（电力电子与电力传动专业论文）轻轨车牵引电机矢量控制研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：10 0 l o w - f l o o rv e h i c l et e c h n o l o g y0 1 1b e h a l fo ft h ei n t e r n a t i o n a l m o s ta d v 批c dt e c h n o l o g yo fl o w - f l o o rl i g h tr a i lv e h i c l e s ( l r v ) t r a c t i o nd r i v e i sak e yc o m p o n e n to fl o w - f l o o rl i g h tr a i lv e h i c l es y s t e m , w h i c he n s u r e sl r vt o b es a f ea n dr e l i a b l ei no p e r a t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h el r vt r a c t i o n d r i v es y s t e m , a n dt h e n f o c u s e do ns t u d y i n gv e c t o rc o n t r o lo fl r vt r a c t i o nm o t o rw h i c hb a s e do nr o t o r f i e l d o r i e n t a t i o na n dt e s ts y s t e mo ft h el r vt r a c t i o nd r i v e t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nt h e o r y , d e r i v e di nd e t a i l b yr o t o ri n d u c t i o nm o t o ru n d e rf i e l d o r i e n t e dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，p r o p o s e da n i n d i r e c tv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yo ft r a c t i o nm o t o r , a n di n t r o d u c e dt h eb a s i c p r i n c i p l e sa n ds v p w ma l g o r i t h m o nt h i sb a s i s ，t h eu s eo fm a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o nm o d e lb u i l to nav a r i e t yo fw o r k i n gc o n d i t i o n so fi n d u c t i o nm o t o r s i m u l a t i o n ，i no r d e rt of u r t h e rs t u d ya n dl a yag o o df o u n d a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no fad s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2a s t h ec o r e ，f p g a s u p p l e m e n t e df u l l - d i g i t a l t r a c t i o nm o t o rc o n t r o ls y s t e mi s p r o p o s e d t h e h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，p r o t e c t i o ns t r a t e g i e sa n dp r o t e c t i o nc l a s s i f i c a t i o no f c o n t r o ls y s t e mw e r ea l s oi n t r o d u c e d a n dt h e ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n dd e s i g n ， t h em a i nm o d u l e so fv e c t o rc o n t r o ls o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mw e r e g i v e n f i n a l l y , i n v e r t e r - f e di n d u c t i o nm o t o rt e s ts y s t e mi n t e r o p e r a b i l i t yb a s e do n d o u b l ep u b l i cd cb u si si n t r o d u c e d a n dt h e nt h ej o i n tc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do n s p e e dc l o s e d l o o po ft h et r a c t i o nm o t o r , t o r q u ec l o s e d - l o o po fl o a dm o t o ri s p r o p o s e d a n du s i n gd y n a m i cl o a dt o r q u ee s t i m a t i o na st h em e t h o do ft h et e s t s y s t e md y n a m i ca d j u s t m e n tp r o c e s s ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h et e s ts y s t e mh a sg o o ds t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：l i g h tr a i lv e h i c l e ；t r a c t i o nd r i v e ；v e c t o rc o n t r o l ；t e s ts y s t e m c l a s s n o ：t m 9 2 3 v l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：车 永1 工 签字日期： 口。7 年万月乙尹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规 定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：牡彖旺 签字日期：加勺c 年脚 日 例 w i p 目r 劲咱 卅产 训叶 名 吼 獬 嗍 师 茅 翩 婵 致谢 本论文是在导师刘志刚教授的悉心指导和关怀下完成的。感谢刘老师为 我们创造和提供了良好的学习和科研环境。在两年的学习中，刘老师以他深 厚的学术造诣和严谨的治学作风深深的影响了我，在此，我要向刘老师致以 最衷心的谢意! 此外，感谢刁利军老师、沈茂盛老师、孙大南、李哲峰、陈超、客金坤、 罗荣娅、王少林、梅樱等同学对论文的顺利完成提供了热情支持和无私帮助， 感谢他们在本人论文撰写过程中给予的中肯意见。 最后，由衷的感谢在这两年研究生学习和生活中给予我帮助和关怀的亲 人、同学和朋友! 祝他们一生平安! 绪论 1 绪论 1 1 课题背景及意义 随着城市的飞速发展，人口的高速增加，大城市的公共交通问题日益突 出起来。对于国内高人口密度的城市而言，绝大多数采用传统的公共汽车和 无轨电车相结合的公共交通方式，少数大城市建设地铁缓解交通压力。这种 结构单一的传统公共交通方式，已越来越难以满足现代城市民众出行的需 要。2 0 世纪8 0 年代以来，城市轻轨车辆技术迅速发展，尤其是低地板轻轨 交通以其乘坐方便、安全，良好的起动和加速性能，对乘客流量变化的良好 适应性，对城市环境的低公害以及与现代城市建设相协调的车身造型等优点 而得到广泛应用【l 】【2 】。 低地板轻轨车的投入使用，在城市轨道交通系统中能够有效填补有轨电 车( 或公共汽车) 与地铁运量间的空白，其运量适应范围为单向高峰小时 1 3 万人次，最高达4 万人次，一般可用作中等城市的干线交通和大城市的 支线交通，使城市的轨道交通系统向多层次多结构的方向发展，满足不同时 刻、不同人群的消费需求，同时也提高了城市公共交通的运营效率。 低地板轻轨车相对于传统交通车辆具有下列特点： 轻轨交通采用电力牵引，不产生废气污染，车辆和轨道的良好动力 性能 使运行时的轮轨振动及噪声进一步减弱。另外，轨道两侧的绿化带也有 助于美化环境，减少噪声污染。 轻轨交通的能耗在轨道交通，道路公共汽车交通，私人车交通中是 最低 的，轻轨等轨道交通的发展，也遏制了由于私人小汽车发展而引起的耗 能型分散居住方式的蔓延。 轨道交通在单位社会成本比上比汽车低，低地板轻轨的造价一般仅 为地 铁造价的1 4 ，这为我国城市交通大发展提供了可能。 低地板轻轨系统的车辆减振性能和轨道稳定性能，可保证其运行平 稳流 畅。此外，较低的车辆地板以及无缝登车踏板，使乘客乘坐舒适。目前， 低地板轻轨交通前景被看好的关键一点就是方便乘客上下车，尤其解决 了老人，孩子，残疾人，拿包旅客上下车不方便的问题。 牵引传动技术是低地板轨道交通系统的关键技术之一，也是其核心技 北京交通大学硕士论文 术。对1 0 0 低地板轻轨车的牵引电机传动控制技术使用的是目前国际上比 较先进的矢量控制技术或称磁场定向控制技术。它相对于普通异步交流电机 传动系统的标量控制，技术上更加复杂，控制难度也很高，但是它能够对交 流电机实现高性能控制，体现了现代控制技术的先进性，有趋势表明，矢量 控制将淘汰标量控制，成为交流电机传动系统的工业标准控制技术【3 1 。 由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系 统。2 0 世纪7 0 年代西门子工程师e b l a s c h k e 首先提出异步电机矢量控制理 论来解决交流电机转矩控制问题。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在 调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由 于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器 在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度 传感器和编码器。鉴于电机参数有可能发生变化，会影响变频器对电机的控 制性能，目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检 测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机 进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结 果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控 制。 通过矢量控制技术，可以解决由于电机内在耦合效应导致的系统相应缓 慢的问题，提高了转矩对转差率的灵敏度。同时矢量控制让异步电动机可以 像他励直流电动机那样进行控制，从而使得交流电机可以高性能控制。由于 控制复杂，需要采用高速电动机控制专用d s p 、嵌入式实时软件操作系统， 开发更实用的转子磁场定向方法和精确的磁通观测器，使变频器获得高起动 转矩、高过载能力。 本课题基于以上背景，对研制掌握适合我国快速城市交通经济发展的 1 0 0 低地板轻轨车牵引传动系统，进行持续研发，提高自主创新能力，形 成中国特色的低地板轻轨车牵引传动技术，制造拥有完全自主知识产权的 1 0 0 低地板车交流电力牵引传动系统产品，具有重大的战略意义。本课题 结合我国的城市轨道交通控制系统的实际情况，通过研究国内外相关产品的 发展情况和前进趋势，设计出了一套适合我国发展使用的1 0 0 低地板轻轨 车的牵引电机矢量控制技术，设计完成了牵引控制系统的总体框图，硬件电 路设计，软件程序设计，实现了相关实验的运行，获得了宝贵的实验数据， 并且验证了该技术的可行性。本课题设计具有一定的先进性，紧紧追随着城 市轨道交通控制系统发展的脚步，符合工业控制系统未来发展的趋势和要 求，在工业领域中有着重要意义。 绪论 1 2 轻轨车电力牵引传动技术的发展和现状 对现代城市轻轨车交通的电动车辆电气系统是指静止辅助电源系统和 主传动电路系统4 1 5 1 6 1 7 1 。随着电力电子技术的发展它们在城轨车辆中的应 用也在不断地进步和发展车辆上的静止辅助电源，主要用作空调机、通风机 空压机、蓄电池充电器、照明及控制等辅助设备的供电电源。随着电力电子 技术的发展，辅助电源系统已从早期的旋转式电动一发电机组模式进步为静 止式变流机组，即所谓的静止辅助电源装置。静止辅助系统中采用的电力电 子器件则经历了从晶闸管( s c r ) 、大功率晶体管( g t r 、b j t ) 、可关断晶闸管 ( g t o ) 和绝缘栅双极型晶体管( i g b t 或i p m 的发展过程。同样，对于主牵引 系统也经历了从s c r 、g t o 到i g b t 的发展过程。采用新一代性能优怠的 电力电子器件，是科技发展的必然趋势。i g b t 器件属电压驱动的全控型开 关器件，脉冲开关频率高，性能好，损耗小，自保护能力强。目前世界上无 论是干线铁路还是城市轨道电动车辆的电气系统均采用i g b t 模块。 随着i g b t 性能的迅速发展，i g b t 模块的电压等级和电流容量不断提 高。1 9 9 1 年生产出了小型i g b t 模块，其电压等级为1 2 0 0 v 3 0 0 a ，其很快 取代了双极型晶体管。1 9 9 3 年出现了1 7 0 0 v 3 0 0 a 的i g b t ，并在城市电车 上获得推广应用。2 0 0 0 年后出现了1 7 0 0 w2 4 0 0 a 、3 3 0 0 w 1 2 0 0 a 和 6 5 0 0 v 6 0 0 a 的高压i g b t ，这些高压h v i g b 很快地应用到城市地铁轻轨车 辆中，由于其性能优越，加之其为绝缘型模块，整机的结构设计紧凑轻巧， 采用了低感母线技术与软门极的驱动技术，并解决了热循环的寿命问题，为 此，目前它们已成为轨道电力牵引系统中应用的主导元件。 在开发逆变器时，应尽量通过i g b t 模块的系列化使整机产品也实现系 列化，同时使产品结构更加简单以便于实现整机的小型化和轻量化，并通 过用高速数字信号处理器或应用v c ( 矢量控制) 或d t c ( 直接转矩控制) 控制策略以实现产品的高性能化。 由于技术发展所限，在早期的轻轨车上均采用直流传动。直流电动机体 积比较大，再加上轻轨车轴距比较短，故多采用纵向布置的单电动机。低地 板轻轨车的出现，使牵引电动机的纵向布置方式又开始得到应用。但一般采 用万向轴或采用齿轮箱传动，且均为交流异步电动机。交流驱动系统与直流 凸轮轴控制系统相比，可节能20 甚至更多，与直流斩波控制系统相比， 可节能5 以上。 电气部分是轻轨车辆的核心部分，包括牵引电机及其直流调压控制或主 逆变器、辅助装置供电、空调照明等。由于技术所限，早期的轻轨车为了方 便控制和调速大都采用串励直流电动机，其常规的输出级是连续回路、接触 3 北京交通大学硕士论文 器控制等。后来被直流斩波控制所代替，即直流电经斩波器斩波，电抗器平 波，驱动直流电机。这种传动方式功率损失小，维护方便，能平滑地调节牵 引力，可以充分利用轮轨粘着系数，更重要的是直流斩波控制可以利用再生 制动，节省能源。但直流电动机对环境污染较大，同时电机维修量大，且电 机也比较笨重，对车辆动力学性能存在负面影响。 2 0 世8 0 年代初，随着变流技术的发展，在轻轨车上开始采用异步电动 机。其最大的特点是将牵引电机与换向器进行分离。此时，直流电经过斩波 器斩波，流经使斩波器与逆变器解耦的电抗器，平波后输入逆变器，经变频 调压形成三相交流电，用来驱动异步电机。这种传动方式不仅具有直流斩波 控制的优点，而且克服了其缺点，不仅能更好地利用黏着性能，还降低了转 向架的质量和电机的维修工作量。与此同时，大功率g t o 和i g b t 等自动 开关组件的不断发展，加上计算机控制技术的进步，优化了三相交流传动的 功率调节和变频调压，将二者合成为一个装置，发展到脉宽调制的电压型逆 变器。 到了2 0 世纪9 0 年代，电机控制己发展到直接转矩控制阶段，列车总线 通信系统微机控制已发展到3 2 位高速处理器，变频器和电机已发展到水冷 模式，新的传动系统把输入的直流电经过l c 滤波装置，由v v v f 逆变器变 成三相交流电，驱动异步电机。新一代电力电子器件i g b t 开发后，又进一 步发展到智能功率模块i p m ，由于其性能优越，几年来得到迅速发展，无 论耐压还是电流容量都向g t o 靠近，因此未来的轻轨车辆中用i g b t 或i p m 取代g t o 将是发展的必然趋势。 近年来，直线电动机开始在轻轨车辆中得到应用，以取代传统的牵引电 动机。采用直线电动机可使车辆在牵引和动力制动时不受轮轨黏着的限制， 以提高起动牵引力和制动力，但其修建成本较高，是今后值得注意的发展方 向。 目前我国技术最先进的是长春轨道客车股份公司在2 0 0 6 年1 2 月投入使 用的7 0 的低地板轻轨车。它的牵引控制系统主要是将网侧的直流电转换成 变频变压的三相交流电，对牵引电机进行牵引和制动。牵引变流器模块m s r 包括由直流输入电容、牵引逆变器及制动斩波器组成的驱动装置。牵引逆变 器将中间直流电路的直流电转换为电压与频率可变的三相交流电，用于提供 给牵引电机。制动斩波器与牵引逆变器并联。制动斩波器限制中| 、h j 直流电路 的动态过电压，并与外部制动电阻一起提供电气制动功能。电机控制采用转 子磁通的矢量控制方式。牵引逆变器和制动斩波器由i g b t 模块组成，且 采用脉宽调制( p w m ) ，调制频率为2 h z 的常量，它们由牵引控制单元经门驱 4 绪论 动器进行控制，变流器可在四个象限运行( 前进后退以及驱动制动) ，频率 范围从0 - - 1 3 7 h z 。在制动方式中，制动能量经中间直流电路反馈至线路。 1 3 本文的研究工作 在研究了国内外低地板轻轨车发展的历史和趋势后，本人查阅大量相关 技术资料，在本论文中研究了基于1 0 0 低地板轻轨车的牵引电机矢量控制， 设计完成了牵引控制系统的总体框图，硬件电路设计，软件程序设计，并实 现了牵引电机试验系统设计，实现了工程项目的要求。 本系统在硬件设计上使用了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片作为控制核心，f p g a 进行辅助逻辑控制的实现，并完成了检测电路，保护电路的设计。在系统软 件设计上完成了总体设计方案、系统主程序设计、中断程序设计。同时通过 m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台对系统进行仿真分析，完成相关实验并进行分析。 本论文共分为6 章，安排如下： 第一章：简述课题的背景、研究意义，介绍了国内外低地板车及其关键 技术的研究情况，并说明论文所做的主要工作； “ 第二章：介绍了轻轨车牵引传动系统的整体结构，对方案进行了讨论； 第三章：详细说明了轻轨车牵引电机矢量控制基本原理，相关坐标变换 理论，电压，磁链，转矩，运动方程，电机模型，阐述了s v p w m 调制技术， 并完成仿真研究； 第四章：完成了牵引系统的设计实现，包括了控制系统的总体结构，硬 件设计，软件设计； 第五章：对轻轨车牵引传动试验系统进行了探讨和仿真，最后给出了实 验结果； 第六章：对己完成的工作进行总结，提出工作的不足和展望。 5 轻轨车牵引传动系统 2 轻轨车牵引传动系统 2 1 轻轨车交流传动系统构成 幽2 - 1 轻轨乍辆总体功能性原理图 f i 9 2 - if t m c t i o n a ls c h e m a t i c o f l r v 轻轨车辆总体结构删如图2 1 所示，其装配两个牵引辅助变流器( 对应图 中的3 卜每个牵引变流器负责装配有两个电动机的一个转向架的牵引动力。 图中其余各部分分别对应：1 一车辆车载蓄电池：2 一热交换器；4 a c 交流 总线短路分离器；5 一d c 直流接触网线电源；6 一a c 交流车载电源装置：7 一d c 直流车载电源和蓄电池电源；8 一动力转向架；9 一非动力转向架。 图2 - 2 所示是牵引变流器系统拓扑圈。主要包括断路器、电抗器、牵引 逆变单元、斩波单元、制动电阻以及牵引电机。由于本课题研究的是轻轨车 牵引电机的矢量控制系统，所以本章将着重介绍牵引逆变器系统的设计方 案和异步牵引电机控制方法。 幽2 - 2 牵引变流系统拓扑图 f i g2 - 2 t o p o l o g y o f t r a c t i o nc o l w e r t o r s y s t e m 2 2 牵引变流器系统技术方案 2 21 牵引逆变器主电路型式的确定 北京交通大学硕十论文 牵引变流器的作用就是把中间直流电压变换成三相交流电压，并按照交 流牵引电动机调速控制策略为其提供幅值和频率可调的三相交流电压，进而 控制交流牵引电机的转矩。 牵引逆变器分为电压型逆变器和电流型逆变器。由于电流型逆变器输出 电流谐波成分较大，目前已经很少采用，轻轨车交流牵引系统的变流器应采 用主流型产品一电压型逆变器。在目前交流牵引采用的逆变器主要有电压型 二点式及电压型三点式逆变器。 。广 j 审 - j 幸 i j 2 【 i 4 - 窀 j 肇 【j 2 、 一 一 2z 一 t _ rj 小【 + r j 圪为有效矢量，幅值大小；r o 、巧为零矢量，幅值为 零。如图3 5 所示。 或( o i o ) 兄( 1 l o ) ( 0 0 1 )呒( 1 0 1 ) 图3 - 5 空间电压矢量分布图 f i g 3 - 5d i s t r i b u t i n go fs p a c ev o l t a g ev e c t o r 如果希望获得多边形或者逼近圆形的旋转磁场，就必然要利用8 个空问 电压矢量的线性组合，以获得更多的与k 专k 不同的新的电压空间矢量，形 成一组等幅但不同相位的电压空间矢量。因此电压矢量s v p w m 以三相对称 正弦波电压供电时交流电动机的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的 开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通，从而达到较高的控制性能，这就 是空间矢量s v p w m 的基本原理。 3 3 2s v p w m 的调制方法 由于零矢量的两个自由度，加上两个相邻非零矢量的顺序亦有两个自由 度，组合电压空问矢量的方式不唯一。但不同的方式对逆变器的性能指标如 器件开关频率、开关损耗和输出电流的谐波含量等各异。本论文采用一种基 本的方法，在合成空间电压矢量时，8 个电压矢量的组合遵循以下原则： 伏秒平衡原则，一个开关周期内，输出电压的平均值应该与指定电压的 平均值相等： 转换模式，为降低开关频率，减小开关损耗，从一种开关状态到另一种 开关状态的切换应该只有一个开关器件动作： 组合方式，任一电压矢量应由与其相邻的两个非零电压矢量和两个零电 压矢量合成，并以圪矢量开始和结束，以减小转矩脉动。组合方式中 矢量的个数和k 矢量的个数相同。 以图3 5 中第3 扇区电压矢量的合成为例，在该扇区，合成电压矢量。 由相邻矢量圪和圪合成，见图3 - 6 。 控制系统的设计实现 巧o l o ) 争 图3 6 电压矢量线性分解图 f i g 3 6l i n e a rd e c o m p o s i t i o nd i a g r a mo f v o l t a g ev e c t o l 根据伏秒平很原n - 以眦t = 匕正+ 圪瓦+ r o r o + 巧写 t = 互+ 互+ 毛+ 互 ( 3 - 2 7 ) 根据规定的转换模式，可以使得在每个周期内开关次数最少，相电流矢量的 最大偏差尽可能减小，可以得到矢量的作用顺序。以第3 扇区为例，矢量作 用顺序为： 专一圪岭巧一圪一圪寸 一般每个工作状态都是对称的，则乃= 乃，因此可以得到在第3 扇区的 s v p w m 波形时序，同理得到其他扇区s v p w m 波形时序，如图3 7 所示。 & & 墨曼量& 曼互生奠量 ( 0 0 0 9伯l u i o )i i l c lj o )( o j 口)( o o o ) u 。，簟一囊逸 & 立盈垒互量& u 。奠三赢区 ( e e o )“o ”l l i t l i ” 1 0 1 )l i o o )( e o o ) u 。幕：囊蕊 互丘互墨互互生 ( o o o ) ( o o l i o h j f l l i ) t o i i d o i 】f ( o o o ) c ，。，第四扇区 北京交通大学硕十论文 42 i 22l 224 l i ll l l t e m o )( o l o 】( o 】l ( 1 lz )( o l l 】o l o )f o 删 l & 量曼墨量互益 u 。第五扇区玑哪第六赢区 图3 7 各扇区s v p w m 波形 f i g 3 7s v p w m w a v e f o r m so fe v e r ys e c t o r 3 3 3s v p w m 算法实现 本论文中s v p w m 的调制，将电机两相静止口一坐标系上的两个正交 电压向量形耐和k m 作为空间矢量信号实时调制的给定。由空间电压矢量 s v p w m 的原理可知，算法的关键是判断扇区和矢量作用时间。本论文采用 了在口一坐标系下的计算方法t 1 7 1 。 假定合成的矢量落在第3 扇区，则可知道其等价条件如下： 0 0 0 ，则b = i ，否则曰= o ； 如果3 0 ，则c = i ，否则c _ o ； 假设确定扇区用变量为s e c t o r ，则扇区的计算公式为： s e c t o r = a + 2 b + 4 c ( 3 3 0 ) 设合成时，先作用的电压矢量称为主矢量，后作用的电压矢量称为辅矢 量，定义t 。为一个p w m 周期乙中主矢量作用时问，t 2 辅矢量作用时问，气是 每个零矢量的作用时问。假定合成的矢量落在第3 扇区，见各扇区s v p w m 波形时序图3 7 。 当k 电压矢量作用时，将虬= 2 3 ，= u = 一3 代入式( 3 2 5 ) 2 r 控制系统的设计实现 整理得： = 詈 当圪电压矢量作用时，将虬= = 3 ，玑= - 2 3 代入式( 3 2 5 ) 整理 得： _ ， 圪= 詈口川3 根据伏秒平衡原则得： ( 圪州+ 圪阿) 弓= 专互+ 詈瓦e 弦仔 ， ( 3 - 3 1 ) 由此解出电压矢量圪、圪的作用时间： = 互2 爰( 缸硝一) 乃 2 瓮圪肘乃 t o = ( 乙一互一瓦) ( 3 3 2 ) 同理，可以计算出其他扇区各矢量的作用时间，这些表达式可以由如下 三个独立的表达式构成，对它们进行定义： x 一靛渤乒p 卜爰( 吨州一) 乃 z = 老( 一以一r e f ) t p f 3 3 3 ) 因此对于不同扇区，和f ：根据表3 1 取值，磊= 乃= ( 弓一正一瓦) 2 。 表3 - i 各扇区主辅矢量作用时间表 l23456 t | zy zxxy t 2 yxxz yz 知道了合成矢量所在扇区，以及主辅矢量和零矢量的作用时间就可以按 照图3 7 所示的各扇区s v p w m 波形时序，产生s v p w m 波。 在上述s v p w m 实现算法的基础上，利用m a t l a b 基本模块搭建了 2 9 北京交通大学硕+ 论文 s v p w m 实现仿真模型，得到s v p w m 的典型波形： 图3 - 8 扇区波形 f i g 3 - 8w a v e f o r mo fs e c t o r 图3 - 9s v p w m 调制波波形 f i g 3 9m o d u l a t e dw a v e f o r mo fs v p w m 图3 一1 0 转子磁链圆波形 f i g 3 - 1 0f l u xc i r c u l a r i t yo f r o t o r 图3 8 所示为扇区判断波形，从一个周期中看出，扇区按照 l 专5 专4 专6 专2 专3 的顺序进行，及此时电压矢量按照逆时针旋转，这如图 3 5 电压扇区分布图相吻合，充分验证了模型的正确性。 图3 - 9 所示为s v p w m 典型的马鞍形调制波。 图3 1 0 所示是转子磁链圆波形，可见通过s v p w m 算法，实现了异步 电机磁链趋于圆形，进一步验证了s v p w m 算法的正确性。 在s v p w m 算法及其仿真模型的建立，为下一步进行异步电机矢量控制 的仿真以及实验打下了坚实的基础。 3 0 控制系统的设计实现 3 4 异步电机矢量控制仿真 电气传动系统的复杂性和被控对象的特殊性，使得对它的建模与仿真一 直是研究的热点。对它的仿真研究不能像其他控制系统一样用各环节简化传 递函数来表示，这样会有很多重要环节被忽略，完全体现不了交流调速系统 的整体结构和各个环节点上的信号状态。对电气传动系统建模的仿真具有很 大的意义，首先可以检验算法正确与否；其次可以检验系统参数设定合理与 否。 m a t l a b s i m u l i n k 工具箱是一种优秀的仿真软件，具有模块化、可重载、 可封装、面向结构图编程以及高度可视化等特点。s i m u l i n k 最为显著的特点 是，具有控制系统模型图形组态输入与仿真功能，即只需用户根据建立的数 学模型和一些具体的模拟要求，从模块库中选择合适的模块组合在一起，只 需要知道所选模块的输入输出关系，而不必知道模块内部是如何实现功能 的，通过对这些基本模块的调用组成控制系统仿真模型，进行仿真与分析。 这一特点使得一个非常复杂系统的仿真建模变得相当容易，为一般普通仿真 软件所不具有的。s i m u l i n k 提供了各种仿真工具，尤其是不断扩展、内容丰 富的模块库为系统仿真提供了极大的便利。 异步电动机矢量控制系统是一个复杂的系统，对它的建模可以通过先建 立各个功能模块，然后进行整体组合。各个模块的建模已有很多文献介绍， 这里就不再累述。 表3 2 轻轨车仿真用异步电机参数 3 1 北京交通人学硕+ 论文 、品吨m 隧3 - i l 间接磁场定向控制系统仿真幽 n g3 - 1 i s i m u l a t i o ns c h c m a d co fi n d i r e c tv e c t o rc o n t r o l 根据上述分析，采用基于转子磁场定向的删接矢量控制策略对三相异步 电机进行控制，在m a t l a b s i m u l i n k 中搭建控制系统的仿真模型”1 如图3 - 1 1 所示。电机参数见表3 - 2 。 在图3 - 1 1 和e 述理论分析的基础上对电压源逆变器异步电机系统进行 功能、性能仿真得到 匕机在散工况、速度突变、负载突变、高速弱磁等 工况f 的仿真结果如图3 - 1 2 - ) 图3 - 2 4 所示。 ( 1 ) 空载运行i 况 空载状杏下当电机速度给定在0 s 从0 增加到1 0 0 0 r m i n 时，由图 3 - 1 2 - ) 3 1 6 可以看出控制系统具有较好的启动性能和稳态性能，基本实现了 无静差调速，目稳态时转矩基本无脉动。同时定子电流转矩分量和电磁转矩 变化趋势一致，且励磁电流分量在加速过程中保持不变充分验证了转子磁 场定向的完全解耦性。仿真过程中，为使速度缓慢上升，速度给定增加了斜 坡函数。 控制系统的设计实现 2 嘎拍 1 咖 0 1 咖 m o t o rs p e e dr c r p m - _ ，厂 l - - 00 51 522 53 e l e c t r o m a g n e t j ct o r q u et e n m 5 0 删 图3 1 2 电机起动时的速度和转矩波形 f i g 3 1 2r o t o rs p e e da n de l e c t r i ct o r q u ew h e nm o t o rs t a r t su p m 0 t o rap h a s ec u r r e n tl a a | ( 舢帅删巾删呻一 iii viiil1 00 51 522 53 图3 1 3 电机起动到稳定运行时a 相定子电流波形 f i g 3 - 1 3s t a t o rp h a s ec u r r e n t sw h e nm o t o rs t a r t su pt os t a b l i z i n g i q 。a n di q a 0 i d a n di d a l ： ：一一；一 ：一 一j 一一 r i。ji 一 00 51 522 53 图3 1 4 电机起动到稳定运行时定子电流d q 轴分量波形 f i g 3 - 14s t a t o rd qa x i sp h a s ec u r r e n t sw h e nm o t o rs t a r t su pt os t a b l i z i n g 3 3 北京交通人学硕十论文 m 0 l ort hr e ep h a s ec ur r en li a b c a j _ i _ - j - i 工k - d j 。l 越：。i j 0 。i 。i ：。j 。越_ 丘k 二i 幽3 1 5 稳定运行时三相定子电流波形 f i g3 - 1 5 t h r e e p h s t a t o ru t i ns t a b l eo p e r a t i o n l i n e v o h a g ev a m 7 幽3 1 6 电机稳定运行时线电压波形 f i g3 1 6l i n ev o l t a g ei n s t a b l eo p e r a t i o n ( 2 ) 恒转矩变速度时的运行工况 m o t o rs p e e d m 522 5 33 54 e l e c tr o m a g n e t i c i o r q u e t e n m i一i - 1 1 _ ：一： i 罔3 - 1 7i u 机速度变化时的速度和电磁转矩响应波形 f i g 3 - 1 7m o t o rs p e e dr e s p o n s ew h e nm o t o rs p e e dc o m m a n dc h a n g e s 一- 一 一曩一 一i 1 一ll一一1一ij一一i一【一l 一一一 一i；l o 一一一 【_l一； 一一_ 一 一i一j器 一一 一；一一；旨一i一io 乏| 哩 伽葶| 咖锄 喜| o 锄 控制系统的设计实现 扣0 0 2 m o t o rap h a s ec u r r e n ti a a 1 1 52 2 533 54 图3 18 电机速度给定变化时的定子电流响应 f i g 3 - 1 8s t a t o rc u r r e n t sr e s p o n s ew h e ns p e e dc o m m a n dc h a n g e s qa x i sc u r r e n tl 私 1 卯 1 0 0 5 0 0 da x i sc u r r e n ti d a 234 图3 1 9 电机速度给定变化时的定子电流d q 分量响应 f i g 3 - 1 9s t a t o rd q a x i sc u r r e n t sr e s p o n s ew h e nm o t o rs p e e dc o m m a n dc h a n g e s 保持电机负载转矩为l o o n m 不变，1 4 s 时，速度给定从8 0 0 r m i n 升到 1 6 0 0 r m i n ，2 8 s 时，又从1 6 0 0 r m i n 降至l j 8 0 0 r r a i n 。由于速度闭环的作用，电 机实际转速跟着上升，直到达到给定值，如图3 1 7 所示。 从图1 7 、图1 8 可以看出，电机速度变化时，在达到新的平衡之前，电机 电磁转矩相应地有正的或负的超调，以满足速度调整的需要，这都通过内环 电流环中定子电流的q 轴转矩分量进行调节，这一点可以从图3 1 9 看出。 ( 3 ) 恒转速变转矩时的运行工况 保持电机速度给定在1 0 0 0 r m i n 不变，按照这样的规律改变负载转矩：2 s 时由o 上升到3 0 0 n m ，2 8 s 时又从3 0 0 n m 降n 0 ，以此考查矢量控制的转矩动 态响应。从图3 2 0 速度放大图可以看出，电机速度在其闭环调节的作用下没 有太大的变化，仅在调节点附近有点波动。从图3 2 l 和图3 2 2 来看，电机电 磁转矩很好地跟踪了负载转矩的变化，在稳态时达到与负载转矩很接近的幅 度；定子电流幅值随转矩作相应变化，主要体现在q 轴转矩电流分量的变化， 因为d 轴转子磁链电流分量也像速度调节时一样几乎保持不变。 3 5 北京交通大学硕七论文 从图3 2 2 可以看出，在论文采用的间接矢量控制系统中，定子电流d 轴 励磁分量不变的情况下，电机的电磁转矩仅随g 轴转矩电流分量的增减而增 减。由此可以看出，本文所建立的问接磁场定向矢量控制系统模型实现了对 电机的解耦控制。 4 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 蜘 0 e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u er e f e r e n c et e r e f n m 1 522 5 33 5 m o t o rs p e e dn r p m i i - - l l - - - illl 1 522 5 33 5 m o t o rs p e e dn ，r p m 图3 2 0 电机负载转矩变化时的速度响应 f i g 3 2 0s p e e dr e s p o n s ew h e nl o a dt o r q u ec h a n g e s e i e c t r o m a g n e t i ct o r q u et e n m 2 0 0 口 2 0 0 m o t o rap h a s ec u r r e n ti a a 1 52 2 533 5 图3 2 l 电机负载转矩变化时定子电流和电磁转矩响应 f i g 3 - 21s t a t o rc u r r e n ta n dm a g n e t i ct o r q u er e s p o n s ew h e nl o a dt o r q u ec h a n g e s 控制系统的设计实现 图3 - 2 2 电机负载转矩变化时定子电流d q 轴分量响应 f i g 3 - 2 2s t a t o rd qa x i sc u r r e n t sr e s p o n s ew h e nl o a dt o r q u ec h a n g e s ( 4 ) 高速弱磁工况 前面给出了基频( 1 0 8 h z ) 以下电机速度变化时的电机工况，而在高速 时，为了获得尽可能大的转矩能力，要进行弱磁控制。仿真时，电机在 2 1 6 0 r r a i n 以上时进行弱磁控制。开始使电机速度升至l j l 0 0 0 r m i n ，在1 5 s 时， 给定负载转矩为2 0 0n i l l ，在1 s 时，电机转速给定从1 0 0 0 r m i n 升至l j 3 0 0 0 r m i n ， 电机转速及电磁转矩变化波形如图3 2 4 所示。 如图3 2 3 所示，高速弱磁时电流d 轴励磁分量慢慢下降到给定值，此时g 轴转矩电流分量在调整过程中有超调，最后稳定在一个比低速时更高的水 平。但电磁转矩经过调节后回到与负载转矩平衡的水平，如图3 2 4 所示。 oa x i sc u r r e n ti q a 图3 2 3 弱磁控制时定子电流d q 分量 f i g 3 2 3s t a t o rd qa x i sc u r r e n t si n t h eh i g hs p e e df i e l dw e a k e n i n gr e g i o n 3 7 3 8 控制系统的设计实现 4 控制系统的设计实现 4 1 控制系统组成 牵引变流器的控制系统主要分为两部分：主控系统( d s p