磁链轨迹控制在机车辅助逆变电源中的应用

当 Uk 为非０矢量时， 由于U k 幅值不变， 磁链矢量以 r r 恒速沿 U k 方向移动。 当 U k 为０ 矢量时， 磁链矢量停止 不动。 ６ 个非０ 矢量具有相同的幅值， 所以当利用非 ０ 矢 量进行切换时， 磁链轨迹长度正比于持续时间 τ ， 方向 跟随不同的电压矢量变化。 ０ 矢量可作为时间调整用。 为了确定各电压矢量的作用区间， 可把磁链轨迹 圆分成６ 个扇区， 分别计为Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ、 Ⅵ （如图 ４） 。 定义前半扇区所对应的电压矢量为主矢量， 用ＵＭ 表 示；后半扇区所对应的电压矢量为副矢量， 用 Ｕ Ｎ 表示： r r 则对于Ⅰ扇区，U M = U 4 、U N = U 6 。 其余以此类推。 矢量的切换采用标准 切换方式， 以保证每次矢量 切换时只有 １ 个桥臂发生上 下管切换。 如图５ 所示， 以第 １ 扇区为例， 将１ 个扇区分成 奇数条边。 对于奇数边， 利 用该扇区的主、 副矢量切换 从磁链轨迹圆外侧进行拟 合；对于偶数边， 利用该扇 区的主、 副矢量切换从磁链 轨迹圆内侧进行拟合。 ０ 矢 量置于每条边的结束处， 用 于调整在每条边的持续时 间。 当需改变电机转向时， 只需改变磁链轨迹的运动方 向即可。 ２．２
…………… （９ ） ， 由式 （２） 可知：
件实现。 硬件部分主要为电流、 电压信号检测及信号调 整使之适合于 ＣＰＵ 的Ａ／Ｄ 采样。 软件主要包括输出目标 频率 ｆ 、 输出目标电压 Ｕ ｌ 和中间直流电压 Ｕ ｄ 的产生， 矢量 τ 0 的计算， 作用时间 τ M 、τ N 、 Ｒ、 Ｓ、 Ｔ 三相脉冲信号的产 生三大部分。 输出目标频率 ｆ 受频率给定、 逆变器输出电 流和中间直流电压三个因素的影响。 当逆变器输出电 流和中间直流电压都在正常范围内时， 输出目标频率 ｆ 等于给定频率值。 系统采用电压闭环控制， 输出目标电 压 Ｕｌ 受输出目标频率 ｆ 的影响， 并保证 Ｕｌ／ｆ 等于常数。 ８０１９６ＫＣ是Ｉｎｔｅｌ公司推出的高性能单片机， 其工作 频率最高可达１６ ＭＨｚ， 最小指令周期为１ μｓ。 其片内的 高速输出端口 （Ｈ Ｓ Ｏ ） 非常适合脉冲信号的输出控制， 因此利用ＣＰＵ 的高速输出端口 （Ｈ Ｓ Ｏ ） 来产生Ｒ 、 Ｓ、 Ｔ三 相脉冲。 为了保证系统对频率的变化和输入电压的变化作 出及时的反应， 要求系统采取实时计算的控制模式。 在 软件计算中需要用到正弦函数， 为简化计算， 减小软件 开销， 正弦函数采用查表方式求得。 由于各电压矢量的作用时间是采用实时计算得到， 计算所根据的变量就是系统输入输出电压和基波频率 以及输出Ｐ Ｗ Ｍ 波的分频数， 因此利用上述方法实现的 系统具有良好的动态特性和反应能力。 由以上分析可 以看出， 当需要改变电机转向时， 只需改变磁链轨迹的 运动方向， 也就是改变各电压矢量的切换顺序即可。 在 软件中改变８０１９６ＫＣ 的Ｈ Ｓ Ｏ 命令顺序即可达到目的。
r
来形成， 当 Ｎ →∞时， Ｎ 边形磁链轨迹趋于理想圆。 r 由式 （５） 可知， 在电压矢量 U k的作用下， 从 ｔｋ 到 ｔｋ＋１ 时间间隔， 磁链增量为 ∆ψ k = ψ k +1 −ψ k = U k (t k +1 − t k ) = U k τ k
r r r r r r r
………（ ６ ）
忽略电机定子阻抗压降， 不难得出电机气隙中的 磁链为
１
磁链轨迹控制的基本原理
磁链轨迹控制是将三相异步电动机和逆变器看成 一个整体， 基于逆变器电压空间矢量， 按照三相异步电
收稿日期：２００２－０５－１３； 收修改稿日期：２００２－０９－１３
3 U 1 − j( ωt +ð ) …………………（ ２ ） ⋅ e 2 ω 式中：Ｕ ｌ ──线电压有效值； ω ──输入电压的角频率， 即２ ð ｆ。 由式 （２ ） 可以看出， 电机输入对称三相正弦波电压 3 U1 时， 磁链轨迹为一半径等于 的理想圆， 且Ｕ／ｆ等于 2 ω 常数时， 气隙磁通的大小保持不变， 仅相位随时间变化。 １．２ 逆变器供电情况下的电机磁通 如图 １ 所示， 逆变器输出端的电压为 Ｕ ａ 、 Ｕ ｂ、 Ｕｃ ψ = ∫ U p dt =
第１期 蒋时军 ： 磁链轨迹控制在机车辅助逆变电源中的应用
用时间为 τ N， ０ 矢量作用时间为 τ 0， 用直 线段代替弧线， 则 Ｏ Ｐ １ 与 Ｏ Ｐ ２ 之间的夹 角为ωＴ ０ ， 且 T0 = τ M + τ N + τ 0 ………… （７ ）
动机的圆形旋转磁场的规律来控制逆变器各桥臂的开 关顺序从而控制逆变器输出 Ｐ Ｗ Ｍ 电压的一种控制方 法。 １．１ 三相对称正弦电压供电情况下的电机磁通 当采用三相对称正弦电压供电时， 加在异步电机 上电压空间矢量可表示为 U p = U a +U be
r
2 −j ð 3
+U ce
2 j ð 3
…………………（ １ ）
摘 要：从逆变器供电的电压空间矢量和磁链轨迹控制原理出发， 充分利用８０１９６ＫＣ单片机的 特点， 分析磁链轨迹控制的软件实现方法和过程 ； 并给出了在应用系统中实测的电压波形和电流波形 以及利用磁链轨迹控制的逆变器控制系统在机车辅助逆变电源上的运用情况。 关键词：磁链轨迹；电压空间矢量；逆变器；Ｐ Ｗ Ｍ；８ ０ １ ９ ６ Ｋ Ｃ 中图分类号 ： Ｕ２６４．５＋６ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １０００－１２８Ｘ（２００３）０１－００１５－０４
２ ０ ０ ３ 年第 １ 期 ２００３ 年 １ 月 １０ 日
机 车 电 传 动 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＤＲＩＶＥ ＦＯＲ ＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥＳ
№１，２００３ Ｊａｎ．１０，２００３
研 究 开 发
磁链轨迹控制在机车辅助 逆变电源中的应用
蒋时军
（株洲电力机车研究所， 湖南 株洲 ４１２００１）
作者简介：蒋时军（１９７０－） ， 男，１ ９ ９ ２ 年毕业于上海铁 道学院电力牵引与传动控 制专业，高级工程师，现 从事变流技术方面的开发 工作。
……………（ ４ ）
由于１８０°导通型逆变器 Ｓａ、 Ｓｂ、 Ｓｃ 只有 “０” 和 “１” ２ r 种状态， 所以电压空间矢量 U p 仅有２ ３ ＝８ 个离散量， 即 ８ 种开关模式。 用相应的开关状态来表示各个开关模式 r 下的电压矢量， 如 U p ( 1, 0 , 1) 表示ＶＴ１、 ＶＴ４、 ＶＴ５ 导通。 根据 式 （４ ） ， 可将８ 种开关模式画成矢量图， 如图２ 所示。 其 r r 中 U p ( 0 , 0 , 0 ) 和 U p (1 ,1 ,1 ) 的幅值等于０， 为０ 矢量。 如果用括号 中的代号作为二进制编码， 则 U p ( 0 , 0 , 0 ) ～U p (1 ,1 ,1 ) 分别表示 r r r r 为 U ~ U ，U 1 ~ U 6 为６ 个幅值相等而分布均匀的离 0 7 散电压矢Baidu Nhomakorabea， 因此， 除器件的开通与关断瞬间外， 各个 电压矢量均为恒定， 电机气隙磁链 （ｉ＝０， １， ２， …， ７） ……（ ５ ） ψ = ∫ U p dt = U i t + ψ 0 其中 ψ 0 为 ｔ ＝０ 时刻的磁链矢量。 磁链矢量运动轨迹为 ６ 个电压矢量方向， 并以｜Ｕｉ｜ ＝ Ｕｄ 的速度运动。 以最简单 的６ 步运行开关模式运行， 则磁链轨迹为一六边形 （见 图３） 。
r r r r r
r r
图４
六扇区的划分
图５
电压矢量的切换
图２ — １６ —
逆变器供电下的 ８ 种电压矢量
电压矢量持续时间的计算 以第 １ 扇区 （如图 ６ 所示） 为例， 设磁链轨迹半径 为ｒ， 磁链矢量以恒角速度 ω 旋转， 磁链矢量在某一条 边 （P1 P2 ） 上持续时间为 Ｔ ０ ， 主矢量作用时间为 τ M ， 副作
机车辅助逆变电源替代传统的劈相机， 可以有效 地改善机车辅助系统的供电品质， 提高机车辅助电机 及相关开关器件的寿命， 进而提高整车的可靠性。 机车 辅助系统主要负载是三相异步电动机， 其功率等级在 几千瓦到几十千瓦之间。 当采用逆变器供电时， 其电机 都是经过专门设计， 逆变电源的输出是 Ｐ Ｗ Ｍ 电压波 形。 早期在机车辅助逆变器上用于产生 Ｐ Ｗ Ｍ 波的方式 多为采用模拟调制或专用集成芯片。 随着单片机及数 字信号处理器 （ＤＳＰ ） 技术的发展， 单片机及ＤＳＰ 的功能 越来越强大， 速度也越来越快， 使应用单片机或 Ｄ Ｓ Ｐ 构 成一个完全软件方式的 Ｐ Ｗ Ｍ 发生系统变得非常可能。 下面介绍的是一种基于磁链轨迹控制理论及 ８０１９６ＫＣ单 片机硬件系统的机车辅助电源逆变器控制系统。
由图６ 可知，P1 P3 与 P2 P3 之间的夹角为 ２ ð ／３， 直线段 P1 P2 近似等于弧线 P P ， 则 P1 P2 = ωT0 r
1 2
……………… （８ ）
图７ 控制原理框图
P1 P3 PP P1 P2 = 2 3 = sin(ð / 3 − ζ ) sin ζ sin( 2ð / 3) 由于 P1 P3 = U dτ M r= 3 U1 ⋅ 2 ω P2 P3 = U d τ N
r — １５ —
r
机
车
电
传
动 ２００３年
（三相桥臂中点对地电压矢量） ， 电机中线电压为 Ｕ ｎ ， 当 Ｕ ａ′ 、 Ｕ ｂ′ 、 Ｕ ｃ′ 为互差１２０°时， 电机电压空间矢量为 ′ e -j2ð / 3 + U c′ e j2ð / 3 = U p = U a′ + U b U a + U b e - j2ð / 3 + U c e j2 ð / 3 − U n (1 + e - j2 ð / 3 + e j2ð / 3 ) = U a + U b e - j2 ð / 3 + U c e j2ð / 3 …………………（ ３ ）
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ ｔｏ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ
ＪＩＡＮＧ Ｓ ｈｉ－ｊｕｎ
（Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｚｈｕｚｈｏｕ， Ｈｕｎａｎ ４１２００１， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｖｏｌｔａｇｅ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｆｉｒｓｔ． Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ８０１９６ＫＣ ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ． Ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｒａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ： ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ ｔｒａｃｋ； ｖｏｌｔａｇｅ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ； ｉｎｖｅｒｔｅｒ； ＰＷＭ； ８０１９６ＫＣ
图３ 电压矢量作用下的磁链变化及 ６ 步运行模式
r
２
２．１
空间矢量的分割及时间计算
模型的建立及矢量的分割 为使逆变器供电下的电机磁链轨迹接近标准圆， 将标准圆等分成 Ｎ 边形， 每一条边用２ 个电压矢量切换
图１ 逆变器主电路
由主电路 （图 １ ） 可知， 在任何时刻， 对于 １ ８ ０ ° 导通型逆变器， 理想情况下 Ｕ ａ 、 Ｕｂ、 Ｕ ｃ 不是 Ｕ ｄ ／ ２ 就是 － Ｕ ｄ ／２。 令 Ｓ ａ、 Ｓ ｂ、 Ｓ ｃ 代替 Ｕ ａ 、 Ｕｂ 、 Ｕ ｃ。 当桥臂上管ＶＴ１、 ＶＴ３、 ＶＴ５ 导通时， Ｕ ａ、 Ｕ ｂ、 Ｕ ｃ 为 Ｕ ｄ ／２， 用 Ｓ ａ、 Ｓ ｂ、 Ｓｃ 为 “１” 表示。 当桥臂下管 Ｖ Ｔ２ 、 ＶＴ４ 、 ＶＴ６ 导通时， Ｕ ａ、 Ｕ ｂ、 Ｕｃ 为 － Ｕ ｄ／２， 用 Ｓ ａ、 Ｓ ｂ、 Ｓｃ 为 “０” 表示。 因此电压空间矢量亦 可表示为 U p(Sa, Sb, Sc) = S a + S b e − j 2ð / 3 + S c e j2ð / 3