基于滯環(huán)算法發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

尚林岳

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西 西安 710018）

引言

某型號(hào)交流電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車的交流電傳動(dòng)系統(tǒng)主要由主輔發(fā)電機(jī)組、相控整流器、牽引逆變器、輔助逆變器、直流斬波器、牽引電機(jī)和冷卻設(shè)備等組成。

交流傳動(dòng)系統(tǒng)控制由司控器發(fā)出正確啟機(jī)指令，通過(guò)整車控制器將啟機(jī)指令進(jìn)行邏輯判斷控制柴油機(jī)啟動(dòng)。通過(guò)相控整流將輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓整流得到直流斬波器輸入電壓（74VDC），再使用勵(lì)磁控制算法控制直流斬波器，進(jìn)行直流斬波，得到主發(fā)勵(lì)磁電壓，從而控制直流母線電壓，滿足牽引控制對(duì)直流母線的要求[1-3]。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 電路原理

根據(jù)系統(tǒng)需求，勵(lì)磁控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

輸入電壓有交流電力機(jī)車車載蓄電池提供，電壓幅值為74 VDC，該電壓為直流勵(lì)磁斬波器的輸入電壓；使用勵(lì)磁控制裝置輸出固定脈寬、頻率不同的PWM控制脈沖，頻率為FSP，用于控制直流勵(lì)磁占波器輸出主發(fā)勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁電流傳感器TA采集勵(lì)磁電流IEXC；使用滯環(huán)算法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制勵(lì)磁電壓，從而控制發(fā)電機(jī)輸出電壓，直流母線電壓傳感器TV采集直流母線電壓UDC。

針對(duì)控制需求與直流勵(lì)磁斬波器工作條件，對(duì)勵(lì)磁占波器接收的PWM控制脈沖提出以下需求：一是直流勵(lì)磁斬波器工作輸入為50%占空比固定脈寬，幅值為5V PWM脈沖；二是直流勵(lì)磁斬波器啟動(dòng)邊界條件FChopper為輸入斬波器控制脈沖的頻率，斬波器的工作的頻率變化范圍為500 Hz至1 000 Hz，小于500 Hz或者大于1 000 Hz直流斬波器斬波器停止工作。

1.2 控制邏輯

主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制需要滿足：一是內(nèi)燃機(jī)車牽引系統(tǒng)的直流母線電壓需求，例如，啟動(dòng)過(guò)程中母線電壓提升、運(yùn)行過(guò)程中功率提升是對(duì)母線電壓的保持、在制動(dòng)過(guò)程中，對(duì)電制動(dòng)功能對(duì)母線電壓的要求等；二是內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)輸出功率曲線。三是在出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)，如勵(lì)磁電流過(guò)流、母線電壓超過(guò)上限閾值等情況，根據(jù)控制系統(tǒng)保護(hù)邏輯，實(shí)現(xiàn)停機(jī)保護(hù)動(dòng)作，確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全。根據(jù)以上三點(diǎn)需求，制定了各個(gè)擋位下的直流母線電壓給定值UDC，REF。勵(lì)磁控制程序控制主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓，使其輸出直流母線電壓UDC等于給定的輸出電壓給定值UDC，REF，如圖2和下頁(yè)圖3所示。

1.3 保護(hù)功能

根據(jù)系統(tǒng)要求，勵(lì)磁控制程序采集主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流、直流母線電壓。為了保護(hù)牽引控制系統(tǒng)的安全性，設(shè)置主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流保護(hù)閾值、直流母線電壓保護(hù)閾值。當(dāng)主發(fā)勵(lì)磁勵(lì)磁電流超過(guò)保護(hù)閾值時(shí)，勵(lì)磁控制程序進(jìn)行封鎖方波信號(hào)動(dòng)作；直流母線電壓超過(guò)保護(hù)閾值時(shí)，勵(lì)磁控制程序進(jìn)行封鎖方波信號(hào)動(dòng)作。通過(guò)封鎖方波信號(hào)，使斬波器輸出電壓Uexc為0 V，從而使直流母線電壓UDC為0 V。

1.4 勵(lì)磁控制實(shí)現(xiàn)流程及算法

勵(lì)磁控制控制流程圖如4所示。

通過(guò)電壓傳感器，電壓傳感器量程為±3 000 V，將直流母線電壓的瞬時(shí)值以±75 mA的電流信號(hào)輸入整車控制單元調(diào)理電路，采樣電阻為13.3Ω，放大增益為6.8 Db，采用2階低通濾波，提高線號(hào)穩(wěn)定性，將輸入電流信號(hào)調(diào)理至3.3 V輸入ADC芯片，經(jīng)過(guò)AD芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣得到直流母線電壓的ADCODE數(shù)字量值，采樣ADC芯片采用12位采樣精度，得到直流母線電壓瞬時(shí)值UDC，根據(jù)系統(tǒng)需求，并對(duì)UDC數(shù)值通過(guò)軟件程序，進(jìn)行低通濾波處理，提高UDC的準(zhǔn)確性。

U

DC，TEMP

T

1

T

2

其中FChopper為斬波器啟動(dòng)的邊界條件，STEP1、STEP2為滯環(huán)調(diào)整系數(shù)。

計(jì)算出SP后，在控制程序內(nèi)，根據(jù)控制硬件的晶振頻率與分頻系數(shù)，計(jì)算出輸出方波的頻率F：

式中：n為分頻系數(shù)；H為硬件頻率，Hz。

根據(jù)計(jì)算出的方波頻率F，輸出占空比為50%，幅值為5V的方波控制直流斬波器，從而控制了主發(fā)的勵(lì)磁電壓與輸出電壓，如圖5所示。

1.5 仿真與測(cè)試

根據(jù)勵(lì)磁控制算法進(jìn)行仿真模型的搭建與測(cè)試[4-6]，如下頁(yè)圖6所示。

仿真模型首先使用一個(gè)坡度函數(shù)，對(duì)輸入的給定的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使系統(tǒng)輸入變量進(jìn)行緩慢變化，根據(jù)勵(lì)磁控制器系統(tǒng)需求，電壓調(diào)整上升時(shí)的變化小于下降時(shí)的變化。

使用輸出電壓作為反饋量，與給定電壓值進(jìn)行相減，得到中間電壓變化量。在計(jì)算過(guò)程對(duì)計(jì)算結(jié)果，增加限幅模塊，對(duì)輸出的參數(shù)進(jìn)行閾值限制，保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定。

對(duì)完成計(jì)算的電壓差值進(jìn)行置換比較計(jì)算，并計(jì)算結(jié)果輸出，輸出為控制斬波器的脈沖頻率。再通過(guò)線性函數(shù)，將斬波器頻率換算成母線電壓，從而形成閉環(huán)控制。

使用Matlab搭建仿真模型，輸出結(jié)果對(duì)比如下頁(yè)圖7所示。

虛線部分系統(tǒng)需求的目標(biāo)母線電壓UDC，REF，紅色實(shí)線部分為輸出的電壓UDC，仿真結(jié)果表明，通過(guò)滯環(huán)控制使輸出的母線電壓可以緊密跟隨需求的目標(biāo)電壓，算法可行且有效[7-8]。

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)物測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8所示，縱坐標(biāo)為電壓幅值，單位為幅；橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，單位為Tick。在不同檔位下，通過(guò)勵(lì)磁控制算法，控制的發(fā)電機(jī)輸出電壓UDC可以穩(wěn)定的跟隨UDC，REF，與仿真波形重合，驗(yàn)證了仿真模型的可行性，并且實(shí)物系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足控制需求。

2 結(jié)論

基于滯環(huán)的主發(fā)電機(jī)控制算法可以有效地控制主發(fā)電機(jī)電壓輸出，滿足系統(tǒng)在不同檔位為母線電壓的需求，響應(yīng)速度和穩(wěn)定度較好，保證了母線電壓的平溫度，從而保證了牽引控制的精度，提高了內(nèi)燃機(jī)車牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性。