CN109445308A - 基于rt-lab的高速磁浮列车半实物仿真平台 - Google Patents

基于rt-lab的高速磁浮列车半实物仿真平台 Download PDF

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Abstract

一种基于RT‑LAB的高速磁浮列车半实物仿真平台，包括牵引控制系统，牵引仿真系统和牵引仿真管理子系统。牵引控制系统实现对牵引仿真系统中的变流器以及直线电机的控制，并与牵引仿真管理子系统实现数据交互。牵引控制系统包括变流器控制单元和电机控制单元，变流器控制单元和电机控制单元通过光纤连接。牵引仿真系统包括4套高功率变流器仿真子系统和1套直线电机仿真子系统；4套高功率变流器仿真子系统包含4台RT‑LAB的FPGA仿真机，每台FPGA仿真机对应一套高功率变流器仿真子系统；4台FPGA仿真机中有两台同时作为直线电机仿真子系统；四台FPGA仿真机之间通过光纤连接。本发明可以实现对高功率变流器以及直线电机的仿真。

Description

基于RT-LAB的高速磁浮列车半实物仿真平台
技术领域
本发明涉及一种高速磁悬浮列车半实物仿真平台。
背景技术
磁悬浮列车克服了车辆与轨道的接触和磨损，使轨道列车的速度得到了巨大提升，填补了高铁与飞机两类交通工具之间的速度空白。同时，磁悬浮列车还具有能耗低、运量大、适合远距离高速运输等优点。掌握磁悬浮列车核心技术对于国家来说具有重要的战略意义。
半实物实时仿真技术已经广泛应用于无人机自动测试跟踪、飞行棋姿态控制以及飞船太空舱的水平和垂直自由度的控制等航空领域。近年来，随着半实物实时仿真技术的发展，其在电力系统、轨道交通、新能源汽车、风电、光伏发电等领域也崭露头角。半实物实时仿真目前分为两大类：快速控制原型(RCP)与硬件在环技术(HIL)。在电机驱动领域，RCP采用虚拟控制器，与真实逆变器、真实电机连接后实时运行；HIL采用虚拟电机与真实控制器连接后实时运行。
高速磁悬浮列车的牵引系统功能复杂，实时性、控制精度、动静态特性要求高，系统耦合关系复杂，非线性度高，实际高速运行环境构建复杂、费用高，因此高速磁悬浮列车的牵引系统验证难度大。为了在实验室中验证高速磁浮列车牵引系统的有效性，就需要搭建半实物仿真平台。
中国科学院电工研究所的刘金鑫等人于2015年7月发表于电工技术学报的文章《高速磁浮牵引控制系统半实物实验研究》提及了一种基于dSPACE的半实物实时仿真平台。该平台主要包括dSPACE仿真计算机、硬件接口电路、仿真管理与模型建立计算机等几部分。
目前，国内外的专利文献中尚未见到基于RT-LAB搭建高速磁浮半实物仿真平台的相关文献。
发明内容
本发明的目的在于克服高速磁悬浮列车高速运行环境构建复杂、费用高、系统验证难度大等缺点，满足在实验室中验证高速磁悬浮列车的牵引控制系统的要求，提出一种基于RT-LAB的高速磁浮列车半实物仿真平台。
本发明高速磁悬浮列车半实物仿真平台采用硬件在环实时仿真技术，即将控制器实物与在计算机上实现的控制对象模型链接，进行仿真实验。本发明可以真实地反映控制器的动态特性、静态特性和非线性因素等，具有更高的精度，更快的通讯速率，以及对电力电子模型更高的兼容性。
本发明基于RT-LAB的高速磁悬浮列车半实物仿真平台，主要包括牵引控制系统、牵引仿真系统和牵引仿真管理子系统。所述的牵引控制系统实现对牵引仿真系统中的变流器以及直线电机的控制，并与牵引仿真管理子系统实现数据交互。
牵引控制系统包括变流器控制单元和电机控制单元。变流器控制单元的反射内存板卡和电机控制单元的反射内存板卡通过光纤连接。
牵引仿真系统包括4套高功率变流器仿真子系统和1套直线电机仿真子系统。4套高功率变流器仿真子系统包含4台RT-LAB的FPGA仿真机，每台FPGA仿真机对应一套高功率变流器仿真子系统。4台FPGA仿真机中有两台同时作为直线电机仿真子系统。四台FPGA仿真机分别通过数据线连接到RT-LAB的Dolphin机箱上。四台FPGA仿真机之间通过光纤连接，以欧若拉协议进行通讯。
牵引控制系统与牵引仿真系统的连接关系如下：
牵引控制系统中，变流器控制单元的PWM板卡通过光纤连接到光电转换机箱。光电转换机箱将光信号转换为电信号后，通过数据线连接到FPGA仿真机的数字输入板卡。
牵引仿真管理子系统包括Windows PC机和RT-LAB的CPU仿真机。Windows PC机通过网线与RT-LAB的CPU仿真机连接。CPU仿真机通过数据线连接到RT-LAB的Dolphin机箱。可以通过CPU仿真机实现模型开发配置，数据采集，仿真监控等功能。
每套所述的高功率变流器仿真子系统包括两台输入变压器，两台背靠背结构的有源中点箝位的三电平变流器，以及一台输出变压器。两台输入变压器分别以Y/Y结构和Y/△结构将电网接入到两台三电平变流器的输入端。两组背靠背三电平变流器共直流母线，两组变流器的输出侧连接输出变压器，实现直接输出模式和变压器模式两种输出模式。
所述的直线电机仿真子系统由两台FPGA仿真机组成，此处所述的两台FPGA仿真机由前面所述的4台FPGA仿真机中的两台构成。在Simulink中建立直线电机的数学模型，然后通过RT-LAB的CPU仿真机配置到两台FPGA仿真机中。两台FPGA仿真机之间通过光纤连接。
所述的牵引仿真管理子系统，包括牵引控制计算机和模型调试计算机。主要用于直线电机数学模型的开发，实现仿真过程控制与监控，数据采集，变量管理和参数管理，在线参数调整等功能。
基于RT-LAB的高速磁悬浮列车半实物仿真平台可以实现对高功率变流器以及直线电机的仿真。
所述的高速磁悬浮列车半实物仿真平台的工作过程如下：
在RT-LAB的CPU仿真机中配置4台FPGA仿真机，即将变流器与直线电机的数学模型配置到4台FPGA仿真机中；
牵引控制系统的电机控制单元从变流器控制单元接收到电流、电压等数据，从牵引仿真系统接收到列车速度、位置等数据，然后完成列车的速度控制及电机的电流控制，并通过反射内存板卡向变流器控制单元发送控制指令；变流器控制单元接收到电机控制单元的控制指令后，通过PWM板卡产生变流器控制信号，通过光纤传送给光电转换机箱；光电转换机箱将光信号转换为电信号，通过数据线发送给FPGA仿真机，FPGA仿真机接收到变流器控制信号后，对变流器和直线电机进行控制，完成磁悬浮列车在最高时速600km/h速度下的牵引运行，实现对变流器和直线电机的仿真。
本发明是基于RT-LAB仿真系统建立的，与dSPACE仿真平台相比具有更高的精度，更快的通讯速率以及对电力电子模型更高的兼容性等优势。并且，本发明主要面向最高时速可以达到600km/h的高速磁悬浮列车的仿真验证，仿真工况更加复杂。
附图说明
图1是高速磁浮半实物仿真平台的硬件组成结构；
图2是高功率变流器结构图；
图3是牵引系统仿真设备；
图4是高速磁浮半实物仿真平台的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明基于RT-LAB的高速磁悬浮列车半实物仿真平台主要包括牵引控制系统、牵引仿真系统和牵引仿真管理子系统。
所述的牵引控制系统包括变流器控制单元和电机控制单元。变流器控制单元上的反射内存板卡和电机控制单元上的反射内存板卡通过光纤连接。
牵引仿真系统包括4套高功率变流器仿真子系统和1套直线电机仿真子系统。4套高功率变流器仿真子系统包含4台RT-LAB的FPGA仿真机，每台FPGA仿真机对应一套高功率变流器仿真子系统。4台FPGA仿真机中有两台同时作为直线电机仿真子系统。四台FPGA仿真机分别通过数据线连接到RT-LAB的Dolphin机箱上。四台FPGA仿真机之间通过光纤连接，以欧若拉协议进行通讯。
牵引控制系统与牵引仿真系统的连接关系如下：
牵引控制系统中变流器控制单元的PWM板卡通过光纤连接到光电转换机箱。光电转换机箱将光信号转换为电信号后，通过数据线连接到FPGA仿真机上的数字输入板卡。
牵引仿真管理子系统包括Windows PC机和RT-LAB的CPU仿真机。Windows PC机通过网线与RT-LAB的CPU仿真机连接。CPU仿真机通过数据线连接到RT-LAB的Dolphin机箱。可以通过CPU仿真机实现模型开发配置，数据采集，仿真监控等功能。
如图1所示，本发明的牵引控制系统包括变流器控制单元和电机控制单元。四台变流器控制单元分别对应四套变流器仿真子系统。变流器控制单元产生的控制信号经过光电转换单元接入到FPGA仿真机的数字输入端口，从而控制变流器。变流器控制单元主要完成变流器整流部分的闭环控制，以及实现变流器逆变部分的调制算法。电机控制单元主要完成电机控制，以及向变流器控制单元发送指令。
如图2所示，每套所述的高功率变流器仿真子系统包括两台输入变压器，两台背靠背结构的有源中点箝位的三电平变流器，以及一台输出变压器。两台输入变压器分别以Y/Y结构和Y/△结构将电网接入到两台三电平变流器的输入端。两组背靠背三电平变流器共直流母线，两组变流器的输出侧连接输出变压器，实现直接输出模式和变压器模式两种输出模式。
如图3所示，本发明所涉及的四套FPGA仿真机通过Dolphion交换机与CPU仿真机连接在一起，并通过Dolphin交换机进行同步。直线电机仿真子系统产生的位置信号将会通过CPU仿真机传输到牵引控制系统的电机控制单元，进行闭环控制。
图4所示为本系统的实际仿真结果。磁悬浮列车可以加速到最高时速600km/h，并保持匀速运行一段时间后，逐渐减速，直至停止。说明本发明高速磁悬浮列车半实物仿真平台的功能是完备的。

Claims (4)

1.一种基于RT-LAB的高速磁浮列车半实物仿真平台，其特征在于：所述的半实物仿真平台基于RT-LAB实时仿真平台搭建而成，包括牵引控制系统，牵引仿真系统和牵引仿真管理子系统；所述的牵引控制系统实现对牵引仿真系统中的变流器以及直线电机的控制，并与牵引仿真管理子系统实现数据交互。
牵引控制系统包括变流器控制单元和电机控制单元，变流器控制单元的反射内存板卡和电机控制单元的反射内存板卡通过光纤连接；
牵引仿真系统包括4套高功率变流器仿真子系统和1套直线电机仿真子系统；4套高功率变流器仿真子系统包含4台RT-LAB的FPGA仿真机，每台FPGA仿真机对应一套高功率变流器仿真子系统；4台FPGA仿真机中有两台同时作为直线电机仿真子系统；四台FPGA仿真机通过数据线连接到RT-LAB的Dolphin机箱上；四台FPGA仿真机之间通过光纤连接，以欧若拉协议进行通讯；
牵引控制系统中，变流器控制单元的PWM板卡通过光纤连接到光电转换机箱；光电转换机箱将光信号转换为电信号后，通过数据线连接到FPGA仿真机的数字输入板卡；
牵引仿真管理子系统包括Windows PC机和RT-LAB的CPU仿真机；Windows PC机通过网线与RT-LAB的CPU仿真机连接；CPU仿真机通过数据线连接到RT-LAB的Dolphin机箱。
2.按照权利要求1所述的高速磁浮列车半实物仿真平台，其特征在于：每套所述的高功率变流器仿真子系统包括两台输入变压器，两台背靠背结构的有源中点箝位的三电平变流器，以及一台输出变压器；两台输入变压器分别以Y/Y结构和Y/△结构将电网接入到两台三电平变流器的输入端；两组背靠背三电平变流器共直流母线，两组变流器的输出侧连接输出变压器，实现直接输出模式和变压器模式两种输出模式。
3.按照权利要求1所述的高速磁浮列车半实物仿真平台，其特征在于：在Simulink中建立直线电机的数学模型，然后通过RT-LAB的CPU仿真机配置到所述的直线电机仿真子系统的两台FPGA仿真机中，两台FPGA仿真机之间通过光纤连接。
4.按照权利要求1所述的高速磁浮列车半实物仿真平台，其特征在于：所述的高速磁悬浮列车半实物仿真平台的工作过程如下：
牵引控制系统的电机控制单元从变流器控制单元接收到电流和电压数据，从牵引仿真系统接收到列车速度和位置数据，完成列车的速度控制及电机的电流控制，并通过反射内存板卡向变流器控制单元发送控制指令；变流器控制单元接收到电机控制单元的控制指令后，通过PWM板卡产生变流器控制信号，通过光纤传送给光电转换机箱；光电转换机箱将光信号转换为电信号，通过数据线发送给FPGA仿真机,FPGA仿真机接收到变流器控制信号后，实现变流器和直线电机的控制，实现对变流器和直线电机的仿真。
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