用于實(shí)時(shí)測(cè)試控制器的計(jì)算機(jī)執(zhí)行的方法和模擬器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于利用模擬器實(shí)時(shí)測(cè)試控制器的計(jì)算機(jī)執(zhí)行的方法和一種相 應(yīng)的模擬其，其中，模擬器具有模擬器I/O接口，控制器具有控制器I/O接口，并且控制器和 模擬器通過(guò)它們的I/O接口借助至少一個(gè)數(shù)據(jù)通道相互連接并且控制器通過(guò)數(shù)據(jù)通道將 換流器控制數(shù)據(jù)傳輸給模擬器，模擬器借助換流器控制數(shù)據(jù)和借助電負(fù)載模型在不考慮通 過(guò)換流器引起的電流間歇（Stromlilcke)的情況下作為電負(fù)載狀態(tài)參量計(jì)算負(fù)載電流和負(fù) 載電壓并且將所述負(fù)載狀態(tài)參量的至少一部分傳輸?shù)娇刂破鳌?br>【背景技術(shù)】
[0002] 所述類(lèi)型的用于控制器測(cè)試的方法長(zhǎng)久以來(lái)已知并且在控制器研發(fā)的許多領(lǐng)域 內(nèi)在如下情況下使用，即，應(yīng)該根據(jù)正確的功能性來(lái)檢查控制器或在控制器上執(zhí)行的算法， 而無(wú)須將控制器置于其"真正的"工作環(huán)境中。在本情況下，控制器產(chǎn)生換流器控制數(shù)據(jù)，所 述換流器控制數(shù)據(jù)用于適合地操控?fù)Q流器的通常借助半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件（IGBT、IGCT等）實(shí) 現(xiàn)的功率開(kāi)關(guān)。換流器用于能量源和電負(fù)載之間的能量轉(zhuǎn)換。通過(guò)操控?fù)Q流器的功率開(kāi)關(guān)， 換流器可以在直流電壓和交流電壓之間或在直流電流和交變電流之間變換（vermitteln)。 如果能量源提供直流電壓并且通過(guò)換流器以交流電壓驅(qū)動(dòng)負(fù)載，則換流器作為逆變器工 作，在相反的情況下、即能量源提供交流電壓并且借此通過(guò)換流器以直流電壓驅(qū)動(dòng)負(fù)載，則 換流器作為整流器工作。
[0003] 與換流器的工作方式無(wú)關(guān)地，模擬器在這里所觀察的使用情況下用于：不僅模擬 換流器連同其功率開(kāi)關(guān)而且模擬通過(guò)換流器饋電的電負(fù)載。實(shí)際存在的控制器因而作為 "硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop) "與模擬器一起運(yùn)行，其中，模擬器借助數(shù)學(xué)地模擬電 負(fù)載的電負(fù)載模型并且在使用源于控制器的換流器控制數(shù)據(jù)的情況下計(jì)算電負(fù)載狀態(tài)參 量并且必要時(shí)將其傳回到控制器?？刂破鞯倪@樣實(shí)現(xiàn)的硬件在環(huán)測(cè)試能在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí) 現(xiàn)可重復(fù)的、可靠的、自動(dòng)化的并且借此最終低成本的測(cè)試流程。
[0004] 在通常的實(shí)際中出現(xiàn)的使用情況下，電負(fù)載具有阻止負(fù)載電流不連續(xù)改變的感性 分量。為了在操縱換流器的功率開(kāi)關(guān)和與此必要時(shí)關(guān)聯(lián)的電壓極性轉(zhuǎn)換之后，在電負(fù)載上 負(fù)載電流也仍然可以沿在轉(zhuǎn)換時(shí)刻之前流動(dòng)的方向繼續(xù)流動(dòng)，二極管通常反并聯(lián)地與換流 器的功率開(kāi)關(guān)連接，所述二極管還可以這樣長(zhǎng)時(shí)間地引導(dǎo)電流，直到電流變?yōu)榱?；然后二極 管截止。
[0005] 對(duì)于當(dāng)換流器的所有給負(fù)載饋電的功率開(kāi)關(guān)截止時(shí)負(fù)載電流變?yōu)榱愕那闆r，電流 這樣長(zhǎng)時(shí)間地保持為零，直到饋電的功率開(kāi)關(guān)之一重新切換成導(dǎo)電，亦即切換至與饋電的 負(fù)的或正的電源電壓連接。負(fù)載電流保持為零通常稱(chēng)為電流間歇，所述運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為間歇 運(yùn)行。電流間歇例如在無(wú)刷的直流電機(jī)和逆變器的如下運(yùn)行方式中出現(xiàn)，在所述運(yùn)行方式 中與功率開(kāi)關(guān)的互補(bǔ)的操控相偏離。此外，電流間歇在特殊情況下出現(xiàn)，例如在永磁激勵(lì)的 同步電機(jī)的短時(shí)接合制動(dòng)時(shí)，但也在電氣故障時(shí)。
[0006] 即使電流間歇的原因在電氣技術(shù)上能無(wú)問(wèn)題地追蹤（nachvollziehbar)并且所 產(chǎn)生的電流曲線(xiàn)也在考慮電流間歇的情況下能出于該原因而相對(duì)簡(jiǎn)單地計(jì)算，在實(shí)時(shí)條件 下?lián)Q流器饋電的電負(fù)載的狀態(tài)參量的計(jì)算絕對(duì)是非常顯著的問(wèn)題。在計(jì)算間歇運(yùn)行中的負(fù) 載狀態(tài)參量時(shí)的困難在于，負(fù)載模型在進(jìn)入電流間歇時(shí)經(jīng)歷結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)換，負(fù)載電流這時(shí) 不再可以在使用按照方程的負(fù)載描述的情況下來(lái)計(jì)算，所述負(fù)載描述在自由的電流路徑時(shí) 使用。對(duì)這樣的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的數(shù)值處理不是基本性質(zhì)上的問(wèn)題，但經(jīng)常在實(shí)時(shí)要求下不能負(fù) 擔(dān)。
[0007] 當(dāng)負(fù)載模型不必實(shí)時(shí)（一秒的模擬時(shí)間對(duì)應(yīng)于一秒的實(shí)時(shí)）計(jì)算時(shí)，亦即實(shí)際上 任意多時(shí)間地可供使用時(shí)，則例如可以使用具有變化的步長(zhǎng)和過(guò)零識(shí)別的計(jì)算方法，以便 以高的精確性識(shí)別換流器的內(nèi)部的接通時(shí)刻、亦即例如基于二極管進(jìn)入截止的電流間歇， 從而負(fù)載模型在考慮電流間歇的情況下也可以以高的精度來(lái)計(jì)算。本身經(jīng)常迭代進(jìn)行的具 有變化的步長(zhǎng)的數(shù)值方法和用于確定零點(diǎn)的數(shù)值方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)維持預(yù)定的誤差限度， 然而對(duì)于計(jì)算步驟所需要的時(shí)間可能受到顯著的波動(dòng)，從而不能可靠地維持實(shí)時(shí)條件。
[0008] 如果備選地使用具有恒定的步長(zhǎng)的對(duì)于實(shí)時(shí)模擬證實(shí)可靠的數(shù)值方法，則必須非 常小地選擇計(jì)算步長(zhǎng)，以便以?xún)H小的延遲識(shí)別電流過(guò)零，從而通過(guò)對(duì)內(nèi)部的切換事件的延 遲考慮而引起的不精確性保持盡可能小。換流器的切換周期持續(xù)時(shí)間與實(shí)時(shí)計(jì)算的步長(zhǎng)的 比例應(yīng)該處于>100的范圍內(nèi)，因?yàn)閷?dǎo)致電流間歇的內(nèi)部的切換事件否則只以差于（關(guān)于變 流器的切換周期持續(xù)時(shí)間的）1 %的時(shí)間分辨率來(lái)檢測(cè)?？扇菀卓闯?，在實(shí)時(shí)條件下這樣的 過(guò)度掃描使得在模擬器上的模擬步驟內(nèi)對(duì)負(fù)載模型的非?？焖俚挠?jì)算成為必需。這在使用 模擬器中的常規(guī)處理器的情況下目前可能對(duì)于例如1kHz的范圍內(nèi)的非常低的切換頻率來(lái) 說(shuō)可實(shí)現(xiàn)（這在所提出的一百倍的過(guò)度掃描時(shí)總是意味著僅10 y s的計(jì)算步長(zhǎng)）。
[0009] 由于上面提到的原因，為了計(jì)算通過(guò)換流器操控的電負(fù)載的負(fù)載狀態(tài)參量經(jīng)常使 用所謂的平均值模型作為負(fù)載模型，在這些模型中，有意地放棄：考慮和能夠分辨在換流器 的切換周期內(nèi)的內(nèi)部的切換過(guò)程，并且在這些模型中，負(fù)載狀態(tài)參量在變流器的切換周期 內(nèi)的變化曲線(xiàn)也不重要。在平均值模型中，在掃描時(shí)刻不是計(jì)算感興趣的負(fù)載狀態(tài)參量的 瞬時(shí)值，而是計(jì)算負(fù)載狀態(tài)參量在過(guò)去的計(jì)算區(qū)間上的平均值。如果負(fù)載模型的計(jì)算周期 與換流器的切換周期相一致，則平均值模型描述在上一個(gè)切換周期的負(fù)載電流和電壓的平 均值。用于借助電負(fù)載模型計(jì)算負(fù)載狀態(tài)參量的該方法的缺點(diǎn)（所述方法不考慮由換流 器引起的電流間歇）是在電流間歇的情況下不可避免的計(jì)算錯(cuò)誤。這樣的計(jì)算錯(cuò)誤例如可 以表現(xiàn)為不衰減的殘余量或在電流零點(diǎn)附近的持續(xù)振蕩，即使實(shí)際的負(fù)載電流本來(lái)必須停 止。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的任務(wù)在于，可以以較高的精確性實(shí)施控制器的實(shí)時(shí)測(cè)試，即使為模擬電 負(fù)載使用沒(méi)有考慮通過(guò)換流器引起的電流間歇的負(fù)載模型。
[0011] 按照本發(fā)明的用于利用模擬器實(shí)時(shí)測(cè)試控制器的方法解決了之前得出的并且指 出的任務(wù)，按照本發(fā)明的方法的特征首先并且基本上在于，在模擬器上附加地構(gòu)造控制技 術(shù)的觀測(cè)器并且觀測(cè)器在考慮換流器控制數(shù)據(jù)的情況下并且利用觀測(cè)器負(fù)載模型至少計(jì) 算負(fù)載電流作為負(fù)載狀態(tài)參量。觀測(cè)器這樣設(shè)計(jì)，使得所述觀測(cè)器由所計(jì)算的負(fù)載電流探 測(cè)負(fù)載電流的過(guò)零和由此引起的電流間歇，并且所述觀測(cè)器在探測(cè)到電流間歇時(shí)這樣計(jì)算 電補(bǔ)償參量，使得在存在電流間歇時(shí)利用負(fù)載模型以減少的誤差在以補(bǔ)償參量對(duì)負(fù)載模型 中的電負(fù)載附加地加載的情況下進(jìn)行負(fù)載電流的計(jì)算。
[0012] 在模擬器上附加地構(gòu)造的控制技術(shù)的觀測(cè)器具有如下優(yōu)點(diǎn)，g卩，不必適配模擬器 的恰好不考慮電流間歇的負(fù)載模型，但然而通過(guò)觀測(cè)器負(fù)載模型獲得關(guān)于存在的電流間歇 的信息。觀測(cè)器例如可以在模擬器的另一個(gè)處理器上亦或只在本來(lái)要使用的處理器的另一 個(gè)核上計(jì)算。觀測(cè)器例如可以也在FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）上計(jì)算，當(dāng)然這隨之帶來(lái)速 度優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)存在足夠的計(jì)算能力時(shí)，觀測(cè)器負(fù)載模型當(dāng)然也可以在模擬器的同一個(gè)處理器 上或也在模擬器的處理器的同一個(gè)核上與負(fù)載模型一起計(jì)算。
[0013] 通過(guò)計(jì)算電補(bǔ)償參量能夠這樣影響負(fù)載模型的計(jì)算，使得所述負(fù)載模型（無(wú)需計(jì) 算中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換）在計(jì)算區(qū)間結(jié)束時(shí)提供這樣的結(jié)果，就像電流間歇從一開(kāi)始就被考慮一 樣。負(fù)載模型可以（例如作為動(dòng)態(tài)的平均值模型）保持其簡(jiǎn)單性，與間歇運(yùn)行的以負(fù)載狀 態(tài)參量的較精確的計(jì)算意義的適配通過(guò)補(bǔ)償參量進(jìn)行，例如通過(guò)電壓進(jìn)行，以便電負(fù)載在 正常運(yùn)行中也要在計(jì)算上加載的電壓以所述電壓提高或減少。
[0014] 按照所述方法的一種優(yōu)選的實(shí)施方案規(guī)定，在觀測(cè)器時(shí)間區(qū)間中進(jìn)行觀測(cè)器負(fù)載 模型的計(jì)算，所述觀測(cè)器時(shí)間區(qū)間通過(guò)換流器的外部的切換事件同步。由此可以設(shè)置，在觀 測(cè)器時(shí)間區(qū)間中總是實(shí)現(xiàn)切換事件的相同順序，這隨之帶來(lái)不同的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載例如只包 括歐姆分量和感性分量時(shí)，則用于負(fù)載電流的求解函數(shù)能夠無(wú)問(wèn)題地顯性地給出。根據(jù)換 流器控制數(shù)據(jù)在負(fù)載上施加不同的電壓，所述電壓導(dǎo)致通過(guò)指數(shù)函數(shù)可描述的電流曲線(xiàn)。 在換流器的每個(gè)切換周期，功率開(kāi)關(guān)經(jīng)歷導(dǎo)電的和截止的狀態(tài)的不同組合，負(fù)載電流的變 化曲線(xiàn)能夠?qū)τ诿總€(gè)區(qū)間通過(guò)顯性的數(shù)學(xué)表達(dá)式直接描述，由此電流的零點(diǎn)探測(cè)也是可能 的。在電負(fù)載是RLC網(wǎng)絡(luò)的較一般的情況下，電負(fù)載也通過(guò)線(xiàn)性微分方程描述，對(duì)于所述線(xiàn) 性微分方程可給出封閉的函數(shù)作為求解函數(shù)，所述求解函數(shù)可以使用于觀測(cè)器負(fù)載模型； 在該情況下不必使用用于計(jì)算觀測(cè)器負(fù)載模型的數(shù)值方法。
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