永磁同步传动系统及永磁同步牵引传动系统控制系统的制作方法

本发明涉及牵引传动控制领域，尤其涉及一种适用于永磁同步牵引传动系统的控制系统。

背景技术：

牵引传动系统是列车的动力系统，由变流器和电机两大部分组成，电机完成电能到机械能的转变，带动列车行驶。

永磁同步牵引传动系统采用的为永磁同步电机，永磁同步电机较异步电机相比，具有功率因数高、发热小、噪声小、可靠性高等特点。城轨永磁同步电机在轨道交通牵引传动系统中的应用尚处于起步阶段。永磁牵引传动系统的控制中存在大量技术问题需要进一步研究。在牵引电机与牵引变流器控制方面，虽与异步牵引传动系统控制有相通之处，但也存在许多永磁电机特有的实际问题。

目前现有的城轨永磁同步电机控制系统，其多采用异步SVPWM运行，其在高转速情况下，为满足输出电流谐波要求，其IGBT开关频率大大增加，输出损耗提高，同时为满足散热要求造成硬件成本增加。

由于永磁牵引电机是永磁体励磁，弱磁范围较窄，弱磁难度较大。较好的弱磁控制技术可在逆变器容量不变的情况下大幅提高系统性能。目前众多弱磁方案，其算法复杂，同时弱磁效率低，效果差。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中，永磁同步电机控制存在的算法复杂、控制精度低等问题，提出一种新型的永磁同步牵引传动系统的控制系统，采用该系统，在满足输出电流要求的前提下，可降低变流器的开关损耗，提高弱磁的控制精度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种永磁同步牵引传动系统控制系统，包括：

一种永磁同步牵引传动系统控制系统，用于永磁同步牵引传动系统的控制，其特征在于，所述控制系统包括采样单元和控制器；

采样单元与永磁同步电机连接，包括用于采集永磁同步电机运行励磁电流和运行转矩电流的电流传感器、用于采集永磁同步电机支撑电容电压的电压传感器、用于采集永磁同步电机转子初始位置及转子频率的旋转变压器；

电流传感器、电压传感器及旋转变压器均与控制器连接。

永磁同步牵引传动系统，采用上述的永磁同步牵引传动系统控制系统，包括永磁同步电机、牵引变流器，所述牵引变流器包括IGBT变流模块，所述 IGBT变流模块的三相输出端经三相可控接触器与永磁同步电机连接；所述采样单元与永磁同步电机连接。

优选的是：牵引变流器进一步包括滤波电抗单元，滤波电抗单元的输入端接直流输入，滤波电抗单元的输出端接IGBT变流模块。

优选的是：所述滤波电抗单元包括滤波电抗箱，所述滤波电抗箱串联连接有第一开关，所述第一开关的两端并联连接有充电电阻，且充电电阻的并联支路上设置有第二开关。

优选的是：牵引变流器进一步包括斩波单元，所述斩波单元连接在滤波电抗单元与IGBT变流模块之间。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明提供的永磁同步牵引传动系统的控制系统，该控制系统通过对牵引传动系统永磁同步电机的运行数据进行采样，控制器内置永磁同步电机的控制算法，进而生成对电机的调制PWM波。通过对永磁同步电机输出特性及反电动势的进一步研究，采用新型SVPWM脉冲控制方法，来进一步降低开关频率，提高系统效率，并实现在较低开关频率系统中的稳定运行。本发明在控制器中提出了一种新型的弱磁控制算法，通过拟合输出电压，并与输入电压进行比较，使系统在弱磁区域稳定运行同时提高弱磁效率。

(2)本发明改进了永磁同步牵引传动系统的结构，以保证其工作的可靠性和稳定性。

(3)本发明提出了电流精确计算方法，通过精确电流单元及弱磁单元配合，可以实现精确弱磁，并在逆变器容量不变的情况系下，提高系统性能。

附图说明

图1为永磁同步牵引传动系统结构示意图；

图2a为本发明牵引传动该控制系统结构示意图；

图2b为本发明牵引传动该控制系统结构示意图；

图3为本发明弱磁控制原理图；

图4为本发明解耦补偿控制原理图；

图5为异步SVPWM调制原理图

图6为本发明11分配同步SVPWM开关角分布图。

具体实施方式

以下，结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本发明提供了一种永磁同步牵引传动系统的控制系统，可以用于采用永磁同步电机作为动力的列车牵引系统。永磁同步牵引传动系统的主拓扑结构如图1所示，包括牵引变流器及永磁同步电机(PMSM)，牵引变流器内部电路包括IGBT变流模块、斩波模块和预充电模块，牵引变流器的输出端经三相可控接触器与永磁同步电机连接，

控制系统包括采样单元和控制器。其结构参考图2a和图2b。

采样单元与永磁同步电机连接，包括用于采集永磁同步电机运行励磁电流iq_fed和运行转矩电流id_fed的电流传感器、用于采集永磁同步电机支撑电容电压Fc的第一电压传感器、用于采集永磁同步电机转子初始位置Theta及转子频率Fs的旋转变压器；采样单元还包括采集永磁同步电机输出电压的第二电压传感器；采样单元采集的以上数据将被传递至控制器。电流传感器、电压传感器及旋转变压器均与控制器连接。

永磁同步牵引传动系统包括永磁同步电机、牵引变流器，所述牵引变流器包括IGBT变流模块，IGBT变流模块采用的为三组并联连接的IGBT单元，每组IGBT单元包括两个串联连接的IGBT功率开关。IGBT变流模块的三相输出端经三相可控接触器与永磁同步电机连接。

牵引变流器进一步包括滤波电抗单元，滤波电抗单元的输入端接直流输入，滤波电抗单元的输出端接IGBT变流模块。滤波电抗单元的直流输入端接入DC1500V直流电，作用是对接入的直流电进行滤波，滤除和防止干扰，保证输入电能的稳定。

滤波电抗单元的具体结构如下：包括滤波电抗箱，滤波电抗箱串联连接有第一开关KM1，所述第一开关的两端并联连接有充电电阻，且充电电阻的并联支路上设置有第二开关KM2。通过配置两条开关支路，进一步保证牵引变流器工作的可靠性。

牵引变流器进一步包括斩波单元，所述斩波单元连接在滤波电抗单元与 IGBT变流模块之间。

以上为整个永磁同步牵引传动系统的硬件结构。

控制器是实现牵引传统系统控制的核心，包括：

指令获取单元：用于获取对牵引传动系统下达的目标转矩指令；目标转矩指令是对整个牵引传动系统的运行指令，控制系统的控制目标是使牵引传动系统可按目标转矩指令稳定运行；

MTPA计算单元：用于根据目标转矩指令，计算目标励磁电流值和目标转矩电流值；MTPA计算单元将牵引指令转化为控制单元可以使用的id和iq电流信号，控制系统将根据目标电流和采样单元采集的反馈电流执行控制；

调节单元：包括励磁调节单元和转矩调节单元，励磁调节单元用于根据目标励磁电流值和运行励磁电流值生成励磁电流调节值；转矩调节单元用于根据目标转矩电流值和运行转矩电流值生成转矩电流调节值；

解耦控制单元：用于根据调节单元输出的励磁电流调节值和转矩电流调节值生成目标调制比与调制频率。

分段同步调制单元：根据解耦控制单元生成的目标调制比和调制频率，输出对永磁同步电机的PWM调制波控制信号。

基于以上结构，控制系统可完成对永磁同步电机根据转矩指令的个跟踪控制。

作为控制系统结构的进一步优化，控制器进一步包括电流精确计算单元：用于将MTPA单元计算生成的目标励磁电流值和目标转矩电流值换算为精确值励磁电流值和精确转矩电流值；通过电流精确计算对电流进行校准，进而可进一步提高控制的精度。励磁调节单元根据精确值励磁电流值调节生成励磁电流调节值；转矩调节单元根据精确转矩电流值调节生成转矩电流调节值。

作为控制系统的进一步优化，控制器进一步包括弱磁补偿单元：用于生成目标励磁电流值和目标转矩电流值的补偿信号以对二者进行补偿。弱磁补偿单元接收解耦控制单元输出的信号以及支撑电容电压信号，生成电流补偿值，传递至MTPA计算单元的输出端，电流精确计算单元将根据MTPA计算单元的输出值和弱磁补偿单元反馈的补偿值的结合，用于电流精确计算。

作为控制系统的进一步优化，控制器进一步包括电压前馈单元：获取电流精确计算单元的输出数据，并生成目标转矩补偿数据。该补偿数据将反馈至解耦控制单元，用于调制比的计算。

本发明还提供了一种永磁同步牵引传动系统控制方法，包括以下步骤：

(1)控制目标量的转化。

将牵引传动系统的目标转矩指令转化为目标励磁电流值和目标转矩电流值。

牵引传动系统获得的指令为目标转矩指令，该指令经MTPA单元换算称为永磁同步电机的目标励磁电流值和目标转矩电流值，具体的换算方法为：

根据：

将以上两式联立，求解目标励磁电流值和目标转矩电流值；

其中Te为目标转矩，Lq为q轴等效电感，Ld为d轴等效电感，iq为目标励磁电流值，id为目标转矩电流值，is为目标相电流，ψf为电机磁链，Pn为电机极对数，φ为电机电压电流角度差。

(2)电流精确计算。

更进一步的，根据目标调制比折算支撑电容电压，与采样获得的支撑电容电压进行比较后，调节生成转矩电流补偿量iq_crr和励磁电流补偿量id_crr，分别与目标励磁电流值和目标转矩电流值相加合成后，用于电流精确计算。

弱磁控制的原理如图3所示。弱磁控制单元使用精确电压补偿量，以调制比作为最终控制目标，生成id,iq的补偿量对应的补偿量。

其中Mt为弱磁控制目标调制比(可以理解为本系统期望的输出到调制单元的调制比这个单元目的是为了让解耦控制单元最终的输出M＝Mt.)，其取值范围为0-1，经验取值范围为0.88-0.91.其中反馈量Fc1计算公式为：

其中Uq，Ud为电压前馈单元的输出结果，PID.Idout为d轴PID调节输出结果，即转矩调制单元输出的结果。采用设定的目标调制比Mt进行Fc1的计算。

电流精确计算的方法为：

对目标励磁电流值和目标转矩电流值进行精确计算，以获得电机励磁电流精确值idtarget和转矩电流精确值iqtarget：

idtarget＝id+id_ccr (4)

需要说明的是，电流精确计算和/或弱磁补偿计算为可省略的步骤，若不考虑目标调制精度，可以直接将,MTPA单元的输出计算结果用于步骤(3) 的计算。

(3)将目标励磁电流值和目标转矩电流值的调节计算。

将获得的电机励磁电流精确值idtarget和转矩电流精确值iqtarget用于调节计算。本实施例中，采用的为PID调节方法。

励磁调节单元根据目标励磁电流值和运行励磁电流值生成励磁电流调节值；转矩调节单元根据目标转矩电流值和运行转矩电流值生成转矩电流调节值；励磁电流调节值和转矩电流调节值将用于解耦控制，生成目标调制比和调制频率。

(3)生成目标调制比和调制频率。

参考图4，将目标励磁电流值和目标转矩电流值进行解耦，根据目标励磁电流值生成目标调制比，根据目标转矩电流值生成转子调制频率。

为了进一步提高调制比的计算精度，首先采用电机励磁电流精确值idtarget和转矩电流精确值iqtarget计算电压补偿值，用于目标调制比的补偿计算：

其中Rs为转子电阻，ωr表示角速度,Ud为d轴控制电压分量，Uq为q轴控制电压分量。

生成目标调制比M的方法为：

其中，Fc为支撑电容电压，PID.Idout为励磁电流调节输出值；

生成转子调制频率Fs_out的方法为：

Fs_out＝(1+PID.Iqout)*Fs (8)

其中，PID.Iqout为转矩电流调节输出值，Fs为转子频率。

解耦控制单元最终完成调制比M与转子调制频率Fs_out的合成。

(4)分段同步调制。

分段同步调制单元根据目标调制比和转子调制频率生成PWM调制波，用于永磁同步牵引电机的控制。

异步SVPWM调制程序接收M、Fs_out信息，通过判断电压矢量所在扇区来产生三相(u,v,w)脉冲。

参考图5，本实施例采用的目标调制比为0.906，同步11分频SVPWM调制(Basic Boundary Clamping Strategy策略)分段调制模块的调制切换为当调制度大于0.906进入过调制区后，11脉冲中的4个脉冲对称消失，变为 7脉冲；调制度进一步增大，对称消失两个脉冲变为5脉冲；当调制度大于1 则变为方波单脉冲。

如上图所示，其中30Hz-40Hz为11分频同步调制I，每个调制周期进入 30次中断；40Hz以上一直到方波为11分频同步调制II，每个调制周期进入 15次中断；进入过调制区后，脉冲数随调制度增大而对称减小，当调制度大于1则变为方波单脉冲。

如图6所示，采用30中断时11分频同步SVPWM的A相脉冲，我们可以根据每个扇区对应的比较值推导出在1/4周期内的五个开关角α1、α2、α3、α4、α5。

根据同步SVPWM的特性(1/2周期对称，1/4周期反对称)可以推导出整个周期内脉冲宽度。其中角度计算公式如下：

采用本发明所述的方法用于永磁牵引传动系统的控制，可以降低系统开关频率，提高系统效率，提高系统动态响应速度和稳定性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。