顧春杰，韋 巍，何 衍

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)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(wù)品質(zhì)，在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)高速鐵路網(wǎng)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(guān)硬件設(shè)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(guān)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(jié)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(yīng)。

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(wǎng)絡(luò)（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(yīng)的牽引傳動系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)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(wǎng)經(jīng)受電弓、真空斷路器，經(jīng)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(cè)為兩個并聯(lián)的四象限脈沖整流器（4QC），輸出電壓經(jīng)過中間直流環(huán)節(jié)得到平滑的直流電壓。直流電壓經(jīng)PWM逆變器轉(zhuǎn)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(qū)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(jié)構(gòu)

1.1 四象限脈沖整流器

目前整流器電流控制技術(shù)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(cè)電壓穩(wěn)定快、動態(tài)響應(yīng)好、對系統(tǒng)參數(shù)變化能做出快速調(diào)整，該技術(shù)是高速動車組脈沖整流器普遍采用的控制技術(shù)［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(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出增大或減小的IN*，以達(dá)到反饋控制U d的目的。同時實時檢測電網(wǎng)電壓和電流值，經(jīng)運算電路后輸出參考電壓信號U s與三角載波進行SPWM調(diào)制，生成控制信號驅(qū)動開關(guān)器件。

1.2 牽引傳動系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)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(shù)，而繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（DTC）［6］，它是在定子坐標(biāo)系下觀測電機定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，將磁鏈、轉(zhuǎn)矩觀測值與參考值經(jīng)滯環(huán)比較器比較后得到磁鏈、轉(zhuǎn)矩的控制信號，再由開關(guān)表選擇合適的電壓矢量控制定子磁鏈的走向，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。定子磁鏈的計算只與定子電阻有關(guān)，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(zhuǎn)矩控制方式驅(qū)動牽引電機［7-8］。

牽引電機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)將電機給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速相比較，經(jīng)速度PI調(diào)節(jié)器輸出給定的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩估計模型分別計算電機的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩大小、計算電機轉(zhuǎn)子的位置。然后分別計算電機給定磁鏈和轉(zhuǎn)矩與實際值的誤差，經(jīng)滯環(huán)控制器后根據(jù)它們的狀態(tài)選擇逆變器的開關(guān)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(zhuǎn)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(zhǔn)恒轉(zhuǎn)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(xué)關(guān)系為：

制動工況時，制動力和速度的數(shù)學(xué)關(guān)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(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算公式

牽引電機轉(zhuǎn)矩指令可以根據(jù)當(dāng)前列車速度和牽引特性曲線計算得到：

牽引電機轉(zhuǎn)速與動車組運行速度換算關(guān)系為：

高速動車組基本阻力公式為［11］：

由轉(zhuǎn)矩計算公式可得每臺牽引電機的負(fù)載轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)量，t；T L—1臺牽引電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m。

2.3 牽引控制策略

列車牽引控制策略的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 列車牽引控制策略的結(jié)構(gòu)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(biāo)速度與列車實際速度之間的關(guān)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(biāo)速度，由牽引特性曲線得到相應(yīng)的牽引力，牽引力經(jīng)列車牽引控制單元計算相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，從而作為牽引電機直接轉(zhuǎn)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(dāng)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(dāng)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(shè)計和測試應(yīng)用的平臺，它主要應(yīng)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(fù)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(biāo)機的節(jié)點上，從而構(gòu)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(diào)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(biāo)機（Target）完成的是對模型的實時計算。目標(biāo)機是Opal-RT 公司為硬件在環(huán)仿真應(yīng)用設(shè)計的實時仿真器，其內(nèi)部配置了多核處理器，可以進行復(fù)雜系統(tǒng)的模型計算。主機和目標(biāo)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(jīng)列車通信網(wǎng)絡(luò)（MVB）傳來的控制信號，通過tpmc551dac模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)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(jīng)MVB通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，牽引傳動系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 牽引傳動系統(tǒng)硬件在環(huán)結(jié)構(gòu)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(wǎng)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(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及負(fù)載轉(zhuǎn)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(shè)置相關(guān)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(dāng)列車實際速度到達(dá)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(dāng)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(yīng)的硬件的輸出電壓范圍是-16 V～+16 V，本研究在實測輸出結(jié)果的時候?qū)⒎抡婺Ｐ椭械南嚓P(guān)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(zhuǎn)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(yīng)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(dāng)速度達(dá)到一開始給定的目標(biāo)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(dá)到180 km/h，列車再次進入恒速運行模式。

對仿真結(jié)果及實測波形進行分析，圖6 中牽引電機輸出轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)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(jié)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(zhuǎn)矩控制對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩具有較好的控制效果。

4 結(jié)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(wǎng)絡(luò)（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(zhuǎn)矩控制技術(shù)，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(jié)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(wǎng)絡(luò)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(chǔ)。

（References）：

［1］張曙光.京滬高速鐵路系統(tǒng)優(yōu)化研究［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［2］姜東杰.CRH3 型動車組牽引傳動系統(tǒng)［J］.鐵道機車車輛，2008，28（B12）：95-99.

［3］宋雷鳴.動車組傳動與控制［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［4］鄒 仁.四象限變流器瞬態(tài)電流控制的仿真研究［J］.機車電傳動，2003（6）：17-20.

［5］馮曉云.交流傳動及其控制系統(tǒng)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［6］劉益標(biāo)，陳 鈞.基于DSP的電梯同步電機的DTC控制系統(tǒng)［J］.機電工程技術(shù)，2011，40（11）：28-31.

［7］馮 東.高速列車同步牽引系統(tǒng)仿真研究［D］.杭州：浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，2012.

［8］李 夙.異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994.

［9］余丹萍，周 盛，江全元.CRH3型動車組牽引傳動系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制研究［J］.機電工程，2010.27（10）：62-67.

［10］李官軍，馮曉云，王利軍，等.高速動車組恒速控制策略的研究與仿真［J］.機車電傳動，2007（5）：12-14.

［11］路小娟.動車組控制技術(shù)［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

［12］常曉飛，符文星，閆 杰.RT-LAB在半實物仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.測控技術(shù)，2008，27（10）：75-78.

［13］朱幗蓉，陳慧民.CRH3 高速動車組牽引特性分析［J］.上海鐵道科技，2010（4）：97-99.

［14］上海科梁科技發(fā)展公司.實時分布式仿真與測試［Z］.上?？屏嚎萍及l(fā)展有限公司，2004.

［15］OPAL-RT Inc..RT-LAB Version 10.4 User Guide［Z］.OPAL-RT Inc.，2007.