基于模型的牽引變流器四象限控制研究

于曉蔓　趙輝　姚大順

摘? 要】自動代碼生成技術目前多用于汽車電子領域，對軌道交通領域涉足尚淺。對基于模型的設計技術進行分析后，提出將基于模型的開發方式應用于電力機車牽引控制軟件的開發過程中，通過MATLAB平臺實現基于模型的牽引控制邏輯與算法開發。結果表明采用基于模型的設計方法進行牽引變流器四象限控制軟件設計具有可行性、高效性、經濟性。

【關鍵詞】基于模型的設計;四象限控制;電壓電流雙環控制

1、研究背景

在軌道交通行業，隨著電力機車的發展與應用，電力牽引控制成為了軌道交通的核心技術之一。電力機車控制電路主要可分為四象限整流器和逆變器兩大部分。與三相整流器相比，四象限整流器的應用領域窄，但在電力機車交流傳動、單相 UPS 電源、變頻器等特定領域處于核心地位，因此對四象限變流器的研究具有重要的工程意義和經濟意義[1-4]。四象限變流器控制方式主要分為傳統控制和現代數字控制。本文采用的直接電流控制技術，是現在應用最廣泛的電壓電流雙閉環控制[5，6]。

2、基于模型的四象限控制基本原理

2.1 基于模型的軟件開發流程

基于模型的軟件開發方式主要依托于自動代碼自動生成技術，自動代碼生成技術可以使軟件開發人員從繁瑣代碼編寫任務中脫離，從而將自身的精力放到軟件設計中。基于模型的軟件開發流程包括需求的獲取、模型設計、模型測試、自動代碼生成、集成等。

2.2 四象限控制原理

本文采用的直接電流控制技術，是現在應用最廣泛的電壓電流雙閉環控制。

2.2.1 電壓控制

電壓環控制器的作用是保持四象限變流器的直流母線電壓穩定，對負載突變等外部擾動保持良好的動態穩態性能。給定電壓指令和母線電壓反饋相減得到電壓指令偏差輸入，經過 PI 控制器計算得到電流環輸入指令值。

2.2.2 電流環控制

交流信號控制采用比例諧振PR控制器。工程上，引入一種改進的PR控制器，其傳遞函數為

為截至頻率，越大，PR控制器的帶寬越大。

2.2.3 鎖相環控制

鎖相環的作用為跟蹤網壓的相位，產生控制結構框圖中所需的“”和“”兩種信號。鎖相環的基本結構主要分為鑒相器（PD）、環路濾波器（LPF）、振蕩器（VCO）三部分。

3、模型設計

根據MATLAB建模工具的特點，選用Simulink開發算法模型。四象限變流器控制的算法模型主要是保證直流側的電壓輸出指標。算法模型主要包括電流控制模塊、電壓控制模塊、鎖相控制模塊三部分。

4、結論

基于模型的牽引變流器四象限控制技術采用目標代碼自動生成的方法，大大加快了四象限控制邏輯和算法的開發進程，展現了基于模型的設計方法在軌道交通行業應用的光明前景。

參考文獻：

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[2]張大勇. 我國機車電傳動技術的發展. 機車電傳動，2007，196（03）：1-4.

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[4]王森. 電力牽引傳動與控制技術的現狀與發展. 電子技術與軟件工程，2016，90（16）：241.

[5]J.Cater，C.J.Goodman，H.Zelaya. Analysis of the Single-phase Four-quadrant PWM Converter Resulting in Steady-state and Small-signal Dynamic Models. IEEE Proc-Electr. Power Appl，1997，144（4）：241-247.

[6]Kukrer O，Komurcugil H. Control strategy for single-phase PWM rectifiers. Electronics Letters，1997，33（21）：1745-1746.

作者簡介：

于曉蔓，1993.04-，女，碩士學位，中車大連電力牽引研發中心有限公司工程師，研究方向為電力電子仿真、基于模型的牽引控制系統設計研究。