磁浮列車懸浮控制器主電路實(shí)時(shí)仿真

朱躍歐, 榮立軍, 張文躍, 廖看秋,蔣 毅

(1.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001；2.同濟(jì)大學(xué) 國家磁浮交通工程技術(shù)研究中心，上海 201804)

0 引 言

懸浮控制器是懸浮系統(tǒng)的核心部分，其主電路通常稱作斬波器主電路。斬波器主電路是電磁懸浮系統(tǒng)中懸浮控制器的功率控制部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其功能是給懸浮電磁鐵供電，使懸浮電磁鐵產(chǎn)生懸浮力。懸浮斬波器的性能好壞直接影響到整個(gè)懸浮系統(tǒng)的性能。因此，有必要對懸浮斬波器開展優(yōu)化和測試。

除了必要的理論分析計(jì)算外，現(xiàn)有文獻(xiàn)[1-3]對懸浮控制器主電路斬波器的研究主要采用OrCAD/PSpice、Simplorer、Simulink等仿真軟件搭建仿真模型或設(shè)計(jì)實(shí)際的斬波電路，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行測試驗(yàn)證。上述仿真工具具有優(yōu)異的電路仿真功能，但均屬于離線仿真軟件，無法仿真實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的執(zhí)行時(shí)間、中斷延時(shí)等狀態(tài)[4]；此外，在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建實(shí)際的斬波電路進(jìn)行測試，需花費(fèi)較高的試驗(yàn)成本和調(diào)試時(shí)間，不利于懸浮控制器主電路的優(yōu)化。

為解決上述問題，本文基于dSPACE軟硬件平臺，搭建懸浮控制器主電路實(shí)時(shí)仿真模型，并進(jìn)行仿真分析研究。開展試驗(yàn)測試，為替代真實(shí)的懸浮控制器主電路和懸浮控制策略的開發(fā)調(diào)試提供基礎(chǔ)。

1 懸浮控制系統(tǒng)簡介

圖1所示為懸浮控制系統(tǒng)的原理框圖，磁浮列車懸浮系統(tǒng)主要由懸浮控制器、懸浮傳感器和懸浮電磁鐵組成。懸浮控制器通過懸浮傳感器、電流傳感器、電壓傳感器等采集懸浮電磁鐵與軌道之間的間隙和加速度信號，以及流過懸浮電磁鐵的負(fù)載電流信號和主電路的電壓信號。懸浮控制電路依據(jù)上述傳感器信號，通過合適的控制策略進(jìn)行運(yùn)算，并輸出控制信號驅(qū)動(dòng)斬波器主電路開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，以此改變懸浮電磁鐵的負(fù)載電流，進(jìn)而改變懸浮電磁力，保證磁浮列車與軌道之間維持額定的懸浮間隙，實(shí)現(xiàn)列車的穩(wěn)定懸浮。

圖1 懸浮控制系統(tǒng)原理框圖

2 懸浮控制器主電路模型分析

根據(jù)懸浮電磁鐵線圈負(fù)載兩端電壓和負(fù)載電流的工作區(qū)域不同，可將斬波器主電路分為兩象限懸浮斬波器和四象限懸浮斬波器。兩象限懸浮斬波器向電磁鐵負(fù)載線圈提供方向固定的電流，常用于電磁吸力懸浮系統(tǒng)；四象限懸浮斬波器負(fù)載電流方向可變，主要用于永磁-電磁混合懸浮系統(tǒng)。

本文研究的懸浮控制器主電路為H型兩象限斬波器結(jié)構(gòu)，該電路為兩象限全橋電路。如圖2所示，由接觸器KM1、接觸器KM2、充電電阻Rc組成預(yù)充電回路，由功率開關(guān)器件IGBT(VT1、VT2、VT3、VT4)和二極管(VD2、VD3)組成斬波器的2個(gè)橋臂，C為支撐電容，Ud為電源輸入，u(t)為懸浮電磁鐵兩端電壓，uc(t)為電容兩端電壓，i(t)為懸浮電磁鐵電流。通常將懸浮電磁鐵采用電阻R0和電感L0等效，作為斬波器主電路的負(fù)載，串聯(lián)于2個(gè)橋臂之間，并采用VT1、VT4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷的控制方式實(shí)現(xiàn)懸浮電磁鐵電流的增加和減小。

圖2 懸浮控制器主電路原理圖

為便于分析，本文以主電路充電電容為分界線，將懸浮控制器主電路分為2個(gè)部分：充電回路部分和懸浮斬波器部分。

2.1 充電回路

充電回路的主要作用是為了避免上電過程的大電流沖擊，在接觸器KM2兩端再并聯(lián)一個(gè)電阻Rc及接觸器KM1。充電回路的暫態(tài)過程如下：當(dāng)懸浮控制器主電路上電時(shí)，先閉合預(yù)充電回路接觸器KM1，此時(shí)接觸器KM2為斷開狀態(tài)，充電電路部分可近似為一個(gè)RC電路，電源Ud給電容C充電，則有方程：

(1)

設(shè)初值t=0時(shí)，u(t)=0，解微分方程得：

(2)

當(dāng)電容電壓與電源電壓接近時(shí)，再閉合主回路接觸器KM2，斷開接觸器KM1，此時(shí)電容兩端電壓為電源電壓Ud。

2.2 斬波器電路

主回路接觸器KM2閉合后，懸浮斬波器電路開始工作，此時(shí)電源電壓Ud為懸浮斬波器電路的輸入，斬波器電路的示意圖如圖3所示。

圖3 斬波器電路示意圖

進(jìn)一步分析，當(dāng)VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，對應(yīng)的電路等效圖如圖4(a)所示，此時(shí)負(fù)載兩端承受正向電壓，電源給負(fù)載提供能量，線圈電流增加；當(dāng)VT1和VT4同時(shí)關(guān)斷時(shí)，VD2和VD3導(dǎo)通續(xù)流，對應(yīng)的電路等效圖如圖4(b)所示，此時(shí)負(fù)載兩端承受反向電壓，能量從負(fù)載回饋至電源，線圈電流減小[5-6]。

圖4 斬波器電路不同狀態(tài)下電路等效圖

根據(jù)圖4懸浮斬波器的電路等效圖，推導(dǎo)懸浮斬波器電路的穩(wěn)態(tài)分析如下[7-9]：

(1) 等效圖4(a)。電路中電壓u(t)=Ud>0，電感儲能，i(t)增大，則有方程：

(3)

設(shè)初值i(t)|t=t1=I1，解微分方程得：

(4)

(2) 等效圖4(b)。電路中電壓u(t)=-Ud<0，電感釋放能量，i(t)減小，則有方程：

(5)

設(shè)初值i(t)|t=t2=I2，解微分方程得：

(6)

3 實(shí)時(shí)仿真模型搭建

3.1 dSPACE仿真系統(tǒng)平臺

dSPACE仿真系統(tǒng)是由德國dSPACE公司開發(fā)的一套半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺，其處理器具有高速的計(jì)算能力，并配備了豐富的I/O支持，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行組合；軟件環(huán)境功能強(qiáng)大且使用方便，可實(shí)現(xiàn)代碼自動(dòng)生成和下載，并包括了試驗(yàn)和調(diào)試的整套工具[10-11]。

本文的懸浮控制器主電路實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)主要基于DS1006處理器板卡，包括A/D板卡、D/A板卡、FPGA板卡和PCI通信板卡等，板卡之間通過PHS總線進(jìn)行通信，板卡的詳細(xì)信息和參數(shù)如表1所示。

表1 dSPACE仿真機(jī)柜板卡信息

根據(jù)前述分析，將懸浮控制器主電路數(shù)學(xué)模型拆分為充電電路與斬波器電路，而二者又可分別用RC模型與RL模型等效替代，故在dSPACE系統(tǒng)的FPGA平臺中分別搭建RC模型與RL模型。

3.2 RC模型和RL模型搭建

圖5 RC電路和RL電路仿真模型

3.3 懸浮斬波器模型搭建

由懸浮斬波電路的模型分析可知，懸浮控制器的斬波電路可等效為圖4(a)與圖4(b)的反復(fù)切換。因此，可先根據(jù)微分方程式(4)搭建圖4(a)的仿真模型A，如圖6所示[12]。再以此為基礎(chǔ)，并根據(jù)微分方程式(6)搭建圖4(b)的仿真模型B，完成懸浮斬波器仿真模型的搭建。考慮到仿真模型B與仿真模型A結(jié)構(gòu)基本一致，因此在文中并未重復(fù)列出。

圖6 仿真模型A

從等效圖4中分析可知，PWM波的值決定了開關(guān)管VT1與VT4的狀態(tài)，也決定了懸浮斬波器模型運(yùn)行在仿真模型A或者模型B。當(dāng)PWM波為1時(shí)，懸浮斬波器仿真模型按照仿真模型A運(yùn)行；當(dāng)PWM波為0時(shí)，斬波器實(shí)際按照仿真模型B運(yùn)行。

每當(dāng)上升沿來臨時(shí)，即PWM波由0切換到1時(shí)，仿真模型A采用仿真模型B在當(dāng)前時(shí)刻的輸出作為初值開始運(yùn)行，由于dSPACE系統(tǒng)的FPGA平臺修改參數(shù)后編譯時(shí)間較長，而在處理器平臺編譯的時(shí)間較短，因此，一般采用在處理器平臺修改參數(shù)，再借助PHS_Read模塊將信號傳輸至FPGA平臺的方法進(jìn)行仿真分析。

當(dāng)下降沿來臨時(shí)，即PWM波由1變?yōu)?時(shí)，模型B采用模型A在當(dāng)前時(shí)刻的輸出作為初值開始運(yùn)行。

將模型A與模型B相連，最終輸出調(diào)用三輸入系統(tǒng)MUX模塊來實(shí)現(xiàn)信號選?。寒?dāng)PWM=1時(shí)，選取模型A的輸出作為最終輸出；當(dāng)PWM=0時(shí)，選取模型B的輸出作為最終輸出，二者的輸出共同構(gòu)成了懸浮斬波器模型的輸出，如圖7所示。

圖7 懸浮控制器斬波器仿真模型

為形成PWM 控制信號，保證電路輸出可控，在仿真模型中采用Bang-Bang控制算法構(gòu)成電流環(huán)，將輸出電流作為反饋值與給定電流相比較，構(gòu)成完整的閉環(huán)控制電路[13]。同時(shí)，將充電電路部分與懸浮斬波器部分結(jié)合，并設(shè)置當(dāng)充電電壓>0.95Ud時(shí)，開始向懸浮斬波器部分提供電壓，共同構(gòu)成了整個(gè)懸浮控制器主電路的實(shí)時(shí)仿真模型，如圖8所示。

圖8 懸浮控制器主電路仿真模型

上述模型運(yùn)行于dSPACE仿真系統(tǒng)硬件平臺中，為進(jìn)一步構(gòu)成懸浮控制器主電路硬件在回路實(shí)時(shí)仿真模型，將主電路模型運(yùn)行于dSPACE仿真機(jī)DS5203板卡中，在懸浮控制器電路板中運(yùn)行充電回路控制邏輯和電流環(huán)，并利用電路板的PWM模塊生成PWM控制波形?？紤]到模型的計(jì)算精度和控制電路板硬件的資源，模型中的電壓、電流等信號均采用標(biāo)幺化處理。處理器板卡DS1006負(fù)責(zé)模型下載和數(shù)據(jù)監(jiān)測，并通過PHS總線與板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，懸浮控制器主電路硬件在回路實(shí)時(shí)仿真模型如圖9所示。

圖9 主電路硬件在回路實(shí)時(shí)仿真模型

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖10所示為懸浮控制器主電路硬件在回路的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)架構(gòu)，dSPACE實(shí)時(shí)仿真機(jī)通過信號隔離調(diào)理箱與懸浮控制器控制單元連接，由ControlDesk軟件完成仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)的監(jiān)測顯示。

圖10 主電路硬件在回路實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)架構(gòu)

實(shí)際懸浮控制器中充電電阻Rc=100 Ω，支撐電容C=13 600 μF，電磁鐵負(fù)載的等效電阻R0=1 Ω，等效電感L0=400 mH，電源電壓Ud=330 V。根據(jù)上述參數(shù)搭建懸浮控制器主電路實(shí)時(shí)仿真模型。設(shè)置仿真步長為1 μs，編譯完成后，將生成的.ini文件導(dǎo)入處理器平臺，編譯后在Controldesk中進(jìn)行觀測。

在斬波電路仿真模型輸入60%占空比，頻率為5 kHz的PWM波進(jìn)行開環(huán)測試，如圖11(a)所示，經(jīng)過約1 s左右時(shí)間后，斬波電路的開環(huán)負(fù)載電流穩(wěn)定在55 A左右。在實(shí)際的懸浮控制器主電路中，電流傳感器量程為0～100 A，輸出0～20 mA電流信號。經(jīng)信號調(diào)理電路后，輸出范圍為0～10 V。因此，信號調(diào)理電路中每1 V電壓值代表10 A的實(shí)際電流值，如圖11(b)所示。從圖11(a)和圖11(b)分析對比可以看出，兩者電流值基本吻合。

圖11 斬波電路開環(huán)負(fù)載電流

同時(shí)，為驗(yàn)證整個(gè)斬波電路電流的跟隨性，將電流環(huán)與斬波電路相結(jié)合，由電流環(huán)的反饋電流與給定電流生成PWM波，構(gòu)成完整的PWM閉環(huán)控制電路，電流環(huán)采用Bang-Bang控制算法。設(shè)定給定電流為方波，頻率5 Hz，電流范圍為0～30 A，如圖12(a)所示，斬波電路輸出的負(fù)載電流Is可有效跟隨給定電流I。負(fù)載電流Is仿真值和實(shí)測值基本吻合，如圖12所示。

圖12 給定方波電流時(shí)的電流仿真與測試波形

設(shè)定給定電流為正弦波，頻率5 Hz，電流范圍為0～30 A，如圖13(a)所示，斬波電路輸出的負(fù)載電流Is可有效跟隨給定電流I。負(fù)載電壓Is仿真值和實(shí)測值基本吻合,如圖13所示。

圖13 給定正弦波電流時(shí)的電流仿真與測試波形

5 結(jié) 語

本文對懸浮控制器主電路進(jìn)行了分析研究，通過將懸浮控制器主電路拆分為充電回路和斬波器回路，等效為RC、RL模型后對微分方程進(jìn)行求解，建立了數(shù)學(xué)模型。利用dSPACE實(shí)時(shí)仿真軟硬件平臺建立了懸浮控制器主電路仿真模型，對充電回路和斬波器電路以及電流跟隨情況進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并與懸浮控制器控制電路構(gòu)成了硬件在回路的對比分析測試。仿真和測試結(jié)果表明，本文建立的懸浮控制器主電路仿真模型與試驗(yàn)測試值基本吻合，電流跟隨狀態(tài)良好，為替代真實(shí)的懸浮控制器主電路提供了依據(jù)，能夠大幅減少懸浮控制器調(diào)試開發(fā)時(shí)間和成本。