徐子峻，鄔平波，崔利通

（西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

0 引言

直接轉(zhuǎn)矩控制法是上個世紀中期在矢量控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型控制方法［1－2］。把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量進行控制，省掉了復(fù)雜的矢量變換運算，其控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，是一種具有較高動態(tài)響應(yīng)的交流調(diào)速技術(shù)［3］。在直接轉(zhuǎn)矩控制中有兩種磁鏈控制方式，即六邊形磁鏈和圓形磁鏈。六邊形磁鏈控制結(jié)構(gòu)簡單，逆變器開關(guān)頻率小，但是電流、磁鏈脈動較大。圓形磁鏈控制磁鏈脈動量較小，但是開關(guān)頻率相對較大。本文根據(jù)高速列車牽引電機的工作特點，結(jié)合了這兩種控制方式的優(yōu)點，同時考慮了低速時定子電阻壓降的影響，建立了適用于高速列車牽引傳動系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制模型。

1 圓形磁鏈控制

對于定子磁鏈位置的判斷，傳統(tǒng)的方法是將磁鏈分成6個扇區(qū)。這種傳統(tǒng)方法是建立在忽略定子電阻壓降影響的基礎(chǔ)上的，認為轉(zhuǎn)矩的變化由轉(zhuǎn)矩角度來決定，并不受定子磁鏈幅值影響。但是如果考慮電阻壓降的影響，空間電壓矢量選擇表在某些情況下是不準確的，因此為了改善傳統(tǒng)六扇區(qū)控制的不利影響，本文采用十二扇區(qū)細分的方法［4］。這種方法是在傳統(tǒng)磁鏈六扇區(qū)的基礎(chǔ)上將磁鏈再度細分，分為十二個扇區(qū)，如圖1所示。

當θ在－15°～15°區(qū)間內(nèi)，當前定子磁鏈處于第一扇區(qū)θ（1），若此時需要同時增加轉(zhuǎn)矩和磁鏈時，矢量選擇單元選擇電壓矢量U2（110）；當定子磁鏈處于第二扇區(qū)θ（2）時，若此時需要增加轉(zhuǎn)矩并減小磁鏈時，矢量選擇單元選擇電壓矢量U1（100）；當定子磁鏈處于第三扇區(qū)θ（3）時，若此時需要減小轉(zhuǎn)矩并增加磁鏈時，矢量選擇單元選擇電壓矢量U4（100），以此類推［5］。

圖1 磁鏈十二分區(qū)

2 六邊形磁鏈軌跡控制

六邊形磁鏈控制系統(tǒng)在1/6周期中只采用一種開關(guān)狀態(tài)，不需要實時計算磁鏈矢量的相角和幅值，只需要將定子靜止坐標系（αβ）下的磁鏈分量Ψsα和Ψsβ投影到三相坐標系（β）的βa，βb，βc軸上，得到三相定子磁鏈分量Ψβa，Ψβb，Ψβc，再通過滯環(huán)比較器得到3個磁鏈開關(guān)信號SΨa，SΨb，SΨc，由磁鏈開關(guān)信號可以很方便地得到逆變器開關(guān)信號Sa，Sb，Sc。另一方面，根據(jù)測得的定子電壓us和定子電流is，通過電磁轉(zhuǎn)矩計算得到實際電磁轉(zhuǎn)矩Te，將Te與給定電磁轉(zhuǎn)矩T＊e比較之后經(jīng)過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器得到轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號TQ，由TQ控制逆變器開關(guān)信號的輸入，進而控制異步牽引電機。

3 恒轉(zhuǎn)矩區(qū)段全速度控制策略

綜合圓形磁鏈控制和六邊形磁鏈控制的優(yōu)點，在低速范圍內(nèi)，即15%基速以下，采用圓形磁鏈控制；在高速范圍內(nèi)，即15%基速以上，采用六邊形磁鏈控制。磁鏈控制方式以15%基速為切換點，切換通過編寫的S函數(shù)來實現(xiàn)。根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制理論，建立MATLAB/Simulink仿真模型。

4 全速度控制系統(tǒng)仿真與分析

本文參考的某動車組編組方式為四動四拖。通過MATLAB/Simulink仿真，得到的結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2 電機轉(zhuǎn)速n

圖3 定子磁鏈軌跡

圖4 定子磁鏈Ψs

結(jié)合圖2、圖3和圖4可以看出：在全速范圍內(nèi)，定子磁鏈軌跡呈圓形和六邊形混合圖形；在低速范圍內(nèi)，磁鏈軌跡為圓形；在高速范圍內(nèi)，磁鏈軌跡為六邊形；當牽引電機處于圓形磁鏈控制時，定子磁鏈的波動明顯小于六邊形控制。

在列車起動初始，起動阻力要大于列車運行阻力。從圖5中可以看出列車起動時電機負載轉(zhuǎn)矩約為290 Nm，并隨列車速度的增加而減小；在0.015s，此時列車阻力為列車運行阻力，并隨著列車速度的增加而增加。結(jié)合圖2可以看出，在電機負載轉(zhuǎn)矩變化的同時，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)過渡，并沒有出現(xiàn)大的波動，說明建立的系統(tǒng)動靜態(tài)性能響應(yīng)良好。

為了對比傳統(tǒng)圓形磁鏈控制和十二扇區(qū)細分圓形磁鏈控制，單獨建立了兩種圓形磁鏈控制模型。牽引電機基本參數(shù)不變，初始給定電機轉(zhuǎn)速為40rad/s，0.3s給定電機轉(zhuǎn)速為80rad/s，0.6s給定電機轉(zhuǎn)速為30rad/s；電機負載轉(zhuǎn)矩初始給定值為0Nm，0.6s負載轉(zhuǎn)矩為400Nm。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖5 電機負載轉(zhuǎn)矩Tl

圖6 兩種圓形磁鏈控制下的磁鏈軌跡

圖7 兩種圓形磁鏈控制下的電機電磁轉(zhuǎn)矩Te

對比圖6（a）和圖6（b）可以看出：在列車低速范圍內(nèi)，傳統(tǒng)磁鏈控制會出現(xiàn)微小的磁鏈畸變；而采用十二扇區(qū)細分法得到的磁鏈軌跡能夠更快地達到圓形。對比圖7（a）和圖7（b）可以看出：傳統(tǒng)磁鏈控制電機電磁轉(zhuǎn)矩在±30Nm范圍內(nèi)，而采用十二扇區(qū)細分法，電機電磁轉(zhuǎn)矩在±25Nm左右，這表明十二扇區(qū)細分法能夠有效地減小轉(zhuǎn)矩脈動。

5 結(jié)論

根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制理論，基于某動車組參數(shù)，建立恒轉(zhuǎn)矩區(qū)段全速度控制模型，仿真結(jié)果表明：

（1）在考慮列車運行阻力和起動阻力的條件下，根據(jù)給定的參數(shù)，仿真得到的電機電磁轉(zhuǎn)矩和定子電流沒有產(chǎn)生大的波動，控制方式的切換比較平穩(wěn)，定子磁鏈比較完整，沒有產(chǎn)生畸變，系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)響應(yīng)性能。

（2）相對于傳統(tǒng)圓形磁鏈控制，采用十二扇區(qū)細分的方法能夠降低定子電阻壓降的影響，有效地減小磁鏈畸變和轉(zhuǎn)矩脈動，可用于異步牽引電機直接轉(zhuǎn)矩控制的深入研究。

［1］Depenbrock M. Direct self control of inverter－fed induction machines［J］.IEEE Trans Power Electron，1988（3）：420－429.

［2］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.

［3］李華德.交流調(diào)速控制系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［4］王英，?；劬?異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制磁鏈區(qū)間細分方法［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報，2011，32（4）：83－86.

［5］李正熙，楊立永.交直流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.