基于RT-LAB的高速動車組牽引傳動系統(tǒng)實時仿真*

顧春杰，韋 巍，何 衍

（浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027）

0 引言

為進一步緩解鐵路運力緊張、提升運輸服務品質，在全國范圍內實現(xiàn)高速鐵路網是必然的趨勢［1］。牽引傳動系統(tǒng)作為高速列車的重要組成部分，是列車的動力來源。由于實驗條件限制以及相關硬件設備的成本問題，研究者不可能在實驗室完成真實的牽引傳動系統(tǒng)的平臺搭建，如今用的比較多的是使用Mat?lab 等仿真軟件完成模型的搭建和相關數(shù)據(jù)的純軟件仿真。雖然通過仿真能得到被測量所需的理想結果，但不能實現(xiàn)信號的實時在線監(jiān)測和故障發(fā)生時控制器對故障情況的及時響應。

本研究利用RT-LAB實時仿真軟件搭建高速列車牽引傳動系統(tǒng)的仿真模型，并與GE公司CT11系統(tǒng)為開發(fā)平臺的控制器以及列車通信網絡（MVB）組成硬件在環(huán)的實時仿真系統(tǒng)。

1 CRH3 型高速動車組牽引傳動系統(tǒng)

CRH3 型高速動車組采用的是4 動4 拖8 輛編組，其中相鄰的兩輛動車為一個基本的動力單元，每個動力單元都有相應的牽引傳動系統(tǒng)，其基本結構框圖如圖1所示。牽引傳動系統(tǒng)主要由牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機三部分組成。25 kV/50 Hz 單相交流電從接觸網經受電弓、真空斷路器，經牽引變壓器降壓后，輸出單相1 550 V/50 Hz的交流電。牽引變流器輸入側為兩個并聯(lián)的四象限脈沖整流器（4QC），輸出電壓經過中間直流環(huán)節(jié)得到平滑的直流電壓。直流電壓經PWM逆變器轉換成牽引傳動系統(tǒng)所需要的變壓變頻三相交流電，從而驅動異步牽引電機［2-3］。

圖1 CRH3動車組一個動力單元的基本結構

1.1 四象限脈沖整流器

目前整流器電流控制技術主要有間接電流控制和直接電流控制，由于瞬態(tài)直接電流控制策略能使系統(tǒng)直流側電壓穩(wěn)定快、動態(tài)響應好、對系統(tǒng)參數(shù)變化能做出快速調整，該技術是高速動車組脈沖整流器普遍采用的控制技術［4-5］。

瞬態(tài)直接電流控制框圖如圖2所示。為了使中間直流環(huán)節(jié)電壓恒定，本研究將實時檢測到的中間直流電壓U d與給定電壓U d*進行比較，經PI調節(jié)器輸出增大或減小的IN*，以達到反饋控制U d的目的。同時實時檢測電網電壓和電流值，經運算電路后輸出參考電壓信號U s與三角載波進行SPWM調制，生成控制信號驅動開關器件。

1.2 牽引傳動系統(tǒng)直接轉矩控制

圖2 瞬態(tài)直接電流控制框圖

傳統(tǒng)的動車組牽引傳動系統(tǒng)牽引電機的控制方式主要采用矢量控制技術，而繼矢量控制技術之后發(fā)展起來的直接轉矩控制技術（DTC）［6］，它是在定子坐標系下觀測電機定子磁鏈和電磁轉矩，將磁鏈、轉矩觀測值與參考值經滯環(huán)比較器比較后得到磁鏈、轉矩的控制信號，再由開關表選擇合適的電壓矢量控制定子磁鏈的走向，從而達到控制轉矩的目的。定子磁鏈的計算只與定子電阻有關，而定子電阻的測量又相對比較容易，使得磁鏈的估算更容易、更精確，受電機參數(shù)變化的影響較小。所以本研究提出的動車組牽引傳動系統(tǒng)采用直接轉矩控制方式驅動牽引電機［7-8］。

牽引電機的直接轉矩控制系統(tǒng)將電機給定轉速和實際轉速相比較，經速度PI調節(jié)器輸出給定的轉矩；同時該系統(tǒng)根據(jù)實測電機三相電流和電壓值，利用磁鏈和轉矩估計模型分別計算電機的定子磁鏈和電磁轉矩大小、計算電機轉子的位置。然后分別計算電機給定磁鏈和轉矩與實際值的誤差，經滯環(huán)控制器后根據(jù)它們的狀態(tài)選擇逆變器的開關矢量，從而得到所需的SP?WM波形，實現(xiàn)對牽引電機的直接轉矩控制［9］。

2 CRH3 型動車組牽引控制單元

2.1 牽引與制動特性

動車組在牽引和制動過程中可分為兩個區(qū)域：準恒轉矩輸出區(qū)和恒功率輸出區(qū)［10］。CRH3型動車組在不同的速度時刻根據(jù)牽引與制動特性曲線輸出所需的牽引力，使動車組順利完成牽引或制動過程。

牽引工況時，牽引力和速度的數(shù)學關系為：

制動工況時，制動力和速度的數(shù)學關系為：

式中：F—1 個編組（16 臺電機）輪軌牽引力/制動力，kN；v—動車組速度，km/h。

2.2 牽引電機轉矩、轉速以及負載轉矩計算公式

牽引電機轉矩指令可以根據(jù)當前列車速度和牽引特性曲線計算得到：

牽引電機轉速與動車組運行速度換算關系為：

高速動車組基本阻力公式為［11］：

由轉矩計算公式可得每臺牽引電機的負載轉矩為：

式中：F—1個編組（16臺電機）輪軌牽引力/制動力，kN；v—動車組速度，km/h；T e—1 臺牽引電機輸出轉矩，N·m；d—車輪直徑，m；N—動車組牽引電機總數(shù)；a—傳動比；η—傳動效率；n—電機轉速，r/min；np—電機極對數(shù)；fz—動車組基本阻力，N；m—動車組總質量，t；T L—1臺牽引電機負載轉矩，N·m。

2.3 牽引控制策略

列車牽引控制策略的結構框圖如圖3所示。

圖3 列車牽引控制策略的結構框圖

CRH3 型動車組由司機室的牽引手柄、速度手柄和制動手柄來控制列車運行。該系統(tǒng)根據(jù)目標速度與列車實際速度之間的關系來實現(xiàn)牽引、恒速運行和制動等不同運行工況下的模式切換。

在列車啟動階段，司機給定列車運行的目標速度，由牽引特性曲線得到相應的牽引力，牽引力經列車牽引控制單元計算相應的轉矩，從而作為牽引電機直接轉矩控制模型的輸入來控制牽引變流器，使列車處于牽引加速的運行狀態(tài)。當給定速度與列車實際速度的偏差大于5 km/h時，列車處于牽引模式。

當給定速度與列車實際速度的偏差在-5 km/h～5 km/h 之間時，列車進入恒速運行模式，使列車實際運行速度保持恒定。

列車運行在不同區(qū)域時有不同的限速要求，列車速度超過限速值或者給定速度與列車實際速度的偏差小于-5 km/h時，列車進入制動模式，最后在限速值或者給定的速度下穩(wěn)定運行。

3 列車牽引傳動系統(tǒng)的半實物仿真

3.1 RT-LAB實時仿真系統(tǒng)簡介

RT-LAB實時仿真器是由加拿大Opal-RT公司開發(fā)的一套基于模型設計和測試應用的平臺，它主要應用于實時仿真系統(tǒng)、快速控制原型和硬件在環(huán)測試系統(tǒng)。它與其他仿真平臺的不同之處在于：它可以把復雜的模型劃分為多個子系統(tǒng)，再把這些子系統(tǒng)分配到多個目標機的節(jié)點上，從而構成了一個可伸縮的分布式實時仿真系統(tǒng)。

一臺裝有Matlab/Simulink和RT-LAB軟件的主機（Host）可以完成系統(tǒng)建模、在線參數(shù)調節(jié)和信號監(jiān)測等工作。而運行QNX 或者Redhat 等實時操作系統(tǒng)的目標機（Target）完成的是對模型的實時計算。目標機是Opal-RT 公司為硬件在環(huán)仿真應用設計的實時仿真器，其內部配置了多核處理器，可以進行復雜系統(tǒng)的模型計算。主機和目標機之間通過TCP/IP 或者IEEE 1394進行實時在線交互［12］。

3.2 硬件在環(huán)系統(tǒng)仿真模型

RT-LAB 實時仿真器包含有op5340、op5330、op5353、op5354 模擬量和數(shù)字量輸入輸出模塊，GE CT11 系統(tǒng)裝有TEWS 公司tpmc 系列輸入輸出模塊。由GE CT11 系統(tǒng)為開發(fā)平臺的控制器接收司機室經列車通信網絡（MVB）傳來的控制信號，通過tpmc551dac模塊將數(shù)字量轉化為模擬量，并將其傳輸給RT-LAB實時仿真器的op5340AI模塊，下載有軟件仿真模型的RT-LAB實時仿真器接收到控制信號后會實現(xiàn)不同模式下運行工況的仿真。同時本研究將牽引傳動系統(tǒng)仿真模型中有用的信號量通過I/O通道輸出，再由GE公司CT11系統(tǒng)經MVB通信網絡傳輸?shù)剿緳C室，以便對牽引傳動系統(tǒng)進行實時在線監(jiān)測，也可以對發(fā)生的故障做出及時的判斷。在列車通信網絡環(huán)境下，牽引傳動系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)結構框圖如圖4所示。

圖4 牽引傳動系統(tǒng)硬件在環(huán)結構框圖

在整個列車牽引傳動系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中，被下載到RT-LAB實時仿真器中的軟件仿真模型如圖5所示，它被分作4 個模塊，由仿真器的4 個核作并行運算處理。其中，sm_TC是由電網電壓、牽引變壓器、牽引變流器以及牽引電機組成的子系統(tǒng)；ss_monitor子系統(tǒng)用于控制信號的給定與反饋信號的監(jiān)測，該子系統(tǒng)中包含信號輸入/輸出模塊，通過GE CT11系統(tǒng)可以實現(xiàn)仿真器輸入/輸出模塊與司機室之間的信號傳輸；ss_TCU子系統(tǒng)完成四象限整流器和逆變器直接轉矩控制算法的仿真；ss_console子系統(tǒng)將部分信號量由示波器進行觀測。

圖5 牽引傳動系統(tǒng)RT-LAB軟件仿真框圖

3.3 仿真結果及分析

本研究由司機室給定的牽引、制動及速度信號來模擬不同的運行工況。CRH3動車組牽引電機具體參數(shù)如表1所示。

表1 CRH3動車組牽引電機參數(shù)

式（3～6）是牽引電機轉矩、轉速以及負載轉矩計算公式。針對CRH3 型動車組，其用到的車輛基本參數(shù)如下［13-15］：

d=0.875 m，N=16，a=2.788，η=0.97，np=2，m=536 t。

本研究根據(jù)搭建的仿真模型設置相關參數(shù)，由司機室牽引手柄、速度手柄和制動手柄控制列車的運行。列車初始給定速度為240 km/h，列車處于牽引狀態(tài)；當列車實際速度到達240 km/h 時，列車處于恒速運行狀態(tài)；25 s時，列車給定速度降為180 km/h。當然列車運行期間還要考慮運行環(huán)境問題，即限速問題。

由于RT-LAB仿真軟件中模擬量輸出模塊所對應的硬件的輸出電壓范圍是-16 V～+16 V，本研究在實測輸出結果的時候將仿真模型中的相關信號量縮小一百倍處理，以滿足硬件對量程的要求。本研究使用RT-LAB 仿真軟件ScopeView 工具查看的仿真波形和使用Tektronix 公司的MSO3032 示波器實測所得RT-LAB仿真器模擬量輸出波形，如圖6、圖7所示。

圖6 列車輸出轉矩曲線

圖7 列車運行速度曲線

在實測運行速度輸出值滿足硬件量程的前提下，比較圖7（a）和7（b），發(fā)現(xiàn)圖7（a）中實線所對應的列車運行速度仿真曲線與圖7（b）中實測運行速度曲線的變化趨勢保持一致。通過這兩張圖可以看出，列車運行速度比較平穩(wěn)。牽引狀態(tài)時列車運行速度從0 km/h開始加速，當速度達到一開始給定的目標速度240 km/h后，列車進入恒速運行模式；18.5 s時運行速度比限速大，列車處于制動模式，此時實際速度略低于限速值；24 s后，列車保持在略低于限速值120 km/h的恒速運行模式；25 s 時，給定速度由240 km/h 降為180 km/h，此時列車仍以略低于限速的速度運行；38 s時運行速度達到180 km/h，列車再次進入恒速運行模式。

對仿真結果及實測波形進行分析，圖6 中牽引電機輸出轉矩的仿真結果與實測波形保持一致，并隨速度的變化而平穩(wěn)變化；運行速度的仿真結果與實測波形的變化趨勢保持一致，在圖7（a）中虛線所示的列車運行限速條件下列車的運行速度曲線比較光滑，并始終保持在規(guī)定的限速范圍以下。通過對波形的比較分析說明，牽引電機直接轉矩控制對定子磁鏈和轉矩具有較好的控制效果。

4 結束語

通過對CRH3 型高速動車組牽引傳動系統(tǒng)的介紹，本研究在Matlab/Simulink環(huán)境下，基于RT-LAB軟件搭建了整個系統(tǒng)的仿真模型，并利用RT-LAB 實時仿真器和GE CT11 系統(tǒng)以及列車通信網絡（MVB）組成了硬件在環(huán)的仿真平臺。該模型牽引電機采用直接轉矩控制技術，依據(jù)列車的牽引控制策略，可以完成牽引、恒速運行、制動等不同運行工況的模擬。

仿真及實測得到的列車運行速度曲線平穩(wěn)，控制效果比較好。而通過對比仿真結果與實測波形變化趨勢的一致性，進一步說明了搭建的牽引傳動系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真模型的正確性。本研究在列車通信網絡的背景下搭建的硬件在環(huán)仿真模型，以整個列車系統(tǒng)為對象來研究列車的牽引控制策略，為之后進一步的實時在線監(jiān)測和故障診斷研究提供了基礎。

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