CN111367198A - 一种中频辅助变流器仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中频辅助变流器仿真系统，所述系统包括上位机、仿真机、信号转换接口装置和中频辅助控制器，所述上位机与仿真机通信连接，所述仿真机分别与所述信号转换接口装置和所述中频辅助控制器连接，所述信号转换接口装置与所述中频辅助控制器连接；所述仿真机用于加载预先设置的中频辅助变流器仿真模型并输出数字仿真信号，所述信号转换接口装置将所述数字仿真信号转换成模拟仿真信号并发送给所述中频辅助控制器，所述中频辅助控制器用于根据所述模拟仿真信号产生脉冲信号和数字控制信号反馈给所述仿真机，所述上位机用于根据所述数字仿真信号获得仿真波形。本发明实施例提供的中频辅助变流器仿真系统，降低了中频辅助变流器的测试成本。

Description

一种中频辅助变流器仿真系统

技术领域

本发明涉及自动测试技术领域，具体涉及一种中频辅助变流器仿真系统。

背景技术

辅助变流器是轨道车辆的重要车载设备，可为整车空调、空气压缩机等三相负载和部分单相负载提供交流电源。

传统的辅助变流器多采用工频变压器隔离和开关器件硬开关的工作方式，现有技术中出现了中频辅助变流器，采用中频变压器隔离(5kHz～100kHz)和开关器件软开关的工作方式，相对于传统的辅助变流器具有降低系统损耗、减小系统的体积和重量的优势。但是与传统辅助变流器相比，中频辅助变流器主回路拓扑存在更多的变换环节，例如DC/DC变换模块、H桥逆变模块、二极管整流模块等，系统整体更为复杂，在整机试验阶段除了提供可控外部供电环境和负载环境之外，还需要对被测的中频辅助变流器的电压和电流波形进行实时检测和记录，对试验环境、试验设备、试验人员数量都提出了更高的要求，增加了产品的测试成本。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明实施例提供一种中频辅助变流器仿真系统，能够至少部分地解决现有技术中存在的问题。

本发明实施例提供一种中频辅助变流器仿真系统，包括上位机、仿真机、信号转换接口装置和中频辅助控制器，其中：

所述上位机与仿真机通信连接，所述仿真机分别与所述信号转换接口装置和所述中频辅助控制器连接，所述信号转换接口装置与所述中频辅助控制器连接；

所述仿真机用于加载预先设置的中频辅助变流器仿真模型并输出数字仿真信号，所述信号转换接口装置将所述数字仿真信号转换成模拟仿真信号并发送给所述中频辅助控制器，所述中频辅助控制器用于根据所述模拟仿真信号产生脉冲信号和数字控制信号反馈给所述仿真机，所述上位机用于根据所述数字仿真信号获得仿真波形。

其中，所述仿真机包括第一仿真板卡、第二仿真板卡、数字信号处理板卡和以太网接口，所述第一仿真板卡、所述第二仿真板卡、所述数字信号处理板卡和所述以太网接口通过总线连接，所述数字信号处理板卡与信号转换接口装置相连，所述以太网接口与所述上位机通信相连。

其中，所述第一仿真板卡包括CPU仿真板卡电路。

其中，所述第二仿真板卡包括FPGA仿真板卡电路。

其中，所述总线采用紧凑型PCI总线。

其中，所述中频辅助控制器包括电源接口、脉冲信号接口、数字信号接口、模拟信号接口和控制板，所述电源接口与所述控制板相连，所述控制板分别与所述脉冲信号接口、所述数字信号接口和所述模拟信号接口相连，所述脉冲信号接口和所述数字信号接口与所述仿真机相连，所述模拟信号接口与所述信号转换接口装置相连。

其中，所述控制板采用DSP板卡。

其中，所述信号转换接口装置包括数模转换器。

本发明实施例提供的中频辅助变流器仿真系统，包括上位机、仿真机、信号转换接口装置和中频辅助控制器，上位机与仿真机通信连接，仿真机分别与信号转换接口装置和中频辅助控制器连接，信号转换接口装置与中频辅助控制器连接，仿真机用于加载预先设置的中频辅助变流器仿真模型并输出数字仿真信号，信号转换接口装置将数字仿真信号转换成模拟仿真信号并发送给中频辅助控制器，中频辅助控制器用于根据模拟仿真信号产生脉冲信号和数字控制信号反馈给仿真机，上位机用于根据数字仿真信号获得仿真波形，实现了对中频辅助变流器的仿真测试，节省了试验设备和试验人员，降低了中频辅助变流器的测试成本。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本发明一实施例提供的中频辅助变流器仿真系统的结构示意图。

图2是本发明一实施例提供的典型的中频辅助变流器的主电路图示意图。

图3是本发明另一实施例提供的中频辅助变流器仿真系统的结构示意图。

图4是本发明再一实施例提供的中频辅助变流器仿真系统的结构示意图。

图5a是本发明一实施例提供的实验机组的逆变电流波形示意图。

图5b是本发明一实施例提供的中频辅助变流器模型的逆变电流波形示意图。

图6a是本发明一实施例提供的实验机组的逆变电压波形示意图。

图6b是本发明一实施例提供的中频辅助变流器模型的逆变电压波形示意图。

附图标记说明：

1-上位机； 2-仿真机；

3-信号转换接口装置； 4-中频辅助控制器；

21-第一仿真板卡； 22-第二仿真板卡；

23-数字信号处理板卡； 24-以太网接口；

25-总线； 41-电源接口；

42-脉冲信号接口； 43-数字信号接口；

44-模拟信号接口； 45-控制板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图1是本发明一实施例提供的中频辅助变流器仿真系统的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的中频辅助变流器仿真系统，包括上位机1、仿真机2、信号转换接口装置3和中频辅助控制器4，其中：

上位机1与仿真机2通信连接，仿真机2分别与信号转换接口装置3和中频辅助控制器4连接，信号转换接口装置3与中频辅助控制器4连接；

仿真机2用于加载预先设置的中频辅助变流器仿真模型并输出数字仿真信号，信号转换接口装置3将所述数字仿真信号转换成模拟仿真信号并发送给中频辅助控制器4，中频辅助控制器4用于根据所述模拟仿真信号产生脉冲信号和数字控制信号反馈给仿真机2，上位机1用于根据所述数字仿真信号获得仿真波形。

具体地，所述中频辅助变流器仿真模型可以基于中频辅助变流器主电路图搭建，图2是本发明一实施例提供的典型的中频辅助变流器的主电路图示意图，如图2所示，所述中频辅助变流器可以包括前级升压电路、中间谐振变换器电路和后级逆变电路，前级升压电路包括Boost升压电路，中间谐振变换器电路包括H桥逆变电路，后级逆变电路包括三相逆变电路。在仿真机2上运行所述中频辅助变流器仿真模型时，可以输出前级升压电路的直流输入电压、升压电感电流、升压直流电压1和升压直流电流2，可以输出中间谐振变换器电路的逆变直流电压，可以输出后级逆变电路的输出电流1、输出电流2、输出电流3、输出线电压1和输出线电压2。所述中频辅助变流器仿真模型可以在上位机1上进行搭建，并编译下载到仿真机2。仿真机2和上位机1之间可以通过以太网通信连接。

仿真机2运行所述中频辅助变流器仿真模型，并输出所述数字仿真信号，所述数字仿真信号可以包括前级升压电路的升压电感电流、直流输入电压、升压直流电压1和升压直流电压2，中间谐振变换器电路的逆变直流电压，后级逆变电路的输出电流1、输出电流2、输出电流3、输出电压1和输出电压2。信号转换接口装置3会接收仿真机2输出的数字仿真信号，然后将所述数字仿真信号转换成模拟仿真信号再传输给中频辅助控制器4。

中频辅助控制器4接收到所述模拟仿真信号之后，会根据预设的仿真控制程序以及接收到的模拟仿真信号向仿真机2反馈数字控制信号和脉冲信号，驱动仿真机2上的中频辅助变流器仿真模型运行，从而实现对中频辅助变流器的仿真。仿真机2还会将产生的数字仿真信号上传给上位机1，上位机1将数字仿真信号转换成对应的仿真波形通过显示屏显示出来，以便于实时观测。上位机1还可以修改所述中频辅助变流器仿真模型的相关参数和模型的运行方式，例如实时调整输入电压、改变负责、模拟主电路故障等。其中，中频辅助控制器4中预设的仿真控制程序，根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。

本发明实施例提供的中频辅助变流器仿真系统在仿真过程中，有两条信号回路。

第一条信号回路：中频辅助控制器4→信号转换接口装置3→仿真机2；第二条信号回路：仿真机2→信号转换接口装置3→中频辅助控制器4。

第一条信号回路实现中频辅助控制器4的控制信号传输，使所述中频辅助变流器仿真模型在频辅助控制器4输出的数字控制信号和脉冲信号控制下运行，解算出与真实中频辅助变流器运行相近的数据。第二条信号回路实现仿真数据的反馈，将所述中频辅助变流器仿真模型实时解算出的中频辅助变流器的运行状态反馈给中频辅助控制器4，实现控制信号与反馈信号的闭环。上述闭环反映了真实中频辅助变流器的中频辅助控制系统将控制信号传给真实中频辅助变流器主电路，以及各传感器向中频辅助控制系统反馈信号的功能。

本发明实施例提供的中频辅助变流器仿真系统，包括上位机、仿真机、信号转换接口装置和中频辅助控制器，上位机与仿真机通信连接，仿真机分别与信号转换接口装置和中频辅助控制器连接，信号转换接口装置与中频辅助控制器连接，仿真机用于加载预先设置的中频辅助变流器仿真模型并输出数字仿真信号，信号转换接口装置将数字仿真信号转换成模拟仿真信号并发送给中频辅助控制器，中频辅助控制器用于根据模拟仿真信号产生脉冲信号和数字控制信号反馈给仿真机，上位机用于根据数字仿真信号获得仿真波形，实现了对中频辅助变流器的仿真测试，节省了试验设备和试验人员，降低了中频辅助变流器的测试成本。

图3是本发明另一实施例提供的中频辅助变流器仿真系统的结构示意图，如图3所示，在上述各实施例的基础上，进一步地，仿真机2包括第一仿真板卡21、第二仿真板卡22、数字信号处理板卡23和以太网接口24，第一仿真板卡21、第二仿真板卡22、数字信号处理板卡23和以太网接口24通过总线25连接，数字信号处理板卡23与信号转换接口装置3相连，以太网接口24与上位机1通信相连。

具体地，根据对仿真步长的需求不同，可以将所述中频辅助变流器仿真模型的前级升压电路和中间谐振变换器电路下载到第一仿真板卡21中，而将所述中频辅助变流器仿真模型的中间谐振变换器电路下载到第二仿真板卡22中。第一仿真板卡21和第二仿真板卡22产生的数字仿真信号通过数字信号处理板卡23传输至信号转换接口装置3。所述数字仿真信号可以通过以太网接口上传给上位机1。其中，以太网接口24可以集成在第一仿真板卡21上。

在上述各实施例的基础上，进一步地，第一仿真板卡21包括CPU仿真板卡电路，以运行所述中频辅助变流器仿真模型的前级升压电路和中间谐振变换器电路。CPU仿真板卡电路可以提供仿真步长相对较长的模型实时结算以及对其他仿真板卡进行任务调度。

在上述各实施例的基础上，进一步地，第二仿真板卡22包括FPGA仿真板卡电路，以运行所述中频辅助变流器仿真模型的中间谐振变换器电路。FPGA仿真板卡电路可以提供仿真步长相对较短的模型实时结算。

在上述各实施例的基础上，进一步地，仿真机2的总线25可以采用紧凑型PCI(Compact Peripheral Component Interconnect，简称CPCI)总线。

图4是本发明再一实施例提供的中频辅助变流器仿真系统的结构示意图，如图4所示，在上述各实施例的基础上，进一步地，中频辅助控制器4包括电源接口41、脉冲信号接口42、数字信号接口43、模拟信号接口44和控制板45，电源接口41与控制板45相连，控制板45分别与脉冲信号接口42、数字信号接口43和模拟信号接口44相连，脉冲信号接口42和数字信号接口43与所述仿真机相连，模拟信号接口44与信号转换接口装置3相连。

具体地，电源接口41外接电源为中频辅助控制器4供电。模拟信号接口44接收来自信号转换接口装置3的模拟仿真信号，并将模拟仿真信号传输给控制板45，控制板45预设有仿真控制程序，控制板45基于所述模拟仿真信号和仿真控制程序，输出数字控制信号给数字信号接口43，并输出脉冲信号给脉冲信号接口42，数字信号接口43将所述数字控制信号传输给仿真机2，脉冲信号接口42将所述脉冲信号传输给仿真机2。其中，所述数字信号主要用于控制所述中频辅助变流器仿真模型的电路开关，比如，图2所示的K1和K0。所述脉冲信号可以包括升压电路驱动脉冲、H桥逆变驱动脉冲和三相逆变驱动脉冲，所述升压电路驱动脉冲用于驱动所述中频辅助变流器仿真模型的前级升压电路包括的Boos升压电路的IGBT单元，所述H桥逆变驱动脉冲用于驱动中频辅助变流器仿真模型的中间谐振变换器电路包括的H桥逆变电路的IGBT单元，所述三相逆变驱动脉冲用于驱动所述中频辅助变流器仿真模型的后级逆变电路包括的三相逆变电路的IGBT单元。

在上述各实施例的基础上，进一步地，控制板45可以采用DSP板卡。

在上述各实施例的基础上，进一步地，信号转换接口装置3包括数模转换器，所述数模转换器的输入端与仿真机2相连，所述数模转换器的输出端与中频辅助控制器4相连，所述数模转换器用于将接收到的数字仿真信号转换成模拟仿真信号。所述数模转换器根据实际需要进行选择，本发明实施例不做限定。

为了建立本发明实施例提供的中频辅助变流器仿真系统，首先对中频辅助变流器控制系统的外围环境及接口进行详细的分析，确定其对外接口，例如：电压/电流传感器、数字量输入/输出、PWM脉冲输出/反馈的数量，从而对仿真机板卡配置提出相应需求。其次，需要根据中频辅助控制器以及仿真机的接口要求，设置信号转换接口装置。接着，基于中频辅助变流器主电路结果按照模块化建模的原则，分别搭建前级升压电路、中间谐振变换器电路和后级逆变电路等仿真电路模型，并将其下载至仿真机。然后，完成所述中频辅助变流器仿真系统包括的上位机、仿真机、信号转换接口装置和中频辅助控制器的连接。最后，将获得的数字仿真信号的仿真波形与已有的实验机组试验数据，检验所述中频辅助变流器仿真系统的准确性。

本发明实施例提供的中频辅助变流器仿真系统，能够实现对中频辅助变流器运行过程中电气特性的仿真与分析。试验过程中的各类数据可通过以太网上传至上位机，从而利用上位机实时观测仿真波形。

图5a是本发明一实施例提供的实验机组的逆变电流波形示意图，图5b是本发明一实施例提供的中频辅助变流器模型的逆变电流波形示意图，对比图5a和图5b中的逆变电流波形，可知中频辅助变流器模型在一定程度内精准的反映实验机组的运行情况，说明本发明实施例提供的中频辅助变流器仿真系统对逆变电流的仿真准确。其中，图5b中的逆变电流1、逆变电流2、逆变电流3与图2中的输出电流1、输出电流2、输出电流3分别对应。实验机组即采用真实中频辅助变流器进行实验的设备。

图6a是本发明一实施例提供的实验机组的逆变电压波形示意图，图6b是本发明一实施例提供的中频辅助变流器模型的逆变电压波形示意图，对比图6a和图6b中的逆变电流波形，可知中频辅助变流器模型在一定程度内精准的反映实验机组的运行情况，说明本发明实施例提供的中频辅助变流器仿真系统对逆变电压的仿真准确。其中，图6b中的逆变线电压1、逆变线电压2与图2中的输出线电压1、输出线电压2分别对应。

本发明实施例提供的中频辅助变流器仿真系统，相对于传统的实物中频辅助变流器试验手段以及现有的辅助系统仿真实验手段具备以下优点：

(1)试验环境成本低、试验手段简单灵活，可以根据试验项点的具体需求通过上位机监控系统在线更改模型参数，既而实时调整模型运行方式。

(2)由于中频辅助变流器为虚拟模型，降低了故障试验成本与风险，减少试验过程的人力与时间成本。借助仿真测试软件进行二次开发，可以实现对试验过程中电路参数和控制参数的实时调整，同时仿真测试软件具有的实时数据记录功能，可以提高对试验结果的分析效率。

(3)能够实现中频辅助变流器主电路的电气特性模型仿真，并且确保模型仿真步长小于1微秒。实时仿真机配备FPGA板卡极大程度上缩小了仿真步长，从而提高了离散模型的迭代计算频率，使模型更为接近实际。

(4)仿真机配备的FPGA板卡上自带DA、AD、DIO、PWM捕获以及速度编码器等模块，便于中频辅助变流器以及各类传感器的模型建立。

(5)通过分析故障模型，能够实现对多种故障工况下中频辅助变流器运行特性的仿真模拟，便于分析中频辅助控制系统在极限工况下的控制裕度与保护功能，提高列车设备的运行安全。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种中频辅助变流器仿真系统，其特征在于，包括上位机、仿真机、信号转换接口装置和中频辅助控制器，其中：

所述上位机与仿真机通信连接，所述仿真机分别与所述信号转换接口装置和所述中频辅助控制器连接，所述信号转换接口装置与所述中频辅助控制器连接；

所述仿真机用于加载预先设置的中频辅助变流器仿真模型并输出数字仿真信号，所述信号转换接口装置将所述数字仿真信号转换成模拟仿真信号并发送给所述中频辅助控制器，所述中频辅助控制器用于根据所述模拟仿真信号产生脉冲信号和数字控制信号反馈给所述仿真机，所述上位机用于根据所述数字仿真信号获得仿真波形。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述仿真机包括第一仿真板卡、第二仿真板卡、数字信号处理板卡和以太网接口，所述第一仿真板卡、所述第二仿真板卡、所述数字信号处理板卡和所述以太网接口通过总线连接，所述数字信号处理板卡与信号转换接口装置相连，所述以太网接口与所述上位机通信相连。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一仿真板卡包括CPU仿真板卡电路。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第二仿真板卡包括FPGA仿真板卡电路。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述总线采用紧凑型PCI总线。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中频辅助控制器包括电源接口、脉冲信号接口、数字信号接口、模拟信号接口和控制板，所述电源接口与所述控制板相连，所述控制板分别与所述脉冲信号接口、所述数字信号接口和所述模拟信号接口相连，所述脉冲信号接口和所述数字信号接口与所述仿真机相连，所述模拟信号接口与所述信号转换接口装置相连。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制板采用DSP板卡。

8.根据权利要求1至7任一项所述的系统，其特征在于，所述信号转换接口装置包括数模转换器。

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