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【摘要】 高速电力机车的发展在现代社会发展中起着重要作用，牵引传动系统作为电力机车的关键组成部分，关系着列车的安全性能，是交通运输技术中的重要方面，本文基于控制理论详细论述了车辆运行中牵引传动系统的工作原理和控制策略;基于Matlab建立整流控制和逆变控制仿真系统，创建整流和逆变电路的状态方程，根据状态方程编写控制算法，设置不同运行工况下进行试验选取较好的控制策略;并将控制算法植入芯片在电机实物平台上进行牵引性能验证。
【关键词】 牵引传动 逆变 异步电机 实物平台
Abstract： The development of high-speed electric locomotive plays an important role in the development of modern society. As a key part of electric locomotive， traction drive system is related to the safety performance of the train ，and also， it is an important aspect of transportation technology. Based on the control theory， this paper discusses the working principle and control strategy of the traction drive system in vehicle operation in detail firstly;second， establishes the rectifier control and inverter control simulation system based on MATLAB， creates the state equation of rectifier and inverter circuit， compiles the control algorithm according to the state equation， sets up the test under different operating conditions， selects the better control strategy;Finally， implants the control algorithm into the chip The traction performance is verified on the real platform of the motor.
Key words： traction drive; inverter; asynchronous motor; physical platform
引言：
随着国内高速交通运输的全面发展，电力机车以其大功率、大容量、牵引力大、速度快的特点在全国大范围普及，对牵引控制的研究也愈来愈重要[1]。本文针对牵引传动系统的基本原理和结构进行阐述，并對整流控制和逆变控制进行了算法设计，在实验室环境中利用Matlab仿真[2]平台进行状态方程的设计以及测试，再将Matlab形成的代码移植到芯片中，并在实物平台上对牵引控制性能进行验证，在试验中不断优化控制算法[3]。
实物平台的设计主要包含可编程电源、逆变控制模块、IGBT控制模块以及小功率电机，可编程电源模拟整流控制单元，逆变控制模块实现逆变控制算法，通过IGBT模块发波控制电机，对电机进行变频启动以及加减载模拟工况控制，实现控制算法的不断优化。
一、牵引传动系统
随着电力传动及控制技术的发展，变频调速越来越广泛的应用于社会各领域，很好的解决了交流电动机的调速问题。传统的通用变频器通常采用的交-直-交电压型逆变器拓扑结构，交流电首先通过二极管可控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。
电力动车组的牵引传动系统通常采用的是交-直-交的传输方式，系统主要由受电弓、主断路器、牵引变压器、牵引四象限整流器、中间直流环节、牵引逆变器和牵引电机组成。本文分析的动车组牵引传动系统原理是受电弓通过电网接入高压交流电，经变压器降压后发送给四象限整流器[4，5]，后经中间直流环节电路将直流输送并转换送给牵引逆变器[6，7]，后输出的直流电由逆变系统输出可调交流电给牵引电机。目前，我国电力机车均采用单相两电平四象限变流器作为其交直变换器，本论文研究亦采用单相两电平四象限整流控制。逆变控制采用转子磁场定向矢量控制策略[8，9]，设计牵引控制单元如图1所示。
二、整流控制设计
2.1 状态方程
牵引传动系统中的整流部分电路主电路如图2所示，其中， us和is分别为网侧输入电压、电流;uab为整流器输入电压;Udc为中间直流侧电压;LN为牵引变压器牵引绕组的等效电感;L2和C2分别为直流侧二次LC谐振滤波电路的电感和电容;S1a和S2a为a桥臂自带反并联二极管的IGBT功率模块;S1b和S2b为b桥臂自带反并联二极管的IGBT功率模块;Cd为直流侧滤波电容。ic为流过直流侧电容的电流;idc为整流器输出电流;i2为流入二次谐振滤波电路的电流;iload为直流侧输出的负载电流，S1a、S2a、S1b、S2b构成四象限整流系统的IGBT，L2、C2、Cd构成中间直流环节。整流模块在机车运行中将电网传输的交流电转换为直流电并提供给动车组的逆变模块，在此过程中算法应控制电网的输出利用率接近1，整流输出的直流电压大小平稳且可控。由图2可推导其数学模型如式1，根据数学模型可设计具体的算法实现电压电流的可控。 2.2 控制策略
根据两电平整流器电路的主电路基本特性，推导其数学模型，根据数学模型和开关不同状态是电路的工作状态，设计整流模块的控制方式如图3所示。
本文研究整流控制采用电压前馈控制和PI控制作为控制外环与电流PR控制作为控制内环相结合的复合控制方式。如图3可知四象限整流器变压器等效的网侧电感LN的端电压、变压器等效的网侧电阻RN的端电压，将电网电压、电阻端电压和电感端电压作为构成电压控制的前馈信号，再与电压PI控制和电流PR控制结合控制输出。电压外环采用PI控制和前馈控制结合，控制直流侧电压udc跟随直流侧电压给定值，保持直流侧电压稳定;电流内环控制输入电流in，利用锁相环（PLL）求取电网的相位和频率作为电流给定值的相位和频率，对交流电流采用PR控制算法使得输出的网侧电流跟随给定电流，实现网侧输入端的单位功率因数为1。
2.3 输出波形
根据算法设计，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，设置仿真参数为变压器输入电压为25kV，变比为18：1，整流电路中电网电流和输出波形如图5所示，由图可得电网电压和电网电流电压相位几乎一致，功率因数接近1，电网利用率高;谐波分析如图6所示，由图可得输出电流的谐波畸变率为2.7%，值相对较小，对电网的损害小;直流侧电压输出如图4所示，仿真中给定输出电压为2700V，最终输出直流电压与给定输出电压一致。
三、逆变控制设计
3.1电路状态
高速动车组牵引传动系统中电机侧变流器大多采用转子磁场定向矢量控制策略，矢量控制的核心是对异步电机的电磁转矩和磁场的完全解耦控制，它在异步电机空间矢量模型的基础上，将电机定子电流的瞬时值分解成为控制磁通的励磁电流分量和控制转矩的转矩电流分量，并使两分量正交独立，分别进行独立控制。
在牵引传动系统中三相逆变模块的控制是实现牵引电机变频调速的关键，通过改变逆变器输出的频率和电压电流的大小对电机进行相应的调速，主电路如图7所示，逆变器的数学模型如式2。由图可知：逆变器主电路U、V和W三相桥臂组成，每相桥臂包含2个电力电子开关器件IGBT，且每个IGBT与1个二极管反向并联，组成1个功率器件。
3.2 矢量控制
矢量控制的最初提出是针对异步电机建立动态数学模型和矢量控制方程，并对电机模型进行了转子磁场定向的变换，使交流电机的控制具有直流电机双闭环调速的水平，而矢量控制的控制特性也使得异步电机在控制过程中存在较大的需要改进的部分。矢量控制的优点是控制电机从零速到最大速度，调速范围宽，可以精确控制转矩，系统的动态响应快，电机的加速特性好。缺点则是控制模型在电机高速运行过程中会受电机参数变化的影响，因此准确的获取电机的参数和电机动态控制模型的建立是提高电机矢量控制性能的关键。
异步电机转子磁场定向矢量控制系统中，一般包括四个闭环励磁电流内环、转矩电流内环、磁通外环、速度外环，这四个闭环构成四个调节器。调节器的参数设置和整定是系统设计的重要环节，调节器的参数设计的好坏会直接影响整个系统的控制性能，而调节器参数的设计和电机本身参数的求取的准确性，磁链-转速曲线和转矩-转速给定的合理型有关。结合以上对矢量控制和异步电机模型的分析，确定采用图8基于转子磁场的间接磁场定向的闭环控制系统，如图8所示控制采用了前馈静态电压和反馈电压控制结合的解耦方式，将dq轴的控制转换为两个独立通道的单回路控制系统，系统的设计和控制更为便利，而磁链环和速度环则结合电机参数设计了适应电机特性的曲线。
考虑交流异步电机在运行过程中磁链越接近圆形则控制性能越好，而SVPWM可通过交替使用不同的电压空间矢量实现磁链轨迹的控制，再考虑全速域控制中电机特性的变化，为了获得较好的调速性能调制方式采用异步、同步、方波的多模式混合SVPWM调制，实现方式如图9，低速域采用异步调制，中高速域采用多个同步模式切换，高速域采用方波控制。
3.3 仿真输出波形
异步电机的选型如表1，结合電机参数设计在仿真中设计相应的磁链环的速度环，仿真波形如图10、11所示，间接磁场定向控制使得电机的启动电流小，输出的转矩与给定转矩一致。
3.4实物平台验证
根据以上算法在芯片中写入逆变控制算法，并联合电源模块、IGBT逆变模块、小功率电机搭建牵引控制平台硬件电路，算法按照电机参数进行参数设置。
在电机满负载的工况下，逆变模块的扭矩输出图如图12所示（此处转矩的为对比按照机车转矩值给定与反馈，实际应用按需求缩减），逆变器输出电流为三相平衡的正弦波，输出转矩与给定转矩一致，输出电流如图13所示，输出电流随模式的不同切换，且启动电流为额定电流的1.2倍，波形质量相对较好。
四、结束语
本文参照电力机车动车组的基本结构设计了牵引传动系统的整流和逆变控制算法。整流控制算法考虑谐波对电网的影响和系统对中间直流环节电压的需求，设计了电压电流混合控制的方式使得电网输出电流和电压相位保持一致，输出直流母线电压与机车所需电压一致且扰动小;逆变算法控制考虑大功率异步电机的机械特性和牵引特性存在启动电流大、开关频率小、运行中受制于电机参数变化的问题，采用间接磁场定向控制和多模式调制算法控制电机，电机运行方式为恒转矩-恒功率，输出谐波小且输出于给定跟随性好，系统的动态响应快。通过仿真与实物平台实验验证了所提算法对当前牵引传动系统控制的正确性。
参考文献
[1]蒋济雄.我国轨道交通牵引机车振动研究现状分析[J].机械工程师，2015（05）：139-141.
[2]武彦.CRH2型动车组牵引传动控制系统仿真研究[J].电脑知识与技术，2015，11（18）：192-194+202.
[3]马志文，郑雪洋，殷振环.动车组牵引电机矢量控制系统几项关键技术[J].铁道机车车辆，2014，34（05）：1-5+38.
[4]韩坤，冯晓云，葛兴来，孙鹏飞.动车组牵引电动机全速域控制的研究与仿真[J].电工技术学报，2011，26（S1）：297-302.
[5]李林，徐海，耿路，颜伟，邱冬梅，高翔.动车组牵引传动系统瞬态电流控制策略对电网冲击的影响研究[J].南京师范大学学报（工程技术版），2017，17（02）：1-12.
[6]刘长清，郭平华，黄长强，蹇芳.电力机车四象限辅助变流器的研制[J].电力机车与城轨车辆，2003（06）：18-20.
[7]齐龙.基于电压控制器的转子磁场准确定向方法研究[J].铁道机车车辆，2017，37（01）：43-46+81.
[8]彭仁勇，陈鹏，陈美远，刘亚男.基于MATLAB/SIMULINK的异步主轴电机弱磁运行仿真[J].科技视界，2017（04）：17-18.
[9]韦文祥，刘国荣.间接矢量控制中的转子电阻辨识方法研究[J].控制工程，2014，21（06）：838-842.
[10]马建辉，高佳，周广旭，朱孟美，慕永云.一种SVPWM简化算法的设计与实现[J/OL].电源学报：1-12[2021-01-07].
李明华，1982年5月，男，山西省夏县，汉族，大学本科，工程师，高可靠嵌入式系统。
【关键词】 牵引传动 逆变 异步电机 实物平台
Abstract： The development of high-speed electric locomotive plays an important role in the development of modern society. As a key part of electric locomotive， traction drive system is related to the safety performance of the train ，and also， it is an important aspect of transportation technology. Based on the control theory， this paper discusses the working principle and control strategy of the traction drive system in vehicle operation in detail firstly;second， establishes the rectifier control and inverter control simulation system based on MATLAB， creates the state equation of rectifier and inverter circuit， compiles the control algorithm according to the state equation， sets up the test under different operating conditions， selects the better control strategy;Finally， implants the control algorithm into the chip The traction performance is verified on the real platform of the motor.
Key words： traction drive; inverter; asynchronous motor; physical platform
引言：
随着国内高速交通运输的全面发展，电力机车以其大功率、大容量、牵引力大、速度快的特点在全国大范围普及，对牵引控制的研究也愈来愈重要[1]。本文针对牵引传动系统的基本原理和结构进行阐述，并對整流控制和逆变控制进行了算法设计，在实验室环境中利用Matlab仿真[2]平台进行状态方程的设计以及测试，再将Matlab形成的代码移植到芯片中，并在实物平台上对牵引控制性能进行验证，在试验中不断优化控制算法[3]。
实物平台的设计主要包含可编程电源、逆变控制模块、IGBT控制模块以及小功率电机，可编程电源模拟整流控制单元，逆变控制模块实现逆变控制算法，通过IGBT模块发波控制电机，对电机进行变频启动以及加减载模拟工况控制，实现控制算法的不断优化。
一、牵引传动系统
随着电力传动及控制技术的发展，变频调速越来越广泛的应用于社会各领域，很好的解决了交流电动机的调速问题。传统的通用变频器通常采用的交-直-交电压型逆变器拓扑结构，交流电首先通过二极管可控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。
电力动车组的牵引传动系统通常采用的是交-直-交的传输方式，系统主要由受电弓、主断路器、牵引变压器、牵引四象限整流器、中间直流环节、牵引逆变器和牵引电机组成。本文分析的动车组牵引传动系统原理是受电弓通过电网接入高压交流电，经变压器降压后发送给四象限整流器[4，5]，后经中间直流环节电路将直流输送并转换送给牵引逆变器[6，7]，后输出的直流电由逆变系统输出可调交流电给牵引电机。目前，我国电力机车均采用单相两电平四象限变流器作为其交直变换器，本论文研究亦采用单相两电平四象限整流控制。逆变控制采用转子磁场定向矢量控制策略[8，9]，设计牵引控制单元如图1所示。
二、整流控制设计
2.1 状态方程
牵引传动系统中的整流部分电路主电路如图2所示，其中， us和is分别为网侧输入电压、电流;uab为整流器输入电压;Udc为中间直流侧电压;LN为牵引变压器牵引绕组的等效电感;L2和C2分别为直流侧二次LC谐振滤波电路的电感和电容;S1a和S2a为a桥臂自带反并联二极管的IGBT功率模块;S1b和S2b为b桥臂自带反并联二极管的IGBT功率模块;Cd为直流侧滤波电容。ic为流过直流侧电容的电流;idc为整流器输出电流;i2为流入二次谐振滤波电路的电流;iload为直流侧输出的负载电流，S1a、S2a、S1b、S2b构成四象限整流系统的IGBT，L2、C2、Cd构成中间直流环节。整流模块在机车运行中将电网传输的交流电转换为直流电并提供给动车组的逆变模块，在此过程中算法应控制电网的输出利用率接近1，整流输出的直流电压大小平稳且可控。由图2可推导其数学模型如式1，根据数学模型可设计具体的算法实现电压电流的可控。 2.2 控制策略
根据两电平整流器电路的主电路基本特性，推导其数学模型，根据数学模型和开关不同状态是电路的工作状态，设计整流模块的控制方式如图3所示。
本文研究整流控制采用电压前馈控制和PI控制作为控制外环与电流PR控制作为控制内环相结合的复合控制方式。如图3可知四象限整流器变压器等效的网侧电感LN的端电压、变压器等效的网侧电阻RN的端电压，将电网电压、电阻端电压和电感端电压作为构成电压控制的前馈信号，再与电压PI控制和电流PR控制结合控制输出。电压外环采用PI控制和前馈控制结合，控制直流侧电压udc跟随直流侧电压给定值，保持直流侧电压稳定;电流内环控制输入电流in，利用锁相环（PLL）求取电网的相位和频率作为电流给定值的相位和频率，对交流电流采用PR控制算法使得输出的网侧电流跟随给定电流，实现网侧输入端的单位功率因数为1。
2.3 输出波形
根据算法设计，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，设置仿真参数为变压器输入电压为25kV，变比为18：1，整流电路中电网电流和输出波形如图5所示，由图可得电网电压和电网电流电压相位几乎一致，功率因数接近1，电网利用率高;谐波分析如图6所示，由图可得输出电流的谐波畸变率为2.7%，值相对较小，对电网的损害小;直流侧电压输出如图4所示，仿真中给定输出电压为2700V，最终输出直流电压与给定输出电压一致。
三、逆变控制设计
3.1电路状态
高速动车组牵引传动系统中电机侧变流器大多采用转子磁场定向矢量控制策略，矢量控制的核心是对异步电机的电磁转矩和磁场的完全解耦控制，它在异步电机空间矢量模型的基础上，将电机定子电流的瞬时值分解成为控制磁通的励磁电流分量和控制转矩的转矩电流分量，并使两分量正交独立，分别进行独立控制。
在牵引传动系统中三相逆变模块的控制是实现牵引电机变频调速的关键，通过改变逆变器输出的频率和电压电流的大小对电机进行相应的调速，主电路如图7所示，逆变器的数学模型如式2。由图可知：逆变器主电路U、V和W三相桥臂组成，每相桥臂包含2个电力电子开关器件IGBT，且每个IGBT与1个二极管反向并联，组成1个功率器件。
3.2 矢量控制
矢量控制的最初提出是针对异步电机建立动态数学模型和矢量控制方程，并对电机模型进行了转子磁场定向的变换，使交流电机的控制具有直流电机双闭环调速的水平，而矢量控制的控制特性也使得异步电机在控制过程中存在较大的需要改进的部分。矢量控制的优点是控制电机从零速到最大速度，调速范围宽，可以精确控制转矩，系统的动态响应快，电机的加速特性好。缺点则是控制模型在电机高速运行过程中会受电机参数变化的影响，因此准确的获取电机的参数和电机动态控制模型的建立是提高电机矢量控制性能的关键。
异步电机转子磁场定向矢量控制系统中，一般包括四个闭环励磁电流内环、转矩电流内环、磁通外环、速度外环，这四个闭环构成四个调节器。调节器的参数设置和整定是系统设计的重要环节，调节器的参数设计的好坏会直接影响整个系统的控制性能，而调节器参数的设计和电机本身参数的求取的准确性，磁链-转速曲线和转矩-转速给定的合理型有关。结合以上对矢量控制和异步电机模型的分析，确定采用图8基于转子磁场的间接磁场定向的闭环控制系统，如图8所示控制采用了前馈静态电压和反馈电压控制结合的解耦方式，将dq轴的控制转换为两个独立通道的单回路控制系统，系统的设计和控制更为便利，而磁链环和速度环则结合电机参数设计了适应电机特性的曲线。
考虑交流异步电机在运行过程中磁链越接近圆形则控制性能越好，而SVPWM可通过交替使用不同的电压空间矢量实现磁链轨迹的控制，再考虑全速域控制中电机特性的变化，为了获得较好的调速性能调制方式采用异步、同步、方波的多模式混合SVPWM调制，实现方式如图9，低速域采用异步调制，中高速域采用多个同步模式切换，高速域采用方波控制。
3.3 仿真输出波形
异步电机的选型如表1，结合電机参数设计在仿真中设计相应的磁链环的速度环，仿真波形如图10、11所示，间接磁场定向控制使得电机的启动电流小，输出的转矩与给定转矩一致。
3.4实物平台验证
根据以上算法在芯片中写入逆变控制算法，并联合电源模块、IGBT逆变模块、小功率电机搭建牵引控制平台硬件电路，算法按照电机参数进行参数设置。
在电机满负载的工况下，逆变模块的扭矩输出图如图12所示（此处转矩的为对比按照机车转矩值给定与反馈，实际应用按需求缩减），逆变器输出电流为三相平衡的正弦波，输出转矩与给定转矩一致，输出电流如图13所示，输出电流随模式的不同切换，且启动电流为额定电流的1.2倍，波形质量相对较好。
四、结束语
本文参照电力机车动车组的基本结构设计了牵引传动系统的整流和逆变控制算法。整流控制算法考虑谐波对电网的影响和系统对中间直流环节电压的需求，设计了电压电流混合控制的方式使得电网输出电流和电压相位保持一致，输出直流母线电压与机车所需电压一致且扰动小;逆变算法控制考虑大功率异步电机的机械特性和牵引特性存在启动电流大、开关频率小、运行中受制于电机参数变化的问题，采用间接磁场定向控制和多模式调制算法控制电机，电机运行方式为恒转矩-恒功率，输出谐波小且输出于给定跟随性好，系统的动态响应快。通过仿真与实物平台实验验证了所提算法对当前牵引传动系统控制的正确性。
参考文献
[1]蒋济雄.我国轨道交通牵引机车振动研究现状分析[J].机械工程师，2015（05）：139-141.
[2]武彦.CRH2型动车组牵引传动控制系统仿真研究[J].电脑知识与技术，2015，11（18）：192-194+202.
[3]马志文，郑雪洋，殷振环.动车组牵引电机矢量控制系统几项关键技术[J].铁道机车车辆，2014，34（05）：1-5+38.
[4]韩坤，冯晓云，葛兴来，孙鹏飞.动车组牵引电动机全速域控制的研究与仿真[J].电工技术学报，2011，26（S1）：297-302.
[5]李林，徐海，耿路，颜伟，邱冬梅，高翔.动车组牵引传动系统瞬态电流控制策略对电网冲击的影响研究[J].南京师范大学学报（工程技术版），2017，17（02）：1-12.
[6]刘长清，郭平华，黄长强，蹇芳.电力机车四象限辅助变流器的研制[J].电力机车与城轨车辆，2003（06）：18-20.
[7]齐龙.基于电压控制器的转子磁场准确定向方法研究[J].铁道机车车辆，2017，37（01）：43-46+81.
[8]彭仁勇，陈鹏，陈美远，刘亚男.基于MATLAB/SIMULINK的异步主轴电机弱磁运行仿真[J].科技视界，2017（04）：17-18.
[9]韦文祥，刘国荣.间接矢量控制中的转子电阻辨识方法研究[J].控制工程，2014，21（06）：838-842.
[10]马建辉，高佳，周广旭，朱孟美，慕永云.一种SVPWM简化算法的设计与实现[J/OL].电源学报：1-12[2021-01-07].
李明华，1982年5月，男，山西省夏县，汉族，大学本科，工程师，高可靠嵌入式系统。