CN103605291B - 一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法及系统结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法及系统结构，适用于两重四象限结构电路的锁相环，包括将输入信号经过希尔伯特变换后，通过鉴相器输出相位角；对于由数字信号合成器生成的输出信号，采用相同的方法获取其相位信息；并用环路滤波器来消除二者的相位差，由数字信号合成器输出控制信号。该发明可以克服电网频率突变，稳定工作在较宽的频率范围及较大的幅值变化范围，并针对电网电压幅值变化较大以及包含较大噪声时，能够稳定工作。

Description

一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法及系统结构

技术领域

本发明涉及系统仿真技术领域，更具体的说，是涉及一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法及系统结构。

背景技术

目前，交流传动电力机车因其高功率密度和可靠性等优势，已取代直流传动电力机车，被广泛应用于轨道交通运输。从功能模块上划分，其主传动系统包括网侧变流器和电机侧交流器两大部分。由于变流器开关频率的限制，网侧变流器通常采用多重化联接方式，以减少网侧电流脉动和直流母线电压脉动。请参阅附图1，为现有技术中两重化四象限的主电路结构示意图；图2为交流传动电力机车四象限变流器其控制结构框图(两重化)。

PLL(Phase Locked Loop，锁相回路或锁相环)基本结构框图如图3所示，包括以下主要模块单元：鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，根据技术路线划分，目前主要包括以下四类锁相环：模拟锁相环、数字锁相环、全数字锁相环和软件锁相环。由于软件锁相环的灵活性，在四象限变流器控制中通常采用软件锁相环技术。由于四象限变流器象限变流器输入电压为正弦电压，四象限的锁相环建模仅对输入参考电压为正弦电压的锁相环进行分析；同时，对数字鉴相器模块也进行技术分析。目前的鉴相器分为以下三种：基于反正弦函数的鉴相器模块、基于双乘法的鉴相器模块、基于单乘法器的鉴相器模块，在电网频率变化较大时，输出相位发生改变，导致最终锁相环输出的角度存在很大的误差；对于输入信号含有大量噪声(电压谐波)而引起误差的时候，锁相环技术无法有效抑制这些因素，从而导致输出相角存在偏差。

因此，提供一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法及系统结构，在电网频率变化较大以及输入信号含有大量噪声(电压谐波)时，有效抑制输出相角存在偏差，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法及系统结构，以克服现有技术中由于在电网频率变化较大以及输入信号含有大量噪声(电压谐波)时，无法有效抑制输出相角存在偏差的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法，适用于两重四象限结构电路的锁相环，该方法包括：

根据四象限变流器输入电压为正弦电压确定两重四象限单相锁相环电路的仿真拓扑结构；

确定希尔伯特变换的单相锁相环结构，采用所述希尔伯特变换技术并经过鉴相器获得相位信号；

构建希尔伯特单相锁相环方程；

根据所述希尔伯特单相锁相环方程和所述仿真拓扑结构，构造针对输入电压信号为正弦波的锁相环模型；

建立锁相环仿真测试结构，进行锁相环仿真测试得到仿真测试结果；

其中，所述希尔伯特单相锁相环方程的表达式为：

其中：Ω＝2πf/f_s，所述f_s为实现锁相环的数字系统的采样频率，f为输入参考信号的频率，Ω为角度，为限制带宽的希尔伯特变换。

优选的，该方法还包括：

将所述仿真测试结果实时显示并打印输出。

其中，所述希尔伯特单相锁相环方程通过傅里叶反变换得到的时域离散表达式为：

优选的，该方法还包括：

将所述傅里叶反变换得到的时域离散表达式通过限定采样窗口，得到解析信号

通过鉴相器模块对所述解析信号进行解析获得相位信号

获取数字信号合成器生成的输出信号u₀(n)，通过鉴相器模块对所述输出信号进行处理获得相位信号所述

相位误差由环路滤波器进行消除，并输出数字信号合成器的控制信号。

本发明还公开了一种交流牵引电传动系统的半实物仿真系统，适用于两重四象限结构电路的锁相环，该系统包括：

第一确定单元，用于根据四象限变流器输入电压为正弦电压确定两重四象限单相锁相环电路的仿真拓扑结构；

第二确定单元，用于确定希尔伯特变换的单相锁相环结构，采用所述希尔伯特变换技术并经过鉴相器获得相位信号；

构建单元，用于构建希尔伯特单相锁相环方程；

构造单元，用于根据所述希尔伯特单相锁相环方程和所述仿真拓扑结构，构造针对输入电压信号为正弦波的锁相环模型；

仿真单元，用于建立锁相环仿真测试结构，进行锁相环仿真测试得到仿真测试结果。

优选的，该系统还包括：

显示输出单元，用于将所述仿真测试结果实时显示并打印输出。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法及系统结构，适用于两重四象限结构电路的锁相环，包括将输入信号经过希尔伯特变换后，通过鉴相器输出相位角；对于由数字信号合成器生成的输出信号，采用相同的方法获取其相位信息；并用环路滤波器来消除二者的相位差，由数字信号合成器输出控制信号。该发明可以克服电网频率突变，稳定工作在较宽的频率范围及较大的幅值变化范围，并针对电网电压幅值变化较大以及包含较大噪声时，能够稳定工作。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中两重化四象限的主电路结构示意图；

图2为交流传动电力机车四象限变流器其控制结构框图(两重化)；

图3为单相锁相环基本结构框图；

图4为本发明实施例公开的一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法流程图；

图5为本发明实施例公开的一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法的仿真电路结构示意图；

图6为本发明实施例公开的基于希尔伯特变换的单相锁相环结构框图；

图7为本发明实施例公开的基于希尔伯特变换的锁相环原理模型图；

图8为本发明实施例公开的仿真测试环境结构示意图；

图9为本发明实施例公开的一种交流牵引电传动系统的半实物仿真系统的结构示意图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下：

单相锁相环基本结构框图如图3所示，包括以下主要模块单元：

鉴相器(Phase Detector，PD)：比较输入参考信号与由压控振荡器生成的输出信号的相位差 并送至滤波器。

环路滤波器(Loop Filter)：通常为低通滤波器，用于过滤中的高频部分，保留直流部分u_VOC(t)送至压控振荡器。

压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VOC)：根据u_VOC(t)产生一个震荡信号u₀(t)。

根据锁相环的技术路线划分，主要包括以下四类锁相环：

模拟锁相环(Analog or Linear PLL，LPLL)：全部采用模拟电路技术实现。

数字锁相环(Digital PLL，DPLL)：鉴相器采用数字电路技术实现，其余部分采用模拟电路技术实现。

全数字锁相环(All Digital PLL，ADPLL)：全部采用数字电路技术实现。

软件锁相环(Software PLL，SPLL)：所有功能模块采用软件实现，通常运行与实时控制系统中(如单片机，DSP，FPGA等)。

由于软件锁相环技术的灵活性，在四象限变流器控制中，通常采用软件PLL技术。采用软件锁相环技术，图1中所描述的功能模块通常采用以下方式实现：

鉴相器：采用数字鉴相器模块实现(Digital Phase Detector)。

环路滤波器：采用数字滤波器模块来实现(Digital Loop Filter)。

压控振荡器：采用数控振荡器模块实现(numerically controlled oscillator，NCO)。

鉴相器是PLL的核心部分，本发明仅对数字鉴相器模块进行技术分析。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法及系统结构，适用于两重四象限结构电路的锁相环，包括将输入信号经过希尔伯特变换后，通过鉴相器输出相位角；对于由数字信号合成器生成的输出信号，采用相同的方法获取其相位信息；并用环路滤波器来消除二者的相位差，由数字信号合成器输出控制信号。该发明可以克服电网频率突变，稳定工作在较宽的频率范围及较大的幅值变化范围，并针对电网电压幅值变化较大以及包含较大噪声时，能够稳定工作。

请参阅附图4，为本发明公开的一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法流程图。本发明公开了一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法，适用于两重四象限结构电路的锁相环，该方法具体步骤包括：

步骤101：根据四象限变流器输入电压为正弦电压确定两重四象限单相锁相环电路的仿真拓扑结构；

具体的，请参阅附图5，为本发明实施例公开的一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法的仿真电路结构示意图。适用于两重四象限结构电路的锁相环。由于四象限变流器输入电压为正弦电压，因此四象限的锁相环建模仅对输入参考电压为正弦电压的锁相环进行分析。该形式的电路拓扑结构在机车四象限变流器仿真中被广泛应用。

步骤102：确定希尔伯特变换的单相锁相环结构，采用所述希尔伯特变换技术并经过鉴相器获得相位信号；

具体的，请参阅附图6，为本发明实施例公开的基于希尔伯特变换的单相锁相环结构框图。图6描述了基于希尔伯特变换技术的单相锁相环的基本结构：

u_i(n)：采样后的输入信号，即牵引变流系统中网侧变压器次边电压；

(限制带宽的)希尔伯特变换，根据公式1～3输出复数解析信号 (complex analytic signal)；

PD：鉴相器(输入信号为复数解析信号)；在鉴相器中通过系列相关计算，输出相位角与数字信号合成器输出的信号u₀(n)的相位差送至环路滤波器；

F(z)：环路滤波器滤除相位差中的高频信号，保留直流分量；

DDS：数字信号合成器(Direct Digital Synthesis)将直流分量合成信号u₀(n)输出。

步骤103：构建希尔伯特单相锁相环方程；

由于希尔伯特变换为非因果系统，因此需要对其带宽进行限制，具体表达式为：

${\stackrel{\‾}{H}}_A\left(e^{j\mathrm{\Ω}}\right)=1+{\mathrm{jH}}_H\left(e^{j\mathrm{\Ω}}\right)---\left(1\right)$

即

其中，Ω＝2πf/f_s，f_s表示采样频率。通过傅立叶反变换我们可以得到时域离散表达式：

从而，通过限定采样窗口，我们可以方便的求出解析信号

基于复数解析信号后，我们便可通过鉴相器模块获得相应的相位信息：

对于由数字信号合成器生成的输出信号u₀(n)，我们可以采用相同的方法获取其相位信息其相位误差由一个环路滤波器(如比例-积分控制器)来消除，并输出数字信号合成器的控制信号：

步骤104：根据所述希尔伯特锁相环方程和所述仿真拓扑结构，构造针对输入电压信号为正弦波的锁相环模型；

具体的，请参阅附图7，为本发明实施例公开的基于希尔伯特变换的锁相环原理模型图。根据希尔伯特锁相环方程以及锁相环的基本结构，可构建针对输入信号是正弦波的锁相环模型，如图7所示。经过希尔伯特变换后的输入信号能保持在较宽的频率范围，且经过复数变换后的信号能消除噪声干扰。有利于鉴相器的相位锁定。

步骤105：建立锁相环仿真测试结构，进行锁相环仿真测试得到仿真测试结果。

为了对该锁相环进行测试，本专利搭建了图8所示的仿真测试环境。其中：

初始化系统参数：用于初始化仿真系统的参数。

参考信号生成：用于生成离散的正弦参考信号。该参考信号初始频率和初始相位可通过参数改变。并可以加入白噪声。

基于希尔伯特变换的单相锁相环：根据上述的方法实现的单相锁相环。

相位比较：用于计算参考信号相位和锁相环所得到的相位的差值。

示波器1：用于显示和比较参考信号与锁相环所产生的信号。

示波器2：用于显示锁相环的输出值。

示波器3：用于显示参考信号相位和锁相环所得到的相位的差值。

锁相环的初始化参数为：初始化频率：50Hz；锁相环传递函数离散转折频率：8π；锁相环阻尼因素：0.707。

在上述本发明公开的实施例的基础上，本发明公开的一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法步骤还包括：

步骤106：将所述仿真测试结果实时显示并打印输出。

为检测锁相环的特性，本专利进行了以下仿真测试：

Test 1：参考信号频率f＝50Hz，初始化相位为90°，归一化幅值A＝1。

Test 2：参考信号频率f＝50Hz，初始化相位为90°，归一化幅值0.9≦A≦1.1(包含白噪声)。

Test 3：参考信号频率f＝50Hz，初始化相位为90°，归一化幅值A＝1.3。

Test 4：参考信号频率f＝50Hz，初始化相位为90°，归一化幅值1.2≦A≦1.4(包含白噪声)。

Test 5：参考信号频率f＝50Hz，初始化相位为90°，归一化幅值A＝0.7。

Test 6：参考信号频率f＝50Hz，初始化相位为90°，归一化幅值0.6≦A≦0.8(包含白噪声)。

Test 7：参考信号频率f＝55Hz，初始化相位为90°，归一化幅值0.9≦A≦1.1(包含白噪声)。

Test 8：参考信号频率f＝55Hz，初始化相位为90°，归一化幅值1.2≦A≦1.4(包含白噪声)。

Test 9：参考信号频率f＝55Hz，初始化相位为90°，归一化幅值0.6≦A≦0.8(包含白噪声)。

Test 10：参考信号频率f＝45Hz，初始化相位为90°，归一化幅值0.9≦A≦1.1(包含白噪声)。

Test 11：参考信号频率f＝45Hz，初始化相位为90°，归一化幅值1.2≦A≦1.4(包含白噪声)。

Test 12：参考信号频率f＝45Hz，初始化相位为90°，归一化幅值0.6≦A≦0.8(包含白噪声)。

根据上述测试结果可知：该发明可以克服电网频率突变，稳定工作在较 宽的频率范围及较大的幅值变化范围，并针对电网电压幅值变化较大以及包含较大噪声时，能够稳定工作。

上述本发明公开的实施例中详细描述了方法，对于本发明的方法可采用多种形式的系统实现，因此本发明还公开了一种系统，下面给出具体的实施例进行详细说明。

请参阅附图9，为本发明实施例公开的一种交流牵引电传动系统的半实物仿真系统结构示意图。本发明实施例公开了一种交流牵引电传动系统的半实物仿真系统结构，适用于两重四象限结构电路的锁相环，该系统结构具体包括：第一确定单元201，用于根据四象限变流器输入电压为正弦电压确定两重四象限单相锁相环电路的仿真拓扑结构；第二确定单元202，用于确定希尔伯特变换的单相锁相环结构，采用所述希尔伯特变换技术并经过鉴相器获得相位信号；构建单元203，用于构建希尔伯特单相锁相环方程；构造单元204，用于根据所述希尔伯特锁相环方程和所述仿真拓扑结构，构造针对输入电压信号为正弦波的锁相环模型；仿真单元205，用于建立锁相环仿真测试结构，进行锁相环仿真测试得到仿真测试结果。

本发明在上述公开的基础上，本发明公开的一种交流牵引电传动系统的半实物仿真系统还包括：显示输出单元206，用于将所述仿真测试结果实时显示并打印输出。

综上所述：本发明公开了一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法及系统结构，适用于两重四象限结构电路的锁相环，包括将输入信号经过希尔伯特变换后，通过鉴相器输出相位角；对于由数字信号合成器生成的输出信号，采用相同的方法获取其相位信息；并用环路滤波器来消除二者的相位差，由数字信号合成器输出控制信号。该发明可以克服电网频率突变，稳定工作在较宽的频率范围及较大的幅值变化范围，并针对电网电压幅值变化较大以及包含较大噪声时，能够稳定工作。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种交流牵引电传动系统的半实物仿真方法，其特征在于，适用于两重四象限结构电路的锁相环，该方法包括：

根据四象限变流器输入电压为正弦电压确定两重四象限单相锁相环电路的仿真拓扑结构；

确定希尔伯特变换的单相锁相环结构，采用所述希尔伯特变换技术并经过鉴相器获得相位信号；

构建希尔伯特单相锁相环方程；

根据所述希尔伯特单相锁相环方程和所述仿真拓扑结构，构造针对输入电压信号为正弦波的锁相环模型；

建立锁相环仿真测试结构，进行锁相环仿真测试得到仿真测试结果；

其中，所述希尔伯特单相锁相环方程的表达式为：

其中：所述f_s为实现锁相环的数字系统的采样频率，f为输入参考信号的频率，Ω为角度，为限制带宽的希尔伯特变换。

2.根据权利要求1所示的方法，其特征在于，该方法还包括：

将所述仿真测试结果实时显示并打印输出。

3.根据权利要求1所示的方法，其特征在于，所述希尔伯特单相锁相环方程通过傅里叶反变换得到的时域离散表达式为：

4.根据权利要求3所示的方法，其特征在于，该方法还包括：

将所述傅里叶反变换得到的时域离散表达式通过限定采样窗口，得到解析信号

通过鉴相器模块对所述解析信号进行解析获得相位信号

获取数字信号合成器生成的输出信号u₀(n)，通过鉴相器模块对所述输出信号进行处理获得相位信号所述

相位误差由环路滤波器进行消除，并输出数字信号合成器的控制信号。

5.一种交流牵引电传动系统的半实物仿真系统，其特征在于，适用于两重四象限结构电路的锁相环，该系统包括：

第一确定单元，用于根据四象限变流器输入电压为正弦电压确定两重四象限单相锁相环电路的仿真拓扑结构；

第二确定单元，用于确定希尔伯特变换的单相锁相环结构，采用所述希尔伯特变换技术并经过鉴相器获得相位信号；

构建单元，用于构建希尔伯特单相锁相环方程；

构造单元，用于根据所述希尔伯特单相锁相环方程和所述仿真拓扑结构，构造针对输入电压信号为正弦波的锁相环模型；

仿真单元，用于建立锁相环仿真测试结构，进行锁相环仿真测试得到仿真测试结果；

其中，所述构建单元构建的希尔伯特单相锁相环方程的表达式为：

其中：所述f_s为实现锁相环的数字系统的采样频率，f为输入参考信号的频率，Ω为角度，为限制带宽的希尔伯特变换。

6.根据权利要求5所示的交流牵引电传动系统的半实物仿真系统，其特征在于，该系统还包括：

显示输出单元，用于将所述仿真测试结果实时显示并打印输出。