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編者按：隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展，人們對新能源電動汽車提出了越來越多的需求，越來越想認知高級逆變器模型，作為新能源電動汽車最重要的組成部分，電機的性能遭到了極大的挑戰(zhàn)。如何讓電機響應更快、動力性更好、效率更高。
1 概述

隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展，人們對新能源電動汽車提出了越來越多的需求，作為新能源電動汽車最重要的組成部分，電機的性能遭到了極大的挑戰(zhàn)。如何讓電機響應更快、動力性更好、效率更高，如何能夠快速開發(fā)高性能的電機總成，滿足客戶需求，在激烈的市場中占據(jù)自己的一席之地，已經(jīng)成為了各大電機、電機控制器廠商亟待解決的問題。恒潤科技作為本土高科技企業(yè)，一直致力于電機HIL(Hardware in the loop)測試設備的研發(fā)，將助力電機、電機控制器廠商快速開發(fā)高性能設備，滿足市場需求。

2 測試需求

電機HIL測試設備主要是針對電機控制器進行測試，HIL測試設備具備安全、快速、可重復性強等優(yōu)點，能夠電機控制器的各項功能進行快速測試。HIL測試設備由硬件和模型組成，硬件用于和電機控制器硬件構成電氣回路;模型主要包括逆變器模型和電機本體模型，用于和電機控制器的控制算法構成邏輯回路，硬件和模型的聯(lián)合給電機控制器提供了一個完善的測試平臺。文章主要針對HIL測試設備中逆變器模型進行詳細介紹。

3 逆變器建模

逆變器有兩種建模方法，一種方法是把IGBT和二極管當做理想的開關，開關打開時，開關兩端完全斷開，開關閉合時，開關兩端相當于導線連接。一種方法是將IGBT和二極管當做電感和電容，開關打開時，開關相當于一個電容，開關關閉時，開關相當于一個電感。

3.1 理想開關模型

理想開關模型建模方法極其簡單，理想開關模型的基本模型單元是一個橋臂，當上橋臂閉合時，中間點電壓等于直流母線正極電壓，當下橋臂閉合時，中間點電壓等于直流母線負極電壓，上橋臂和下橋臂必須一個打開另外一個閉合。

定義Sj是三個橋臂的開關狀態(tài)：


中心N點電壓Vng=⅓(Vag+Vbg+Vcg)，則不同開關狀態(tài)下三相電電壓如下表所示。
該建模方法的優(yōu)點是算法簡單，采用一個簡單查表就行，能從一定層度反應開關對三相電電壓的影響，目前很多電機HIL測試設備均采用該方法建模，但是該建模方法也存在很多的缺點：

1)沒有針對單個IGBT建模，而是針對一個橋臂(兩個IGBT)的開關狀態(tài)進行建模，這意味著有些算法如半橋控制沒法實現(xiàn)，意味著沒法對單個IGBT進行故障模擬。

2)沒有考慮二極管導通情況，開關的導通由兩種可能，IGBT導通或者二極管導通，該建模方法只考慮了IGBT導通。

3)IGBT的打開和關閉需要時間，這也是死區(qū)控制需要考慮的時間差，該建模方式中IGBT打開和關閉是立刻響應的，不符合IGBT響應特性。

4)該建模方法沒法直接從電路原理上實現(xiàn)電流的回饋。只能通過負扭矩的方式計算出負電流，從而間接實現(xiàn)能量回收，這和真實系統(tǒng)存在差異。

基于以上原因，恒潤開發(fā)了高級逆變器模型。

3.2 高級逆變器模型

建模的原理是：開關打開時，把開關當做一個電容，開關閉合時，把開關當做一個電感。如果直接按照這種方式進行建模時，在開關打開閉合切換的時候會產(chǎn)生電壓電流的不連續(xù)，而且由于開關頻率較快，該建模方式容易導致系統(tǒng)發(fā)散。所以采用了一個等效的方式，把開關當做一個恒流源和一個固定阻抗并聯(lián)，如圖1所示。
高級逆變器模型技術解析 其中電流源的大小和方向是由開關的閉合和打開狀況決定的，阻抗的大小是恒定的，由假設的電容和電感計算得到。


其中

Gs是等效阻抗

高級逆變器模型技術解析
，CS、LS是等效的電容電感，Sk指的是IGBT加二極管的打開和關閉(注意不是IGBT門極信號的打開和關閉，后續(xù)說開關均指IGBT與二極管并聯(lián)結構)。

下面根據(jù)一個電阻和開關并聯(lián)的簡單電路來演示該開關模型的工作過程。圖3是演示電路機構，圖4是開關打開過程和閉合過程中電壓電流的變化情況。



由逆變器等效電路可以推導出三相電壓和母線電流的計算公式，最終得到逆變器模型如下：

下面演示六個IGBT全部關斷時逆變器的工作情況，這是理想開關模型沒法模擬的。(假設電機轉速為100rad/s，逆變器母線電壓為580V)

電機按照轉速100rad/s空轉，會產(chǎn)生感應電動勢，感應電動勢產(chǎn)生感應電流，圖7是電機模型計算得到的三相感應電流。
三相感應電流流入逆變器，會計算出三相電壓，從圖中可以看出三相電壓的峰值約為28V，而感應電動勢為26V


高級逆變器模型技術解析

，兩者基本相等，不完全相等的原因是電機線圈上存在部分壓降。

電機的最終輸出扭矩為0，如圖9所示，這和實際情況是相吻合的。高級逆變器模型彌補了理想開關模型的缺點，能夠更加真實地復現(xiàn)IGBT和二極管的打開關閉過程;能夠模擬出感應電動勢對電機、逆變器的影響;能夠直接從電路原理上實現(xiàn)能量回收。

3.3 優(yōu)缺點對比
4 結語

電機控制器HIL測試設備能夠在實驗室環(huán)境下進行，設備可靠性高、集成度好、易于使用和配置，便于維護和擴展，同時，配備強大的自動化測試功能能夠極大的提高測試質量和效率。

原標題：高級逆變器模型技術解析