上海地铁2号线车辆交流传动系统仿真分析

2002年第1期2002年1月10日

机车电传动

ELECTRICDRIVEFORLOCOMOTIVES

1 2002Jan.10 2002

城城市轨道车

辆

摘

上海地铁 号线车辆交流传动

系统仿真分析

崔俊国 陶生桂

(同济大学电气工程学院 上海

200331D

作者简介:崔俊国(1976 D 男 1998年毕业于上海铁道

要:从磁链观测 解耦电路 频率补偿等方面对上海地铁2号线车辆交流传动矢量控制系统大学电气工程系 在读博士研究生 研究方向为电力电子与变流技术 交流传动与控制技术

独特之处进行了分析与说明 同时对矢量控制方法进行由浅入深的比较性分析 以了解地铁2号线车辆主传动系统矢量控制框图各环节基本功能及主要原理 并对其进行仿真分析,

关键词:矢量控制 磁链模型 解耦 地铁车辆 交流传动 仿真中图分类号:U266.2 U231

文献标识码:A

文章编号:1000-128X(2002D01-0029-06

SimulationandanalysisofACdrivesystemfor

ShanghaimetrolineNo.2

CUIJun-guo TAOSheng-gui

(SchoolofElectricEngineering TongjiUniversity Shanghai200331 ChinaD

陶生桂(1940 D 男 1981

Abstract:UnigueaspectsinACdrivevectorcontrolsystemforShanghaimetrolineNo.2areanalyzedandillustratedinthelightoffluxlinkageovservation http://wendang.chazidian.comparativeanalysisisdoneindetailsonthevectorcontrolmethod topresentbasicfunctionsandmainprinciplesofeverylinkinthevectorcontrolblockdiagram.Simulationisalsomade.

Keywords:vectorcontrol fluxlinkagemodel dispcoupling metrovehicle ACdrive simula-tion

年毕业于上海铁道大学铁道牵引电气化自动化专业 教授 博士生导师 研究方向为轨道电力牵引与变流技术 电力电子与电力传动及其控制技术,

上海地铁2号线车辆是从德国进口的交流传动车辆,在2动1拖的方案中 每台动车由1台GTO二点式逆变器供电给4台异步牵引电动机,电机的控制采用传统的旋转矢量控制技术,本文将描述该矢量控制系统主要特点与性能,

的关系式得到的,其运算表达式为:

(

=[(ULL

U2=

B2

<

[(UU1-11zU1Ddt-OLszU1]Lm

rm

B1

-11zB1Ddt-OLszB1]

1

磁链观测器

式中:Lr 转子绕组电感

Ls 定子绕组电感

L2m

总漏磁系数,O=1-LrLs

其运算原理框图如图1中上方框内所示,图中Or

=(Lr-LmD/Lm为转子绕组的漏感系数 Lm为定转子绕组互感,

(2D电流模型(z-n模型D

电流模型是直接利用静止U B坐标系中转子电压方程导出转子磁链 2的,由鼠笼式异步电机在转子转速坐标系的数学模型可直接得到转子磁链方程式:

(< X2= Y2=

LmzX1

1-T2pLmzY1

1-T2p

29

矢量控制是按转子磁链 2定向的 必须准确确定转子磁链幅值及该矢量在静止U B坐标系上的空间位置,目前采用的方案大多是根据电机数学模型计算而间接地求出转子磁链 2的幅值和空间位置,电压模型 电流模型和混合模型是计算转子磁链3种典型的模型,

(1D电压模型(U-z模型D

电压模型是先由定子电压方程导出定子磁链 1 并基于静止U B坐标系中定子磁链 1与转子磁链 2

收稿日期:2001-05-28 收修改稿日期:2001-10-16

L

机车电传动

2002年

式中:T2= 转子绕组时间常数O

12

方程式中X~Y是表示转子转速坐标系量9电流模型原理图如图1中下方框内所示O

( 混合模型

电压模型是基于定子电压方程导出的9它在低速时受电阻压降的影响较大9磁链的计算精度受到影响O这种模型较适合于电机高速运行O电流模型是基于电机转子电压方程导出的9对定子参数的变化不敏感;但这种模型受转速测量精度和转子时间常数的影响较实用的参数补偿是矢量控制中一个十分重要而有意义的问题O

2

解耦电路

由转子磁场定向的MT坐标系鼠笼式异步电机数学模型中转子磁链方程可求得转子电流在MT坐标系中分量[1]9再把该转子电流代入定子磁链方程9可得到:

Lm2 M1=LSzM1-LmzM2=(oLS- zM1

大9尤其在转子绕组时间常数T2随电机磁饱和度和温度而变化的情况下9这种影响更大O

为克服电压模型在低速时的缺陷和电流模型对参数的敏感性问题9可以采用图1所示的混合模型O它由2个磁链子模型组合而成:第1个是电流模型9它通过坐标变换9把定子电流变换到转速参考系中9利用上面的关系式通过转速坐标系求得转子磁链 2(下标 表示各物理量为转子坐标系中的量 9再经过坐标变换转换到定子坐标系;第二个模型为电压模型9它是在定子坐标系中计算得到的O混合模型巧妙地将电压模型计算的结果与电流模型的计算结果之间的偏差反馈给电压模型9并利用电压模型中的积分环节来实现偏差校正9改变时间常数T9即可调整哪一个子模型起主要作用O这种模型在低速时电流模型的影响占优势9而高速时电压模型的影响占优势9从而也自然解决了2个模型切换自然过渡的问题

O

图1

混合模型运算原理框图

值得注意的是9电机的磁饱和情况和绕组温度的变化对电感~电阻及时间常数的影响9会使转子磁链的准确估算变得十分困难O对这些电机参数进行在线辨识~补偿或采用自适应控制技术9将可解决这个问题;但会使控制系统更为复杂O因此寻找一个较为简便而

<

L 1-T2p T1=LSzT1-LmzT2=oLSzT1

再将定子磁链方程代入MT坐标系中定子电压方程9可得:

M1=11zM1-p M1- T1c1=11zM1-p(oLS-m2<

L 1-T2p zM1-oLSzT1c1

T1=11zT1-p T1- M1c1=

1m

1zT1-oLSpzT1-L

2c1-oLSzM1c12忽略m

L1-TzM1项 2p

9再定义:

cX=< SX=11zM1-oLSpzM1

-oLSzT1c1

与 <SY=11zT1-oLSpzT1

cY=

m

L 2c1-oLSzM1c1由此可以看出9在转子磁场定向的MT坐标系中9构成定子电压交轴分量 T1中不仅有定子电流交轴

分量zT1产生的 SY9还有定子电流直轴分量zMl产生的耦合电压 cY;而定子电压直轴分量 M1中不仅有定子电流直轴分量zMl产生的 SX9还有定子电流交轴分量zT1产生的耦合电压 cXO为了消除鼠笼式异步电机交~直轴之间的耦合现象9矢量控制系统中电机直轴电压

设定值 %M1不仅包含对zM1进行控制的电压 %SX9还要包

含zT1产生的耦合电压 %

cX;同理电机交轴电压给定值 %T1不仅包含对zT1进行控制的电压 %SY9还要包含zM1产生的耦合电压 %cYO因此矢量控制系统产生的交~直轴电压的表达式为:

< %M1= S%%

X- cX %

T1= %SY- %

cY

其中直轴电流zM1进行控制的电压 %SX9交轴电流

zT1进行控制的电压 %

SY分别包含比例项及微分项O

由于微分项对干扰特别敏感9容易引起电机的干扰电压9因此在实际控制中常采用对给定值与实际值的误差项

进行PI调节9以达到消除微分干扰的目的( %SX~ %

SY在控制系统中进行计算 O

这样就可以实现对电压型逆变器的矢量控制O其

定子电压解耦单元(产生 %cX9 %

cY单元

如图2所示O

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第l期崔俊国,陶生桂,上海地铁Z号线车辆交流传动系统仿真分析

(Z)如果zlm不是恒定值(即电机转子磁链PZ动态变化),则c4的求解就比较复杂,不易实现,为此我们采用另一种转差频率的补偿方法,由PWM脉冲生成单元可得到实际的定子电压空间矢量相对于定子静止坐标系的角度0~S,0~S与估算出的转子磁链相对于定子静止坐标系的角度0l相减得到实际的定子电压空间矢量在转子磁链坐标系中的角度0~mr,0~mr再与定子电压空间矢量给定值相对于转子磁链坐标系的角度0~mr相比较,误差信号经过相角控制器生成转差频率补偿信号cc,容易看出,当定子电压矢量给定值相对于

%

图Z

定子电压解耦单元

3

频率确定单元

当电机稳态运行时,相对定子静止坐标系的转子

磁链频率cmr与定子电压频率c~S是相等的,在动态过程中,cmr与c~S是不相等的,对系统动态性能要求不高的情况下,可用cmr来代替c~S;但是要想提高系统的动态特性,则要对c~S进行补偿,

(l)由鼠笼式交流异步电机MT坐标系数学模型可得,

cS=

mT PzltZZ

在稳态运行或启动过程中,为了充分利用电机,要保持电机转子磁链恒定不变,电磁转矩Te与转差频率cS必须成正比,由于定子电流的瞬态相位未被控制,因此定子电流分量zlm与zlt都可能是时间的函数,为了保持电机恒转子磁链运行,电流分量zlt应随转差频率cS改变而改变;电流分量zlm应保持不变,其对应关系如图3所示

,

图3

各个量的相位关系

其中0lt4=tg-lzzlm,所以cS4=d04dt=zlmzZlm+zZlt dzltdt

,cS4

就是转差的补偿分量,

同解耦电路一样,为了避免微分项的干扰,采用电流分量给定值z%lt与实际值zlt的误差进行PI调节,来完成对cS4的实时计算,

定子静止坐标系的角度0%~mr发生突变时,0%

~mr与0~mr之间会产生误差信号,由此误差生成的频率补偿信号cc

将加快0~mr的变化,使0~mr尽快与0%~mr相等,从而提高系统动态性能,

地铁Z号线定子电压频率在启动区和弱磁区分别采用以上Z种方法进行补偿,如图5所示,

4

矢量控制系统方案

对于电压型逆变器,可控制的是定子电压信号(包

括频率~幅值~相角),但是矢量控制过程中,得到的是电流信号,如前所述,需经过解耦电路才能进行控制,电压解耦矢量控制系统有间接磁场定向和直接磁场定向两种实现方法,间接磁场定向中无磁链闭环,磁链的幅值和相角由控制系统给定值计算出来;直接磁场定向控制又称为磁场反馈控制,这种矢量控制系统中有磁链闭环,必须获得磁链反馈信号方可实现,

转子磁场间接定向电压解耦矢量控制系统和转子磁场直接定向电压解耦矢量控制系统的核心部分虽然都是定子电压解耦单元,但Z个系统之间的差别是很大的,间接磁场定向的电压解耦矢量控制系统实际上是对电机模型的逆向推导,没有电流闭环,系统受电机参数影响较大,无法达到很高的控制精度;但由于控制系统结构简单,容易实现,因此可用于对控制性能要求不是很高的场合,直接磁场定向的电压解耦矢量控制系统的结构要复杂得多,包括磁链~电流~相角的闭环,由于各个闭环的调节作用,系统对电机参数的依赖性要小得多,控制性能也比间接磁场定向的电压解耦矢量控制系统要好,

转子磁场直接定向电压解耦矢量控制系统中,应

用上一级控制单元给出转矩给定值T%e和转子磁链给定值P%Z;并分别利用相应关系式可计算以下物理量,电流分量给定值z%lt=TeLr/(npLmPZ);电流分量给定值z%lm=PZ(l+TZp)/Lm或通过查磁化特性曲线来确

定z%lm;转差频率给定值c%S=Lmzlt/(TZPZ);转子磁链

频率给定值c%l=cr+c%

S;定子电压频率给定值,它由

转子磁链频率给定值c%l与频率确定单元中转差频率

3l

机车电传动

2002年

%

补偿量合成;再把电压信号给定值~%lm~~lt经矢量合成单元合成定子电压空间矢量的幅值信号~%S后~与定

控制系统进行性能分析

G

子电压的频率信号给定值c%~S和逆变器直流侧电压Ud一起送到PWM脉冲生成单元~产生逆变器所需的PWM脉冲生成信号G

在大功率应用场合~由于功率器件的开关频率较低~电机的定子电流含有较大的低次谐波成分G为了降低这些低次谐波对系统的不良影响~应在定子电压的反馈环节中加入低通滤波器G但直接对定子电流进行低通滤波是不合适的~因为变频调速系统中~定子电流基波频率是变化的~若要取得好的滤波效果~低通滤波器的截止频率应随定子电流基波频率而变化G这样的低通滤波器设计起来较为烦琐~不易实现G矢量控制系统对反馈的定子电流进行坐标变换和坐标旋转~将定子坐标系上的三相电流变为转子磁场坐标系上相互正交的电流G由于电机相电流的基波分量经坐标变换和旋转之后在稳态时为直流量~对经坐标旋转之后的电流进行低通滤波很容易~采用单一截止频率的一阶低通滤波器就可以了G

观测出的转子磁链中含有较大的低次谐波成分G为降低这些低次谐波对系统的不良影响~应在转子磁链的反馈环节中加入低通滤波器G转子磁链的低次谐波一方面是由定子电流的低次谐波引起的~另一方面是由定子电压所含的丰富谐波引起的G

当电机工作在稳态时~电流低通滤波器与转子磁链低通滤波器不会引起直流成分的幅值衰减和相位滞后;但在动态过程中~例如定子电流分量突变~滤波器仍会起滞后作用~而设计者往往没有考虑定子电流反馈滤波对系统动态生成转矩的性能的滞后影响G为减弱滞后作用对系统动态性能的影响~需要对该种控制系统方案进行改进G要求把转子磁场直接定向电压反馈解耦矢量控制系统改进成转子磁场直接定向电压前馈型解耦矢量控制系统(即地铁2号线所采用的方案)G电压前馈型解耦矢量控制系统如果在解耦单元中使用转子磁链给定值~则所要求的解耦电压与实际情况不相符合~会引起转速的稳态误差偏大或转速的振荡G因此~在解耦单元中~要对转子磁链给定值进行校正~加入一个转子磁链的给定值与实际值误差的PI调节器(地铁2号线中采用~见图5中解耦电路第三个输入项~而在下面的控制系统原理图中未列出)G改进后控制系统方案如图4所示G

与反馈型解耦矢量控制系统相比~前馈型解耦矢量控制在电压解耦电路的输入中采用定子电流励磁分量给定值~生成转矩的定子电流分量给定值~转子磁链给定值以及在旋转坐标变换中加了一级低通滤波器G

下面对这两种转子磁场直接定向的电压解耦矢量

2

图4

加入低通滤波器后转子磁场直接定向电压前馈型解耦矢量控制系统原理图

(l)稳态分析

反馈型与前馈型解耦矢量控制系统均采用相同的解耦电路~只是反馈型的输入用的是电流与磁链的实际值;而前馈型的输入用的是电流与磁链的给定值G在稳态运行时~由于控制系统中电流闭环与磁链闭环的作用~使得电流与磁链的实际值等于给定值~因此这两种控制系统生成的解耦电压是相等的~解耦效果也是一样的G

(2)动态分析

在动态过程中~以生成转矩的定子电流分量为例~当给定值发生突变时(阶跃上升或下降)~实际值追随给定值的变化;但是有一个时差~在实际值调整到给定值之前~显然这两种控制系统解耦出的电压不相等G由于这两种控制系统中电流控制器输入信号都是给定值与实际值的差值~因此可以认为电流控制器产生的调节电压是近似相等的;同理~定子电流励磁分量也存在解耦出的电压不相等的情况G这样~在电压矢量合成中~这两种控制系统合成的电压矢量明显不同~前馈型的超前于反馈型的~从而使前馈型解耦矢量控制系统动态响应比反馈型的要快G电压前馈型解耦系统利用动态过程中交直轴间存在的少量耦合来提高系统的动态响应能力G

在转子磁场直接定向电压解耦矢量控制系统中的闭环比较多G若采用反馈型解耦相当于又增加了反馈通道;而反馈通路中由于定子电流~转子磁链低通滤波器这一滞后环节的存在~直接影响到解耦电路的性能~增加了系统的不稳定因素;采用前馈型解耦则可以减少对系统稳定性的不利影响G

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第1期崔俊国9陶生桂 上海地铁Z号线车辆交流传动系统仿真分析

图6

图5上海地铁Z

号线交流传动车辆主传动系统矢量控制框图目标转速1500r/min波形图 1 50~Z线电压 Z 50~Z相电流 50~Z相电压 50~Z转速

通过以上分析可知9电压前馈型解耦系统无论从响应速度还是稳定性看都优于电压反馈型解耦系统 与完全解耦情况相比9对于阶跃信号9电压前馈型解耦系统的稳定性也有所增强9且能对定子电流反馈滤波环节及转子磁链滤波环节带来的滞后影响起到较好的矫正作用G5上海地铁2号线车辆矢量控制具体方案

上海地铁Z号线交流传动车辆主传动系统矢量控制框图如图5所示 Z G

该系统属于转子磁场直接定向电压前馈型解耦矢量控制系统G其解耦电路\频率计算\磁通模型与滤波器前面已有分析介绍G图中导频控制单元实际就是计算转差频率UZ的G

矢量控制框图中各环节基本功能及其数学模型正如前面所述G我们对此交流传动车辆主传动系统进行仿真计算与研究

G图7目标转速 000r/min波形图 1 105~Z线电压 Z 105~Z相电流 105~Z相电压 转速上升曲线