尚林岳

（中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710018）

引言

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

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

1 原理與設(shè)計

1.1 電路原理

根據(jù)系統(tǒng)需求，勵磁控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

輸入電壓有交流電力機車車載蓄電池提供，電壓幅值為74 VDC，該電壓為直流勵磁斬波器的輸入電壓；使用勵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，用于控制直流勵磁占波器輸出主發(fā)勵磁電壓，勵磁電流傳感器TA采集勵磁電流IEXC；使用滯環(huán)算法，動態(tài)響應(yīng)控制勵磁電壓，從而控制發(fā)電機輸出電壓，直流母線電壓傳感器TV采集直流母線電壓UDC。

針對控制需求與直流勵磁斬波器工作條件，對勵磁占波器接收的PWM控制脈沖提出以下需求：一是直流勵磁斬波器工作輸入為50%占空比固定脈寬，幅值為5V PWM脈沖；二是直流勵磁斬波器啟動邊界條件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)電機勵磁控制需要滿足：一是內(nèi)燃機車牽引系統(tǒng)的直流母線電壓需求，例如，啟動過程中母線電壓提升、運行過程中功率提升是對母線電壓的保持、在制動過程中，對電制動功能對母線電壓的要求等；二是內(nèi)燃機車柴油機輸出功率曲線。三是在出現(xiàn)危險情況時，如勵磁電流過流、母線電壓超過上限閾值等情況，根據(jù)控制系統(tǒng)保護(hù)邏輯，實現(xiàn)停機保護(hù)動作，確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全。根據(jù)以上三點需求，制定了各個擋位下的直流母線電壓給定值UDC，REF。勵磁控制程序控制主發(fā)電機勵磁電壓，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和下頁圖3所示。

1.3 保護(hù)功能

根據(jù)系統(tǒng)要求，勵磁控制程序采集主發(fā)電機勵磁電流、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)電機勵磁電流保護(hù)閾值、直流母線電壓保護(hù)閾值。當(dāng)主發(fā)勵磁勵磁電流超過保護(hù)閾值時，勵磁控制程序進(jìn)行封鎖方波信號動作；直流母線電壓超過保護(hù)閾值時，勵磁控制程序進(jìn)行封鎖方波信號動作。通過封鎖方波信號，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 勵磁控制實現(xiàn)流程及算法

勵磁控制控制流程圖如4所示。

通過電壓傳感器，電壓傳感器量程為±3 000 V，將直流母線電壓的瞬時值以±75 mA的電流信號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，提高線號穩(wěn)定性，將輸入電流信號調(diào)理至3.3 V輸入ADC芯片，經(jīng)過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值UDC，根據(jù)系統(tǒng)需求，并對UDC數(shù)值通過軟件程序，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為斬波器啟動的邊界條件，STEP1、STEP2為滯環(huán)調(diào)整系數(shù)。

計算出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)的勵磁電壓與輸出電壓，如圖5所示。

1.5 仿真與測試

根據(jù)勵磁控制算法進(jìn)行仿真模型的搭建與測試[4-6]，如下頁圖6所示。

仿真模型首先使用一個坡度函數(shù)，對輸入的給定的數(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)勵磁控制器系統(tǒng)需求，電壓調(diào)整上升時的變化小于下降時的變化。

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。在計算過程對計算結(jié)果，增加限幅模塊，對輸出的參數(shù)進(jìn)行閾值限制，保護(hù)整個系統(tǒng)穩(wěn)定。

對完成計算的電壓差值進(jìn)行置換比較計算，并計算結(jié)果輸出，輸出為控制斬波器的脈沖頻率。再通過線性函數(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)果對比如下頁圖7所示。

虛線部分系統(tǒng)需求的目標(biāo)母線電壓UDC，REF，紅色實線部分為輸出的電壓UDC，仿真結(jié)果表明，通過滯環(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)場進(jìn)行實物測試結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)實物測試數(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)為時間軸，單位為Tick。在不同檔位下，通過勵磁控制算法，控制的發(fā)電機輸出電壓UDC可以穩(wěn)定的跟隨UDC，REF，與仿真波形重合，驗證了仿真模型的可行性，并且實物系統(tǒng)運行穩(wěn)定，滿足控制需求。

2 結(jié)論

基于滯環(huán)的主發(fā)電機控制算法可以有效地控制主發(fā)電機電壓輸出，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)燃機車牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性。