right]=A_2\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{pro}}+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\left(k\right)\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\left(k\right)\end{array}\right],$ 所述第二方程组

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\α}}\\ {\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=A_1\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]+B\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]$

为： $\⇒\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=\underset{1}{\overset{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{Pro}}/\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FPGA}}}{\mathrm{\Σ}}}(A_1\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{FPGA}}+B\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{FPGA}}).$

其中，所述采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，并经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器具体为：

采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，得到累加计算结果；

将所述累加计算结果经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器。

本发明在上述公开的一种实时仿真方法的基础上，还公开了一种实时仿真系统，适用于交流牵引传动系统，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，包括：

确定单元，用于确定实时仿真拓扑结构，采用开关函数的方法建立仿真电路的等效模型；

建立方程组单元，用于根据所述电动机的模型选择合理的状态变量，建立连续的空间状态方程组；

拆分离散单元，用于将所述连续的空间状态方程组进行拆分并离散化处理，得到第一方程组和第二方程组；

处理器处理单元，用于处理器计算所述第一方程组中与所述变流器的开关函数无关和在所述处理器仿真步长内认为常量的部分以及所述第二方程组；

FPGA处理单元，用于FPGA采集控制器输出的门开关信号，并计算与所述变流器的开关函数相关的部分；

输出单元，用于采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，并经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器。

其中，所述拆分离散单元包括：

拆分单元，用于将所述连续的空间状态方程组进行拆分，得到系统内部状态变量与所述变流器的开关函数无关部分

和系统输出状态变量与变流器开关函数相关部分

离散单元，用于对所述和所述

分别进行离散化，得到第一方程组和第二方程组。

其中，所述输出单元包括：

累加计算单元，用于采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，得到累加计算结果；

克拉克逆变换单元，用于将所述累加计算结果经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种实时仿真方法及系统，适用于交流牵引传动系统，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，该方法基于FPGA和处理器实现的两电平电压源型变流器和三相交流异步鼠笼电机拓扑结构电路的混合实时仿真，其中占用资源较多的乘法运算、变化相对缓慢和需要进行参数设置的变量由处理器来运算；而与门开关信号有关，相对变化较快的系统输入/输出变量由FPGA直接进行累加运算，同时，FPGA的I/O通道用于采集系统输入的门开关信号和输出系统需要输出的变量，以达到最大程度减少FPGA资源占用和处理器运算带来的延时的目的，并充分发挥处理器运算潜力和FPGA高精度优势，使在不增加仿真硬件平台成本的同时，有效扩展交流传动机车/车辆牵引系统的仿真规模。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种实时仿真方法的流程图；

图2为本发明实施例公开的仿真电路拓扑结构图；

图3为本发明实施例公开的仿真电路拓扑结构图的等效开关函数电路；

图4为本发明实施例公开的鼠笼感应电机定子坐标系T型等效电路原理图；

图5为本发明实施例公开的一种实时仿真方法的具体流程图；

图6为本发明实施例公开的一种实时仿真系统的结构示意图；

图7为本发明实施例公开的一种实时仿真系统的具体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请公开了一种实时仿真的方法及系统，适用于交流牵引传动系统，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，该方法基于FPGA和处理器实现的两电平电压源型变流器和三相交流异步鼠笼电机拓扑结构电路的混合实时仿真，其中占用资源较多的乘法运算、变化相对缓慢和需要进行参数设置的变量由处理器来运算；而与门开关信号有关，相对变化较快的系统输入/输出变量由FPGA直接进行累加运算，同时，FPGA的I/O通道用于采集系统输入的门开关信号和输出系统需要输出的变量，以达到最大程度减少FPGA资源占用和处理器运算带来的延时的目的，并充分发挥处理器运算潜力和FPGA高精度优势，使在不增加仿真硬件平台成本的同时，有效扩展交流传动机车/车辆牵引系统的仿真规模。

请参阅附图1，为本发明实施例公开的一种实时仿真方法的流程图。本发明实施例公开了一种实时仿真方法，适用于交流牵引传动系统，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，该方法具体步骤包括：

步骤101：确定实时仿真拓扑结构，采用开关函数的方法建立仿真电路的等效模型。

本发明选定仿真对象请参阅附图2，为本发明实施例公开的仿真电路拓扑结构图。两电平电压源型变流器+三相交流异步鼠笼电机拓扑结构，该拓扑结构形式的电路在交流传动铁路车辆中广泛实施，另外，本发明中将电力电子设备处理为理想开关器件，用开关函数的方法建立仿真电路的等效模型。

具体的，请参阅附图3，为本发明实施例公开的仿真电路拓扑结构图的等效开关函数电路，在附图3中，一个桥臂的开关函数s被定义为门开关信号G和电路状态变量X的二进制函数：s=s(G,X)∈{-1,1}，在等式中，G为控制器的开关信号矢量，X为电路状态变量矢量。

步骤102：根据电动机的模型选择合理的状态变量，建立连续的空间状态方程组。

请参阅附图4，为本发明实施例公开的鼠笼感应电机定子坐标系T型等效电路原理图。基于电动机的定子坐标系模型如图4所示，R_s，R_r分别是指定子和转子的绕组电阻，L_σS，L_σr分别是指定子和转子的绕组漏感。L_m为定子与转子之间的互感，ω_rS为转子的电气角速度。选择定子电流和转子磁链作为状态变量，假定电感为常量，将变化较慢的转子角速度作为参数，建立电机的连续状态空间方程，该方程为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\α}}\\ {\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\β}}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]=A\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]+B\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]\·\·\·\left(2\right)$

其中：式子（2）中的系数矩阵A(ω_rs)为

$A\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)=\left[\begin{array}{cccc}-\{\frac{1}{{\mathrm{\σT}}_s}+\frac{1-\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σT}}_r}\}& 0& \frac{1-\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}{T}_r{L}_m}& \frac{1-\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}{L}_m}\mathrm{\ω}\\ 0& -\{\frac{1}{{\mathrm{\σT}}_s}+\frac{1-\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σT}}_r}\}& -\frac{1-\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}{L}_m}\mathrm{\ω}& \frac{1-\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}{T}_r{L}_m}\\ \frac{L_m}{T_r}& 0& -\frac{1}{T_r}& -\mathrm{\ω}\\ 0& \frac{L_m}{T_r}& \mathrm{\ω}& -\frac{1}{T_r}\end{array}\right]$

和输入系统矩阵B为

$B=\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{{\mathrm{\σL}}_s}& 0\\ 0& \frac{1}{{\mathrm{\σL}}_s}\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$

系数矩阵A(ω_rs)，B中

T_s=L_s/R_s，T_r=L_r/R_r

式子（2）中的输入矢量矩阵[u_sαu_sβ]^T为

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=C\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=C\left[\begin{array}{c}{s}_a\left(\text{t}\right)v_{\mathrm{dc}}/2\\ s_b\left(t\right)v_{\mathrm{dc}}/2\\ s_c\left(t\right)v_{\mathrm{dc}}/2\end{array}\right]\·\·\·\left(3\right)$

其中，式子（3）中C为克拉克变换矩阵

$C=\left[\begin{array}{ccc}\frac{2}{3}& -\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}\\ 0& \frac{1}{\sqrt{3}}& -\frac{1}{\sqrt{3}}\end{array}\right]$

步骤103：将连续的空间状态方程组进行拆分并离散化处理，得到第一方程组和第二方程组。

为了在实时仿真器上实现动态模型，等式（2）需要通过选择合适的解析算法和仿真步长，转换成离散模型。解析算法和仿真步长对实时仿真器的特性具有显著的影响，选择涉及到以下三个因素：

（1）确保数学解析的稳定性，并且有一定的余量；

（2）计算误差应尽可能的小；

（3）满足实时需求下采用最小的计算负荷。

在经常应用的固定步长求解器中，显式欧拉方法计算量比较小并且具有好实时特性。但是，显式欧拉稳定区域比较小，因此仿真步长必须保证数值稳定性。

研究变流器开关函数和电机空间状态方程（2）我们看到系统状态变量的导数由两部分组成：系统内部状态变量与变流器开关函数无关部分和系统输出状态变量与变流器开关函数相关部分。为实施本发明的仿真方法，将连续状态空间方程组（2）进行拆分，并根据需要进行离散化为方程组（4）和（5）

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\α}}\\ {\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=A_1\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]+B\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]$

$\⇒\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=\underset{1}{\overset{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{Pro}}/\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FPGA}}}{\mathrm{\Σ}}}(A_1\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{FPGA}}+B\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{FPGA}})$ ……………………（4）

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]=A_2\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]\⇒\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}(k+1)\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}(k+1)\end{array}\right]=A_2\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{pro}}+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\left(k\right)\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\left(k\right)\end{array}\right]\·\·\·\left(5\right)$

式（4）和（5）中，ΔT_FPGA和ΔT_pro分别表示FPGA和处理器设定的仿真步长，其中系数矩阵A₁(ω_rs)和A₂(ω_rs)表述如下：

$A_1\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)=\left[\begin{array}{cccc}-\{\frac{1}{{\mathrm{\σT}}_s}+\frac{1-\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σT}}_r}\}& 0& \frac{1-\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}{T}_r{L}_m}& \frac{1-\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}{L}_m}\mathrm{\ω}\\ 0& -\{\frac{1}{{\mathrm{\σT}}_s}+\frac{1-\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σT}}_r}\}& -\frac{1-\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}{L}_m}\mathrm{\ω}& \frac{1-\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}{T}_r{L}_m}\end{array}\right]$

$A_2\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)=\left[\begin{array}{cccc}\frac{L_m}{T_r}& 0& -\frac{1}{T_r}& -\mathrm{\ω}\\ 0& \frac{L_m}{T_r}& \mathrm{\ω}& -\frac{1}{T_r}\end{array}\right]$

步骤104：处理器计算第一方程组中与变流器的开关函数无关和在处理器仿真步长内认为常量的部分以及所述第二方程组。

步骤105：FPGA采集控制器输出的门开关信号，并计算与变流器的开关函数相关的部分。

为了能实现拓扑电路的实时仿真，对于系统输出状态变量与变流器开关函数相关部分，本发明提出的实时混合仿真方案让处理器与变流器开关函数无关、在处理器仿真步长内可以认为是常量的部分，如方程组（4）中的A₁(ω_rs)[i_sα，i_sβ，ψ_rα，ψ_rβ]^TΔT_FPGA，让FPGA板卡采集控制器输出的门开关信号，并计算方程组（4）中与快速变化的变流器开关函数相关的部分B[u_sα，u_sβ]^TΔT_FPGA，方程组（5）完全在高性能处理器上实施计算。

即：基于FPGA和处理器的混合实时仿真具体实施的计算分配方法，方程组（5）完全在高性能处理器上实施计算，方程组（4）的A₁(ω_rs)[i_sα，i_sβ，ψ_rα，ψ_rβ]^TΔT_FPGA在处理器上实施计算，B[u_sα，u_sβ]^TΔT_FPGA部分在FPGA上计算实施。

步骤106：采用显式欧拉方法在FPGA上进行第一方程组的数值累加计算，并经过克拉克逆变换之后，通过FPGA的D/A转换输出给控制器。

在上述步骤105中的得到的计算结果，采用显式欧拉方法，让FPGA对[i_sα，i_sβ]^T进行累加计算,并直接通过FPGA的D/A通道输出给控制器。

本申请公开了一种实时仿真的方法，适用于交流牵引传动系统，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，该方法基于FPGA和处理器实现的两电平电压源型变流器和三相交流异步鼠笼电机拓扑结构电路的混合实时仿真，其中占用资源较多的乘法运算、变化相对缓慢和需要进行参数设置的变量由处理器来运算；而与门开关信号有关，相对变化较快的系统输入/输出变量由FPGA直接进行累加运算，同时，FPGA的I/O通道用于采集系统输入的门开关信号和输出系统需要输出的变量，以达到最大程度减少FPGA资源占用和处理器运算带来的延时的目的，并充分发挥处理器运算潜力和FPGA高精度优势，使在不增加仿真硬件平台成本的同时，有效扩展交流传动机车/车辆牵引系统的仿真规模。

请参阅附图5，为本发明实施例公开的一种实时仿真方法的具体流程图。本发明实施例公开的一种具体的实时仿真方法，具体的，所述步骤103具体可以为：

步骤1031：将连续的空间状态方程组进行拆分，得到系统内部状态变量与变流器的开关函数无关部分

和系统输出状态变量与变流器开关函数相关部分

步骤1032：对

和

分别进行离散化，得到第一方程组和第二方程组。

所述第一方程组为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]=A_2\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]\⇒\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}(k+1)\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}(k+1)\end{array}\right]=A_2\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{pro}}+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\left(k\right)\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\left(k\right)\end{array}\right],$

所述第二方程组为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\α}}\\ {\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=A_1\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]+B\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]$

$\⇒\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=\underset{1}{\overset{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{Pro}}/\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FPGA}}}{\mathrm{\Σ}}}(A_1\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{FPGA}}+B\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{FPGA}})$

具体的，所述步骤106具体可以为：

步骤1061：采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行第一方程组的数值累加计算，得到累加计算结果；

步骤1062：将累加计算结果经过克拉克逆变换之后，通过FPGA的D/A转换输出给控制器。

本申请公开了一种实时仿真的方法，适用于交流牵引传动系统，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，该方法基于FPGA和处理器实现的两电平电压源型变流器和三相交流异步鼠笼电机拓扑结构电路的混合实时仿真，其中占用资源较多的乘法运算、变化相对缓慢和需要进行参数设置的变量由处理器来运算；而与门开关信号有关，相对变化较快的系统输入/输出变量由FPGA直接进行累加运算，同时，FPGA的I/O通道用于采集系统输入的门开关信号和输出系统需要输出的变量，以达到最大程度减少FPGA资源占用和处理器运算带来的延时的目的，并充分发挥处理器运算潜力和FPGA高精度优势，使在不增加仿真硬件平台成本的同时，有效扩展交流传动机车/车辆牵引系统的仿真规模。

上述本发明公开的实施例中详细描述了方法，对于本发明的方法可采用多种形式的系统实现，因此本发明还公开了一种系统，下面给出具体的实施例进行详细说明。

请参阅附图6，为本发明实施例公开的一种实时仿真系统的结构示意图。本发明实施例公开了一种实时仿真系统，适用于交流牵引传动系统，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，该系统具体包括：确定单元601，用于确定实时仿真拓扑结构，采用开关函数的方法建立仿真电路的等效模型；建立方程组单元602，用于根据所述电动机的模型选择合理的状态变量，建立连续的空间状态方程组；拆分离散单元603，用于将所述连续的空间状态方程组进行拆分并离散化处理，得到第一方程组和第二方程组；处理器处理单元604，用于处理器计算所述第一方程组中与所述变流器的开关函数无关和在所述处理器仿真步长内认为常量的部分以及所述第二方程组；FPGA处理单元605，用于FPGA采集控制器输出的门开关信号，并计算与所述变流器的开关函数相关的部分；输出单元606，用于采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，并经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器。

本申请公开了一种实时仿真的系统，适用于交流牵引传动系统，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，该系统基于FPGA和处理器实现的两电平电压源型变流器和三相交流异步鼠笼电机拓扑结构电路的混合实时仿真，其中占用资源较多的乘法运算、变化相对缓慢和需要进行参数设置的变量由处理器来运算；而与门开关信号有关，相对变化较快的系统输入/输出变量由FPGA直接进行累加运算，同时，FPGA的I/O通道用于采集系统输入的门开关信号和输出系统需要输出的变量，以达到最大程度减少FPGA资源占用和处理器运算带来的延时的目的，并充分发挥处理器运算潜力和FPGA高精度优势，使在不增加仿真硬件平台成本的同时，有效扩展交流传动机车/车辆牵引系统的仿真规模。

请参阅附图7，为本发明实施例公开的一种实时仿真系统的具体结构示意图。具体的，所述拆分离散单元603包括：拆分单元6031，用于将所述连续的空间状态方程组进行拆分，得到系统内部状态变量与所述变流器的开关函数无关部分

和系统输出状态变量与变流器开关函数相关部分；离散单元6032，用于对所述

和所述

分别进行离散化，得到第一方程组和第二方程组。

优选的，具体的，所述输出单元606包括：累加计算单元6061，用于采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，得到累加计算结果；克拉克逆变换单元6062，用于将所述累加计算结果经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器。

基于FPGA和处理器实现的两电平电压源型变流器＋三相交流异步鼠笼电机拓扑结构电路的混合实时仿真的基本方法：占用资源较多的乘法运算、变化相对缓慢和需要进行参数设置的变量由处理器来运算；而与门开关信号有关，相对变化较快的系统输入/输出变量由FPGA直接进行累加运算，同时，FPGA的I/O通道用于采集系统输入的门开关信号和输出系统需要输出的变量，以达到最大程度减少FPGA资源占用和处理器运算带来的延时的目的。

综上所述：本申请公开了一种实时仿真的方法及系统，适用于交流牵引传动系统，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，该方法基于FPGA和处理器实现的两电平电压源型变流器和三相交流异步鼠笼电机拓扑结构电路的混合实时仿真，其中占用资源较多的乘法运算、变化相对缓慢和需要进行参数设置的变量由处理器来运算；而与门开关信号有关，相对变化较快的系统输入/输出变量由FPGA直接进行累加运算，同时，FPGA的I/O通道用于采集系统输入的门开关信号和输出系统需要输出的变量，以达到最大程度减少FPGA资源占用和处理器运算带来的延时的目的，并充分发挥处理器运算潜力和FPGA高精度优势，使在不增加仿真硬件平台成本的同时，有效扩展交流传动机车/车辆牵引系统的仿真规模。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种实时仿真方法，适用于交流牵引传动系统，其特征在于，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，包括：

确定实时仿真拓扑结构，采用开关函数的方法建立仿真电路的等效模型；

根据所述电动机的模型选择合理的状态变量，建立连续的空间状态方程组；

将所述连续的空间状态方程组进行拆分并离散化处理，得到第一方程组和第二方程组；

处理器计算所述第一方程组中与所述变流器的开关函数无关和在所述处理器仿真步长内认为常量的部分以及所述第二方程组；

FPGA采集控制器输出的门开关信号，并计算与所述变流器的开关函数相关的部分；

采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，并经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器。

2.根据权利要求1所述的实时仿真方法，其特征在于，所述连续的空间状态方程组为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\α}}\\ {\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\β}}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]=A\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]+B\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right].$

3.根据权利要求2所述的实时仿真方法，其特征在于，所述将所述连续的空间状态方程组进行拆分并离散化处理，得到第一方程组和第二方程组具体为：

将所述连续的空间状态方程组进行拆分，得到系统内部状态变量与所述变流器的开关函数无关部分

和系统输出状态变量与变流器开关函数相关部分

对所述和所述

分别进行离散化，得到第一方程组和第二方程组。

4.根据权利要求3所述的实时仿真方法，其特征在于，所述第一方程组为： $\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]=A_2\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]\⇒\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}(k+1)\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}(k+1)\end{array}\right]=A_2\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{pro}}+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\left(k\right)\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\left(k\right)\end{array}\right],$ 所述第二方

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\α}}\\ {\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=A_1\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]+B\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]$

程组为： $\⇒\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=\underset{1}{\overset{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{Pro}}/\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FPGA}}}{\mathrm{\Σ}}}(A_1\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rs}}\right)\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{FPGA}}+B\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{FPGA}}).$

5.根据权利要求1所述的实时仿真方法，其特征在于，所述采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，并经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器具体为：

采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，得到累加计算结果；

将所述累加计算结果经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器。

6.一种实时仿真系统，适用于交流牵引传动系统，其特征在于，应用于变流器和电动机组成的实时仿真模型，包括：

确定单元，用于确定实时仿真拓扑结构，采用开关函数的方法建立仿真电路的等效模型；

建立方程组单元，用于根据所述电动机的模型选择合理的状态变量，建立连续的空间状态方程组；

拆分离散单元，用于将所述连续的空间状态方程组进行拆分并离散化处理，得到第一方程组和第二方程组；

处理器处理单元，用于处理器计算所述第一方程组中与所述变流器的开关函数无关和在所述处理器仿真步长内认为常量的部分以及所述第二方程组；

FPGA处理单元，用于FPGA采集控制器输出的门开关信号，并计算与所述变流器的开关函数相关的部分；

输出单元，用于采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，并经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器。

7.根据权利要求6所述的实时仿真系统，其特征在于，所述拆分离散单元包括：

拆分单元，用于将所述连续的空间状态方程组进行拆分，得到系统内部状态变量与所述变流器的开关函数无关部分

和系统输出状态变量与变流器开关函数相关部分

离散单元，用于对所述

和所述

分别进行离散化，得到第一方程组和第二方程组。

8.根据权利要求6所述的实时仿真系统，其特征在于，所述输出单元包括：

累加计算单元，用于采用显式欧拉方法在所述FPGA上进行所述第一方程组的数值累加计算，得到累加计算结果；

克拉克逆变换单元，用于将所述累加计算结果经过克拉克逆变换之后，通过所述FPGA的D/A转换输出给控制器。

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