交流牽引機(jī)車庫(kù)內(nèi)移車矢量控制系統(tǒng)研究

張　帥，易吉良，程　焰，劉小文，楊曉芳

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

交流牽引機(jī)車庫(kù)內(nèi)移車矢量控制系統(tǒng)研究

張帥，易吉良，程焰，劉小文，楊曉芳

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

針對(duì)交流牽引電力機(jī)車在庫(kù)內(nèi)低速移動(dòng)的工況，提出以機(jī)車DC 110 V蓄電池作為動(dòng)力源，采用基于模糊自適應(yīng)PI速度控制器的矢量控制系統(tǒng)。通過控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制交流牽引電力機(jī)車在庫(kù)內(nèi)低速、穩(wěn)定移動(dòng)。最后，利用MATLAB/Simulink對(duì)本控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，基于模糊自適應(yīng)PI速度控制器的矢量控制系統(tǒng)具有電壓利用率高、轉(zhuǎn)速誤差及超調(diào)小、系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)的自適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

交流牽引；矢量控制；模糊PI；異步電機(jī)

0　引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，交流傳動(dòng)電力機(jī)車將成為主流機(jī)車。交流傳動(dòng)電力機(jī)車在運(yùn)行過程中，由于受腐蝕、振動(dòng)、摩擦及自然老化等因素的影響，機(jī)車各部件會(huì)逐漸磨損，超過一定期限就會(huì)發(fā)生故障，使機(jī)車不能正常運(yùn)行，因此，定期對(duì)交流傳動(dòng)電力機(jī)車進(jìn)行保養(yǎng)與檢修是非常重要的，可保證機(jī)車的安全運(yùn)行，延長(zhǎng)機(jī)車的使用壽命［1-2］。電力機(jī)車檢修車庫(kù)內(nèi)沒有供電牽引網(wǎng)。在無供電牽引的情況下，庫(kù)內(nèi)移動(dòng)機(jī)車主要有以下兩種方式。

1）利用外加輔助設(shè)備推動(dòng)機(jī)車，例如使用內(nèi)燃機(jī)車或者直流機(jī)車推動(dòng)和諧機(jī)車行走。該方法的缺點(diǎn)是成本高，占用空間。

2）使用交流牽車設(shè)備，即將AC 380 V電源直接引入電力機(jī)車的移車裝置上。但是當(dāng)機(jī)車庫(kù)內(nèi)移車結(jié)束后，需要人為切斷電源，收回電源線。該方法的缺點(diǎn)是操作繁瑣，且存在安全隱患。

為了解決上述兩種方法的缺陷，需要研究一種低成本、高效率、高實(shí)用性的電力機(jī)車庫(kù)內(nèi)移車方式。因此，本文以電力機(jī)車DC 110 V蓄電池為機(jī)車牽引電機(jī)的動(dòng)力源，設(shè)計(jì)了庫(kù)內(nèi)移車矢量控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車在庫(kù)內(nèi)低速移車。該系統(tǒng)先將DC 110 V通過升壓電路模塊升壓至DC 560 V，再接入變流裝置，逆變輸出AC 380 V電壓，再接入驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源端，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制機(jī)車在庫(kù)內(nèi)移動(dòng)。本文利用MATLAB/Simulink搭建了庫(kù)內(nèi)移車矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，本系統(tǒng)是合理、可行的。

1　移車牽引系統(tǒng)方案

以HXD3型電力機(jī)車為例說明庫(kù)內(nèi)移車牽引系統(tǒng)的可行性。HXD3型電力機(jī)車的蓄電池組容量為170 Ah。蓄電池組的性能如下：蓄電池組能夠承受的最大沖擊電流為6 100 A；蓄電池組每小時(shí)的放電電流最高可達(dá)170 A；機(jī)車啟動(dòng)時(shí)，蓄電池組的沖擊電流低于120 A；電力機(jī)車以1 km/h低速移動(dòng)時(shí)，蓄電池組的電量消耗低，電流低于60 A。電力機(jī)車以1 km/h低速移動(dòng)，出入庫(kù)一次的行走時(shí)間約為3 min。因此，車載蓄電池組作為機(jī)車庫(kù)內(nèi)移車動(dòng)力源，能夠滿足實(shí)際需求。

電力機(jī)車在庫(kù)內(nèi)移車的過程中，機(jī)車的部分用電設(shè)備工作會(huì)造成蓄電池組的電量顯著下降。當(dāng)蓄電池組的電量過低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)車無法正常工作，如蓄電池組的電壓處于77 V以下，機(jī)車的受電弓將無法升起與供電網(wǎng)接觸，控制線路的主斷路器將閉合，切斷供電線路與電源之間的連接。為了解決上述問題，整體方案采用超級(jí)電容組與蓄電池組進(jìn)行能量分配，但能量分配策略將在另外一篇論中文進(jìn)行說明。

現(xiàn)有的機(jī)車庫(kù)內(nèi)移車一般采用正弦波脈寬調(diào)制方法（sinusoidal pulse width modulation， SPWM），該方法的直流電壓利用率偏低，最大只有0.5，而且會(huì)產(chǎn)生高次諧波、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問題。而采用空間矢量脈寬調(diào)制方法（space vector pulse width modulation， SVPWM），其直流電壓利用率比SPWM控制方法高15%。因此，本文采用SVPWM控制方法，并引入模糊控制算法對(duì)PI速度控制器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了基于模糊自適應(yīng)PI速度控制器的矢量控制系統(tǒng)。改進(jìn)的PI速度控制器能夠更好地適應(yīng)異步電機(jī)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性。機(jī)車庫(kù)內(nèi)移車牽引系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　整體方案結(jié)構(gòu)圖Fig. 1　An overall structure of the program

2　庫(kù)內(nèi)移車牽引系統(tǒng)控制策略

2.1SVPWM控制原理

異步電機(jī)的SVPWM控制，就是對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。如果要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，必須要完全解耦電機(jī)的磁通電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量。而磁通電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的完全解耦，可采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制方法。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制方法的關(guān)鍵，是確保轉(zhuǎn)子磁鏈與d軸的方向保持同步［1］。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q下，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈r、轉(zhuǎn)差角頻率Δ、電磁轉(zhuǎn)矩Te分別為：

式（1）～（3）中：Lm， Lr分別為電機(jī)的自感和互感；isd， isq分別為定子電流d， q軸分量；Tr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)；P為微分算子；np為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

圖2　計(jì)算， Δ，的結(jié)構(gòu)圖Fig. 2　Structure diagram of the calculation of， Δand

2.2模糊自適應(yīng)PI速度控制器

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、適應(yīng)強(qiáng)是常規(guī)PI控制器的特性，但若要整定出一組最佳的控制器參數(shù)非常困難。如當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)有變動(dòng)時(shí)，常規(guī)PI控制器無法及時(shí)調(diào)整控制器的參數(shù)，就會(huì)導(dǎo)致控制器的性能不能滿足系統(tǒng)的要求，使整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象。高階次、多變量、強(qiáng)耦合以及非線性是異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型特征［3］。對(duì)于這種狀態(tài)下，常規(guī)PI控制器整定一組最佳的PI參數(shù)極其困難，即使能夠整定出最佳的，其控制效果并不能適應(yīng)異步電機(jī)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性［4］。因此，本文采用模糊控制理論的自校正特性與常規(guī)的PI控制理論相結(jié)合的模糊自適應(yīng)PI控制器［5］。該控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中，nref為速度給定量，nω為電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速。

圖3　模糊自適應(yīng)PI控制器的結(jié)構(gòu)圖Fig. 3　Structure diagram of the fuzzy adaptive PI controller

由圖3可知，模糊推理模塊的兩個(gè)輸入量，分別是電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差e和誤差變化率ec，根據(jù)專家知識(shí)建立的輸出修正量Δ Kp，Δ Ki與速度誤差e、誤差變化率ec之間的模糊規(guī)則（見參考文獻(xiàn)［6］），推理出最優(yōu)的ΔKp，ΔKi。經(jīng)過推理修正的PI參數(shù)，可以適應(yīng)不同時(shí)刻的轉(zhuǎn)速誤差e和誤差變化率ec，因而控制器的適應(yīng)性能與系統(tǒng)的穩(wěn)定性都有很大提升［6］。通過式（4）～（5）可以獲得整定的模糊自適應(yīng)PI控制器的PI參數(shù)。

2.3基于模糊自適應(yīng)PI速度控制器的矢量控制系統(tǒng)

在本文所設(shè)計(jì)的基于模糊自適應(yīng)PI速度控制器的SVPWM控制系統(tǒng)中，模糊自適應(yīng)PI控制器的轉(zhuǎn)速環(huán)為系統(tǒng)外環(huán)，常規(guī)PI控制器的轉(zhuǎn)矩、勵(lì)磁電流環(huán)為系統(tǒng)內(nèi)環(huán)［7］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由圖4可知，模糊自適應(yīng)PI控制器的輸入量為電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速nref與實(shí)際轉(zhuǎn)速nω的差值，經(jīng)ASR輸出，其為轉(zhuǎn)矩控制器ATR的輸入量；給定磁鏈經(jīng)計(jì)算模塊得到勵(lì)磁電流，其為磁鏈控制器APhiR的輸入量［8］；實(shí)測(cè)的定子電流i， i， i經(jīng)Clarke變換和Park

ABC

變換輸出d-q坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)矩電流isd和勵(lì)磁電流isq，經(jīng)轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算模塊算出θ，并送至坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)。分別與對(duì)應(yīng)的進(jìn)行差值運(yùn)算，經(jīng)轉(zhuǎn)矩控制器、磁鏈控制器輸出電壓指令；再將得到的電壓指令接入Park逆變換模塊，輸出靜止坐標(biāo)系 -下的；最后，經(jīng)SVPWM模塊得到可控制的電壓脈沖，控制三相逆變器的開關(guān)時(shí)間和三相交流電壓的幅值，從而控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3　建模與仿真分析

3.1系統(tǒng)建模

在MATLAB/Simulink中，建立模糊自適應(yīng)PI速度控制器的SVPWM控制系統(tǒng)的仿真模型。該系統(tǒng)中的各個(gè)仿真模塊具體設(shè)計(jì)如下。

1）模糊自適應(yīng)PI速度控制器的仿真模塊如圖5所示［6］。該模塊是將電機(jī)轉(zhuǎn)速的誤差e和誤差變化率ec通過建立的模糊規(guī)則，輸出修正量ΔKp， ΔKi，對(duì)Kp，Ki進(jìn)行在線整定，得到適應(yīng)瞬時(shí)時(shí)刻電機(jī)動(dòng)態(tài)特性的最佳參數(shù)。

2）轉(zhuǎn)矩ATR控制器與磁鏈APhiR控制器均是帶輸出限幅的常規(guī)PI控制器，具有相同的結(jié)構(gòu)，只是參數(shù)不同。轉(zhuǎn)矩ATR控制器仿真模塊，磁鏈APhiR控制器仿真模塊分別如圖6、圖7所示。

圖5　模糊自適應(yīng)PI速度控制器仿真模塊Fig. 5　Emulation modules for a fuzzy adaptive PI speed controller

圖6　轉(zhuǎn)矩ATR控制器仿真模塊Fig. 6　Emulation modules for the torque ATR controller

圖7　磁鏈APhiR控制器仿真模塊圖Fig.7　Emulation modules for the APhiR controller

3）異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差角頻率Δ ω可由式（2）得到。轉(zhuǎn)差角頻率Δ ω與檢測(cè)出的轉(zhuǎn)子角頻率ωr兩者之和為電機(jī)實(shí)際定子頻率。由相位角與定子頻率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系可得，轉(zhuǎn)子磁鏈的相位角θ等于定子頻率的積分值［8］，關(guān)系式如式（6）～（7）。

由式（1）、式（3）和式（7）建立的計(jì)算磁鏈Phir、勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩Te、轉(zhuǎn)子磁鏈的相位角的仿真模塊如圖8所示。

圖8　磁鏈觀測(cè)仿真模塊Fig. 8　Flux observer emulation modules

4）SVPWM模塊由電壓矢量扇區(qū)判定模塊、扇區(qū)基本電壓矢量工作時(shí)間計(jì)算模塊、PWM波開關(guān)切換時(shí)間模塊、SVPWM波形生成模塊構(gòu)成［1］，如圖9所示［9］。圖中X， Y， Z是計(jì)算電壓矢量工作時(shí)間引入的中間變量。

圖9　SVPWM仿真模塊Fig. 9　SVPWM emulation modules

5）矢量坐標(biāo)變換是一種非常重要的數(shù)學(xué)方法，它可以將交流電機(jī)的復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換、等效為簡(jiǎn)單模型，是交流電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)。根據(jù)坐標(biāo)變換的關(guān)系，Park變換、Clarke變換、Park逆變換的模塊結(jié)構(gòu)都是一樣的，只是它們的輸入輸出變量和Fcn函數(shù)表達(dá)式不同。Park變換的仿真模塊如圖10所示。

圖10　Park變換模塊Fig. 10　Park transformation modules

圖10中，F(xiàn)cn，F(xiàn)cn1函數(shù)分別為：

將搭建的各個(gè)仿真子模塊按相互作用關(guān)系連接起來，就構(gòu)成了采用模糊自適應(yīng)PI速度控制器的SVPWM控制系統(tǒng)［10］，如圖11所示。

3.2仿真結(jié)果及分析

對(duì)圖11所示的系統(tǒng)分別采用常規(guī)PI速度控制器和模糊自適應(yīng)PI速度控制器進(jìn)行仿真對(duì)比。設(shè)置電機(jī)空載啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，在t=0.8 s時(shí)，以階躍信號(hào)的形式突加TL=200 N·m的負(fù)載，仿真時(shí)間為1.5 s。電機(jī)參數(shù)為：額定容量為560 kW，額定電壓為2 750 V，額定頻率為138 Hz，Rs=0.106 5，Lsα= 1.31 mH，Rr=0.066 3， Lrσ=1.93 mH，Lm=53.6 mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1.5 kg·m2，極對(duì)數(shù)np=2，轉(zhuǎn)子磁鏈的給定值φ=0.45 Wb。機(jī)車DC 110 V蓄電池經(jīng)升壓模塊后，為三相逆變橋、直流母線提供DC 560 V電壓。

當(dāng)給定轉(zhuǎn)速n*=30 r/min時(shí)，兩種速度控制器的速度響應(yīng)對(duì)比如圖12所示。當(dāng)給定轉(zhuǎn)速n*=100 r/min時(shí)，兩種速度控制器的速度響應(yīng)對(duì)比如圖13所示。

圖11　系統(tǒng)仿真模型圖Fig. 11　A system emulation diagram

圖12　n*=30 r/min，常規(guī)PI與模糊自適應(yīng)PI仿真速度響應(yīng)對(duì)比圖Fig. 12　n*=30 r/min，A contrast diagram for the simulation speed responses between the conventional PI and fuzzy PI

圖13　n*=100 r/min，常規(guī)PI與模糊自適應(yīng)PI仿真速度響應(yīng)對(duì)比圖Fig. 13　n*=100 r/min，A contrast diagram for the simulation speed responses between the conventional PI and fuzzy PI

從電機(jī)轉(zhuǎn)速的啟動(dòng)超調(diào)值、到達(dá)給定轉(zhuǎn)速的時(shí)間、突加負(fù)載轉(zhuǎn)速值、最終轉(zhuǎn)速值以及定子電流所含諧波的成分5個(gè)方面，對(duì)采用常規(guī)PI速度控制器與模糊自適應(yīng)PI速度控制器的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果如表1所示。

表1　常規(guī)PI與模糊PI控制器對(duì)比Table 1　A comparison between the controllers of the conventional PI and the fuzzy PI

由表1可以看出，采用模糊自適應(yīng)PI速度控制器的調(diào)速系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小、定子電流中含有的高次諧波少以及系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力提升等優(yōu)點(diǎn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性與可行性。

4　結(jié)語

根據(jù)交流牽引電力機(jī)車庫(kù)內(nèi)低速移動(dòng)的工況，本文以電力機(jī)車車載DC 110 V蓄電池作為動(dòng)力源，設(shè)計(jì)基于模糊自適應(yīng)PI速度控制器的矢量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有直流電壓利用率高，轉(zhuǎn)速誤差及超調(diào)小，數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)容易，系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)的自適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種低成本高效率的控制系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：鄧彬）

On the Vector Control System for the Stall Parking of AC Traction Locomotives

ZHANG Shuai，YI Jiliang，CHENG Yan，LIU Xiaowen，YANG Xiaofang
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，Chin a）

Based on the operating mode of the stall parking of AC traction electric locomotives， a vector control system， with DC 110 V accumulator its power source， has been designed of a fuzzy self-adaptive PI speed controller. By controlling the rotational speed of the induction motor， a slow and steady movement of the AC traction locomotives has been realized in the process of stall parking. The final result of a modeling and simulation test for the control system based on MATLAB/Simulink shows that the vector control system based on the fuzzy self-adaptive PI has the following advantages: more efficient voltage utilization， less rotational speed errors and smaller overshoot， greater self-adaptive capacity for the system speed regulator， etc.

AC traction；vector control；fuzzy PI；induction motor

TM343

A

1673-9833（2016）03-0071-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.03.013

2016-03-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61503131），湖南省教育廳科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（14C0327）

張帥（1987-），男，安徽蚌埠人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電力電子技術(shù)，E-mail：325115875@qq.com

易吉良（1972-），男，湖南株洲人，湖南工業(yè)大學(xué)副教授，主要從事電能質(zhì)量分析，數(shù)字信號(hào)處理方面的教學(xué)與研究，E-mail：yi.jiliang@163.com