CN107359834B - 一种高速列车异步牵引电机方波单环弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速列车异步牵引电机方波单环弱磁控制方法，包括以下步骤：步骤1，确定逆变器可输出最大电压U_smax；步骤2，当异步牵引电机未进入方波工况时，d轴电压u_sd＝u_sd1，q轴电压u_sq＝u_sq1，当进入方波工况后，d轴电压u_sd＝u_sd1，q轴电压

步骤3，根据d、q轴电流关系设计弱磁PI调节器；步骤4，根据切换控制策略，当

时，采用双电流环矢量控制策略；当

时，采用方波单环弱磁控制策略。采用方波单环弱磁控制策略，提高了电流的跟踪响应能力，进而提高了电流瞬态响应能力；实现双电流环矢量控制和方波单环弱磁控制的平滑过渡，保证在切换控制策略时异步牵引电机不存在电流和电压冲击。

Description

一种高速列车异步牵引电机方波单环弱磁控制方法

技术领域

本发明涉及牵引电机控制领域，具体说是一种高速列车异步牵引电机方波单环弱磁控制方法。

背景技术

在大功率牵引传动系统中，为了降低开关损耗，使逆变器更加紧凑和轻量化，逆变器在牵引电机进入弱磁区之后，通常会进入方波工况以充分利用直流母线电压并降低逆变器的开关频率。牵引电机进入方波之后，基波电压的幅值保持不变，只有基波电压的矢量角可调，而传统双电流环矢量控制策略需要对电机定子电压的幅值和角度随时保持可控，如果在方波下仍采用传统双电流环矢量控制策略，会因两电流控制器相互冲突造成饱和，甚至影响电机正常运行。因此，需要针对方波工况提出合适的控制策略。

目前，针对于异步牵引电机在方波工况运行，普遍采用方波电流开环控制策略，即切除双电流环，如图1所示，即在电机未进入方波工况前，采用传统的双电流环矢量控制策略，在电机进入方波后，切除双电流环，电压指令完全由前馈计算得到。切除电流环后，为了解决电流跟踪响应能力下降的问题，需要通过转矩电流误差对转差频率进行补偿。

但是，方波电流开环控制策略存在以下缺点：

1、切除双电流环，电流处于开环控制，无法保证实际电流对指令值跟随；

2、由于控制器中积分项影响，切除控制双电流环时，可能出现电压突变，造成电机控制性能下降，甚至影响正常工作。

发明内容

针对现有控制方案中电流跟踪响应能力差以及切换时存在电压突变的问题，在传统矢量控制策略的基础上，本发明提供了一种高速列车异步牵引电机方波单环弱磁控制方法，主要目的有以下两点：

1、实现d、q轴电流闭环控制，提高d、q轴电流的跟踪能力，进而提高电流瞬态响应能力；

2、实现双电流环矢量控制和方波单环弱磁控制的平滑过渡，保证在切换控制策略时异步牵引电机不存在电流和电压冲击。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种高速列车异步牵引电机方波单环弱磁控制方法，包括以下步骤：

步骤1，根据直流侧母线电压确定逆变器可输出最大电压U_smax；

步骤2，在同步坐标系下，当异步牵引电机未进入方波工况时，异步电机的d轴电压u_sd＝u_sd1，q轴电压u_sq＝u_sq1，当异步牵引电机进入方波工况后，d轴电压u_sd＝u_sd1，q轴电压

步骤3，q轴电流误差通过PI调节器调节转子磁链大小，并简化q轴电流传递函数以设计弱磁PI调节器；

步骤4，根据切换控制策略，实现异步牵引电机的双电流环矢量控制和方波单环弱磁控制的平滑切换；通过判断q轴电压u_sq1和

的大小确定是否进入方波弱磁控制：当

时，采用双电流环矢量控制策略；当

时，采用方波单环弱磁控制策略；同时，当

时，使能弱磁PI调节器，保证q轴电流的跟踪响应能力；当

时，不使能弱磁PI调节器，并且清除弱磁PI调节器的积分项，避免对双电流环控制的影响。

在上述方案的基础上，步骤1中，在方波工况下，逆变器可输出最大电压为：

公式(1)中，U_dc为直流侧母线电压；

所述直流侧母线电压U_dc通过AD采样得到。

在上述方案的基础上，步骤2中，所述d轴电压u_sd1和q轴电压u_sq1的计算公式为：

公式(2)中，k_p1和k_i1为d轴电流PI调节器的参数，k_p2和k_i2为q轴电流PI调节器的参数，

为d轴电流的指令值，i_sd为d轴电流的实际值，

为q轴电流的指令值，i_sq为q轴电流的实际值，u_fd为d轴前馈电压补偿量，u_fq为q轴前馈电压补偿量，s为微分算子；

d轴电流的实际值i_sd和q轴电流的实际值i_sq根据采样电流得到；

d轴电流的指令值

和q轴电流的指令值

根据转矩指令T_e与当前转子磁链ψ_r计算得到，计算公式为：

d轴前馈电压补偿量u_fd和q轴前馈电压补偿量u_fq的计算公式为：

其中，R_s为异步牵引电机定子电阻，L_s为异步牵引电机定子电感，σ为漏感系数，ω_e为异步牵引电机定子角频率。

在上述方案的基础上，步骤3中，所述弱磁PI调节器的设计方法：

(1)根据d轴电流和q轴电流的关系表达式得出定子电流d轴分量和定子电流q轴分量的开环传递函数；

所述d轴电流和q轴电流的关系表达式为：

所述开环传递函数的表达式为：

式中，k_p3和k_i3为弱磁PI调节器的参数，s为微分算子，ω_e为异步牵引电机定子角频率，L_s为异步牵引电机定子电感，σ为漏感系数，T_d为时间常数，大小根据实际异步牵引电机平台延时和控制器带宽确定；

(2)令1+sT_d≈sT_d，将开环传递函数简化为：

其中，τ＝k_p3/k_i3；

(3)采用三阶最佳设计法获得弱磁PI调节器的参数为：

在上述方案的基础上，弱磁PI调节器的输入为q轴电流的指令值与实际值的差值，输出为弱磁量△ψ_r，根据弱磁PI调节器的输入得到弱磁量△ψ_r，如式(9)所示：

所述弱磁量△ψ_r的作用：使q轴电流的实际值与指令值一致，并提高电流跟踪响应特性。

在上述方案的基础上，步骤2中，在异步牵引电机进入方波工况后，弱磁控制不再依赖q轴电流环，只保留d轴电流环，此时，q轴电压u_sq通过d轴电压u_sd和逆变器可输出最大电压U_smax计算得到。

本发明技术方案带来的有益效果

1、本发明在方波工况采用单环弱磁控制策略，实现d、q轴电流闭环控制，提高d、q轴电流的跟踪能力，进而提高电流瞬态响应能力；

2、采用方波切换控制策略，实现双电流环矢量控制策略和方波单环弱磁控制策略的平滑切换，保证了在切换控制策略时异步牵引电机不存在电流和电压冲击。

附图说明

本发明有如下附图：

图1现有技术中方波电流开环控制策略示意图；

图2全速域异步电机控制策略示意图；

图3双电流环矢量控制策略示意图；

图4方波单环弱磁控制策略示意图；

图5切换控制策略示意图；

图6励磁电流和转矩电流的传递函数示意图；

图7实施例中的速度和相电流波形示意图；

图8实施例中的d、q轴电流波形示意图；

图9实施例中方波工况下相电流和相电压波形示意图；

图10实施例中的定子电压波形和弱磁控制器输出示意图；

图11实施例中的d、q轴电压波形示意图；

图12实施例中的电机转矩指令突变时d、q轴电流示意图；

图13实施例中的电机转矩指令突变时相电流波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明所述的一种高速列车异步牵引电机方波单环弱磁控制方法，包括如下步骤：

1.确定逆变器可输出最大电压U_smax；

通过AD采样得到直流侧母线电压U_dc，根据直流侧母线电压U_dc计算得到逆变器可输出最大电压U_smax，如式(1)所示：

2.计算d、q轴电压

在同步坐标系下，当异步牵引电机未进入方波工况时，异步电机的d轴电压u_sd和q轴电压u_sq为：

当异步牵引电机进入方波工况后，d轴电压u_sd和q轴电压u_sq为：

d轴电压为u_sd1和q轴电压为u_sq1的计算公式为：

公式(2)中，k_p1和k_i1为d轴电流PI调节器的参数，k_p2和k_i2为q轴电流PI调节器的参数，

为d轴电流的指令值，i_sd为d轴电流的实际值，

为q轴电流的指令值，i_sq为q轴电流的实际值，u_fd为d轴前馈电压补偿量，u_fq为q轴前馈电压补偿量，s为微分算子；

d轴电流的实际值i_sd和q轴电流的实际值i_sq根据采样电流得到；

d轴电流的指令值

和q轴电流的指令值

根据转矩指令T_e与当前转子磁链ψ_r计算得到，计算公式为：

d轴前馈电压补偿量u_fd和q轴前馈电压补偿量u_fq的计算公式如式(4)所示：

式中，R_s为异步牵引电机定子电阻，L_s为异步牵引电机定子电感，σ为漏感系数，ω_e为异步牵引电机定子角频率。

3.弱磁控制器的设计

本发明中的弱磁控制器采用弱磁PI调节器；所述弱磁PI调节器的参数设计方法：

(1)根据d轴电流和q轴电流的关系表达式得出定子电流d轴分量和定子电流q轴分量的开环传递函数；

所述d轴电流和q轴电流的关系表达式：

考虑延时等因素，等效为一阶惯性环节1+sT_d(T_d为时间常数，其大小根据实际异步牵引电机平台延时和控制器带宽确定)，可得开环传递函数的表达式(如图6所示)，具体如下：

式中，k_p3和k_i3为弱磁PI调节器的参数，时间常数T_d与控制系统的硬件相关，s为微分算子，ω_e为异步牵引电机定子角频率，L_s为异步牵引电机定子电感，σ为漏感系数；

(2)令1+sT_d≈sT_d，将开环传递函数简化为：

其中，τ＝k_p3/k_i3；

(3)根据d、q轴电流的开环传递函数，如式(6)和式(7)，采用三阶最佳设计法获得弱磁PI调节器的参数为：

所述弱磁PI调节器的输入为q轴电流的指令值与实际值的差值误差，输出为弱磁量△ψ_r，根据弱磁PI调节器的输入可得到弱磁量△ψ_r，如式(9)所示：

所述弱磁量的作用：使q轴电流的实际值与指令值一致，并提高电流跟踪响应特性。

4.切换控制策略；

本发明中的异步牵引电机采用全速域控制，如图2所示；全速域控制即：在异步牵引电机进入方波工况前，采用双电流环矢量控制策略，如图3所示；在异步牵引电机进入方波工况后，采用方波单环弱磁控制策略，如图4所示。采用切换控制策略可以保证两种控制策略的平滑切换。切换控制策略如图5所示。

根据式(2)计算得到u_sd1和u_sq1，通过比较判断u_sq1和

两者的大小确定采用具体控制策略。当

时，采用方波单环弱磁控制策略；当

时，采用双电流环矢量控制策略。

同时，根据判断q轴电压u_sq1和

两者的大小确定是否使能弱磁PI调节器。当

时，使能弱磁PI调节器，保证q轴电流的跟踪响应能力；当

时，不使能弱磁PI调节器，并且清除弱磁PI调节器的积分项，避免对双电流环控制的影响。

q轴电流指令值

的限幅通过异步牵引电机额定电流和d轴电流计算得到，如式(12)所示。

q轴电流指令值

的限幅可以保证电机电流不超过电机额定电流，同时，可以提高异步牵引电机的输出转矩。

5.方波单环弱磁控制策略；

方波单环弱磁控制策略的实现过程：在异步牵引电机进入方波工况后，控制内环不再为传统的双电流环，只保留d轴电流环，此时，q轴电压u_sq通过d轴电压u_sd和逆变器可输出最大电压U_smax计算得到，控制结构图如图4所示。同时，为了保证q轴电流的跟踪响应能力，采用弱磁PI调节器进行调节。

6.实施例实验结果

采用CRH₅型车传动系统参数，对全速域矢量控制算法进行了实验验证。实验平台采用CRH₅型车动车组实际的牵引控制器(TCU)，通过dSPACE仿真器来模拟牵引传动系统的特性和外部环境。控制算法主要基于ADSP-TS203S上实现，AD采样、门控信号的输出和反馈量输入，以及用于软件调试的模拟量输出由FPGA来实现。

牵引电机采用CRH₅型车国产化电机参数，牵引电机转矩和磁链指令按照CRH₅型车电机特性曲线给定。牵引电机定子电压幅值最大值U_smax为2292V。图7、8、10和11为牵引电机从600r/min加速到3200r/min的实验波形。图9为方波下实验波形。图12和13为电机转矩突变时的实验波形。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种高速列车异步牵引电机方波单环弱磁控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据直流侧母线电压确定逆变器可输出最大电压U_smax；

步骤2，在同步坐标系下，当异步牵引电机未进入方波工况时，异步电机的d轴电压u_sd＝u_sd1，q轴电压u_sq＝u_sq1，当异步牵引电机进入方波工况后，d轴电压u_sd＝u_sd1，q轴电压

步骤3，将q轴电流误差通过弱磁PI控制器调节转子磁链大小，并通过简化q轴电流开环传递函数以设计该弱磁PI调节器；

步骤3中，所述弱磁PI调节器的设计方法：

(1)根据d轴电流和q轴电流的关系表达式得出定子电流d轴分量和定子电流q轴分量的开环传递函数；

所述d轴电流和q轴电流的关系表达式为：

所述开环传递函数的表达式为：

式中，R_s为异步牵引电机定子电阻，k_p3和k_i3为弱磁PI调节器的参数，s为微分算子，ω_e为异步牵引电机定子角频率，L_s为异步牵引电机定子电感，σ为漏感系数，T_d为时间常数，大小根据实际异步牵引电机平台延时和控制器带宽确定；

(2)令1+sT_d≈sT_d，将开环传递函数简化为：

其中，τ＝k_p3/k_i3；

(3)采用三阶最佳设计法获得弱磁PI调节器的参数为：

所述弱磁PI调节器的输入为q轴电流的指令值与实际值的差值，输出为弱磁量Δψ_r，根据弱磁PI调节器的输入得到弱磁量Δψ_r，如式(9)所示：

q轴电流的指令值

根据转矩指令T_e计算得到，d轴电流的指令值

由当前转子磁链ψ_r计算得到；式(9)得到的弱磁量Δψ_r用于调节当前转子磁链ψ_r，从而调节d轴电流的指令值

进而实现q轴电流的调节，使q轴电流的实际值与指令值一致，完成输出转矩的控制；

步骤4，根据切换控制策略，实现异步牵引电机的双电流环矢量控制和方波单环弱磁控制的平滑切换；通过判断q轴电压u_sq1和

的大小确定是否进入方波弱磁控制：当

时，采用双电流环矢量控制策略；当

时，采用方波单环弱磁控制策略；同时，当

时，使能弱磁PI调节器，保证q轴电流的跟踪响应能力。

2.根据权利要求1所述的高速列车异步牵引电机方波单环弱磁控制方法，其特征在于：步骤1中，在方波工况下，逆变器可输出最大电压为：

公式(1)中，U_dc为直流侧母线电压；

所述直流侧母线电压U_dc通过AD采样得到。

3.根据权利要求1所述的高速列车异步牵引电机方波单环弱磁控制方法，其特征在于：步骤2中，当异步牵引电机进入方波工况后，计算电压指令部分，q轴电压不再依赖q轴电流环，只保留d轴电流环；此时，q轴电压u_sq通过d轴电压u_sd和逆变器可输出最大电压U_smax计算得到。

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