1. 概述

隨著新能源汽車的蓬勃發展，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。如何讓電機響應更快、動力性更好、效率更高，如何能夠快速開發高性能的電機總成，滿足客戶需求，在激烈的市場中占據自己的一席之地，已經成為了各大電機、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，一直致力于電機HIL （Hardware in the loop）測試設備的研發，將助力電機、電機控制器廠商快速開發高性能產品，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，具備安全、快速、可重復性強等優點，能夠對電機控制器的各項功能進行快速測試。電機HIL測試設備核心部分主要由硬件和模型組成，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，硬件和模型的聯合給電機控制器提供了一個完善的仿真測試平臺。文章主要針對電機HIL測試設備中逆變器模型進行詳細介紹。

3. 逆變器建模

逆變器的作用是將直流母線電壓調制為交流電壓，交流電壓產生旋轉磁場，帶動永磁鐵轉子（永磁同步電機）或者轉子線圈（交流異步電機）轉動，根據調制的方法不同分為SPWM、SAPWM、SVPWM等。本文不對調制方法進行展開，主要集中于單個IGBT和二極管的仿真建模，研究IGBT或者二極管在打開關閉時電壓電流的變化過程。



圖1.  逆變器電路

逆變器一般有兩種建模方法，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。另一種方法是將IGBT或二極管當做可變阻抗，開關打開時，IGBT或二極管相當于電容，開關關閉時，IGBT或二極管相當于電感。第一種方法對應理想開關模型，第二種方法對應本文將重點講述的高級逆變器模型。

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。




該建模方法的優點是算法簡單，采用簡單查表就行，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：

• 沒有針對單個IGBT建模，而是針對一個橋臂（兩個IGBT）的開關狀態進行建模，這意味著有些算法如半橋控制沒法實現，意味著沒法對單個IGBT或者二極管進行故障模擬。

• 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。

• IGBT的打開和關閉需要時間，這也是死區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。

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

基于以上原因，恒潤開發了高級逆變器模型。

高級逆變器模型

高級逆變器模型建模的原理是：將IGBT或者二極管當做一個可變阻抗，斷開時，IGBT或二極管相當于電容，導通時，IGBT或二極管相當于電感。如果直接按照這種方式進行建模，在開關打開閉合切換的時候會產生電壓電流的不連續，由于逆變器開關頻率很快，該建模方式容易導致系統發散。為了解決這個問題，可以將IGBT或者二極管當做一個恒流源和一個固定阻抗并聯，如圖2所示。其中恒流源的大小取決于IGBT或者二極管是否導通。阻抗的大小取決于被模擬電容和電感的阻抗。

下面根據一個電阻和IGBT串聯的電路來演示IGBT模型的工作過程。圖3是開關打開過程和閉合過程中IGBT兩端電壓電流的變化情況。IGBT驅動信號為高電平時，IGBT打開，流過IGBT的電流逐漸增大，直到等于E/R，同時IGBT兩端的電壓逐漸減小，直到0。IGBT驅動信號為低電平時，IGBT關閉，流過IGBT的電流逐漸減小，直到等于0，同時IGBT兩端的電壓逐漸增大，直到電源電壓E。



圖2. 開關閉合過程演示電路



圖3. 開關打開閉合過程電壓電流變化過程

由圖2的等效關系對圖1所示電路進行等效：



圖4. 逆變器等效電路

由逆變器等效電路和基爾霍夫定律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：



圖5. 逆變器模型

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，會產生感應電動勢，感應電動勢產生感應電流，圖7是電機模型計算得到的三相感應電流。



圖6. 電機三相電流

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



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。



圖7. 電機三相電壓

電機的最終輸出扭矩為0，如圖8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能量回收。



圖8. 電機轉速扭矩

優缺點對比



4. 結語

電機控制器HIL測試設備能夠在實驗室環境下進行，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。