基于OMAPL138 控制平臺的中低速磁浮牽引系統研制

胡 仙 文宇良 胡 冬 胡 亮 呂永燦

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲412001）

受益于噪音低、爬坡能力強、轉彎半徑小、安全舒適等優勢，近年來中低速磁浮得到廣泛研究和大力推廣[1-2]。作為一種前景廣闊的新型交通工具，中低速磁浮列車的牽引系統及控制技術也顯著異于傳統基于黏著驅動的軌道列車。具體而言，受中低速磁浮列車牽引直線感應電機的特殊結構影響，其在運行過程中存在邊端效應，導致電機參數劇烈變化、牽引力輸出下降，在牽引系統設計與控制中需進行充分考慮；此外，直線感應電機所特有的法向力，通常表現為吸引力性質，幅值可達推力的數倍之大，直接影響懸浮系統的穩定性，需加以針對性的控制[3-6]。

針對上述問題，本文介紹了一種專為中低速磁浮列車研制的牽引系統，該系統基于OMAP-L138 控制平臺實現牽引電機控制、故障診斷及保護功能，采用恒轉差頻率矢量控制方式，可獲得牽引電機推力、法向力的優化控制，在保持較小法向力的同時，實現推力的快速、精準響應。大量現場試驗表明，該牽引系統具有穩定、高效、低耗、高容錯的優勢，能充分發揮直線感應電機的牽引能力。搭載該牽引系統的磁浮2.0 版列車，成功實現運行速度160km/h 的突破，充分顯示了該牽引系統的卓越性能。

1 中低速磁浮交流傳動系統介紹

中低速磁浮列車交流傳動系統主要包括（如圖1 所示）：牽引控制系統、牽引測速系統、輔助電源系統，列車控制與診斷系統（CCU）。每輛車由三節車構成，每個單元的主電路型式、結構相同，在系統中，各部件由功率電纜連接起來。牽引控制系統主要由高壓箱、濾波電抗器、牽引逆變器(VVVF)、直線電流(LIM)組成（如圖2 所示），每節車一臺單模塊VVVF 逆變器給10 臺直線電機供電（5 串2 并）。輔助電源系統包含輔助逆變器、懸浮電源兩個子系統。輔助逆變器從1500V 的母線電壓上取電，通過DC/AC 轉化為380V/50Hz 的交流電給空調、空氣壓縮機、通風機、照明和其他交流負載；懸浮電源通過DC/DC 轉化為330V 的直流電供懸浮控制器使用。牽引測速系統有牽引測速控制箱和牽引測速板組成，基于計算軌枕測試方法，采用渦流傳感器來檢測金屬軌枕獲取速度脈沖，軌枕安裝間距多為1.2m；采用FPGA芯片對脈沖邊沿進行準確捕捉，利用M法、T 法或M/T 法進行信號處理得到速度信息。列車控制系統及診斷系統，它由司機控制器、各指令開關、有接點控制電路、傳動控制單元及列車網絡控制系統等構成。主要完成列車有關牽引的控制指令及狀態的給出、傳輸，實現列車牽引順序邏輯控制、電傳動系統故障保護和列車牽引/電制動控制等功能。

圖1 中低速磁浮電氣系統框圖

圖2 牽引控制系統主電路圖

牽引逆變器(VVVF)傳動控制單元（DCU），主要完成對IGBT逆變器暨交流異步直線感應電動機的實時控制、斬波控制，同時具備完整的牽引變流系統故障保護功能、模塊級的故障自診斷功能和一定程度的故障自復位功能以及部分車輛級控制功能，DCU 是組成列車通訊網絡的一部份，與多功能機車車輛總線MVB 接口及通信，DCU 是否具有豐富的外設及計算能力是實現高性能控制算法的關鍵，下節將針對OMAP 高性能控制平臺進行詳細介紹。

2 OMAP 高性能控制平臺介紹

OMAP-L138 是美國德州儀器（TI）推出全新DSP+ARM工業處理器[7]，主頻高達456MHz，計算能力強大，這款芯片也是業界功耗最低的浮點數字信號處理器DSP+ ARM9 處理器，大大降低了雙核通訊的開發難度，可充分滿足工業應用的高能效、連通性設計對高集成度外設、更低熱量耗散以及更長電池使用壽命的需求。目前基于OMAP-L138 芯片設計的OMAP 控制平臺的主要實現接受司機指令，配合列車的運行工況，完成牽引變流器的主回路開關控制、電機控制、故障診斷及保護功能，實現列車的牽引和電制動等功能。

直線電機采用OMAP 控制平臺的系統框圖如圖3 所示，DCU 采用雙MCU+FPGA+CPLD 的兩層疊板架構，DSP 板上的MCU 采用高性能的雙核處理器(OMAPL138)，內含ARM9 核和C674XDSP 核。MCU1 的ARM9 核完成變流器邏輯控制、上位機實時波形監視等功能，MCU1 的DSP 核完成電機算法控制（主要包括AD 采樣、電機模型計算、SVPWM 調制），MCU2 的ARM9核完成與MVB、RS485 和CAN 通訊，FPGA 實現與MCU、CPLD的數據交互及通訊功能，及PWM脈沖生成及速度計算等功能；母板上的CPLD 完成AD 管理、DIO 管理及擴展接口管理等功能。

圖3 OMAP 控制平臺系統框圖

MCU1 的ARM9 核完成變流器邏輯控制，包括變流器主電路的上電自檢，主斷路器和充電、短接接觸器的時序控制，過壓、過流故障保護邏輯控制，牽引系統控制邏輯控制框圖如圖4 所示。

采用上述高性能的OMAP 控制平臺，各子控制單元功能劃分清晰，結構簡單，基于此平臺就可以完成整車的邏輯控制、牽引控制、故障診斷及保護等功能，并且完成核心的逆變控制算法的C674XDSP 內核計算資源豐富，計算能力強大，為實現直線電機的恒轉差頻率矢量控制和多模式調制算法帶來了更好的便利性和高效性。

3 恒轉差頻率矢量控制策略

直線感應電機運行過程中，初級電流一定時，隨著轉差率的變化，電機推力與法向力的變化非常大。一般而言，當初級電流一定時，直線感應電機轉差頻率與電機特性存在如下關系[8][9]。

圖4 邏輯控制框圖

3.1 轉差頻率越小，推力越大，推力波動亦越大。

3.2 隨著轉差頻率的增大，法向力性質由吸引力逐漸變化為排斥力。

3.3 在一定范圍內，轉差頻率越小，法向力（吸引力）越大，其幅值可達推力的5 倍之多。

3.4 雖然轉差頻率達到一定大小時，法向力呈現排斥力性質，但此時電機推力受限、效率過低，不宜采用。

由上可見，選擇合適的轉差頻率，可同時獲得較大的電機推力和較小的法向力。同時考慮到在實時控制中，電機推力可通過dq 軸電流解耦進行精準控制，而法向力的控制則相對較為復雜，因此選擇恒定轉差頻率以期獲得穩定的法向力控制，而借助dq 軸電流解耦和矢量控制則可輸出所需的推力。基于直線感應電機電磁設計方案和控制仿真分析結果，本系統將牽引工況和制動工況下的恒轉差頻率分別設計15Hz、17Hz。此時，電機法向力幅值和法向力波動范圍都較小。

本系統中，恒轉差頻率矢量控制框圖如圖5 所示，系統控制輸入為：滑差頻率給定值、勵磁電流給定值，系統控制步驟如下。（1）根據列車手柄給定判斷轉差頻率正負：當手柄為向前牽引或向后制動時，轉差頻率為正；當手柄為向后牽引或向前制動時，轉差頻率為負。（2）通過牽引測速系統獲得列車速度，亦即次級角頻率，與轉差頻率相加得到初級角頻率，繼而計算出初級電角度。（3） 勵磁電流參考值由輸入指令給定，轉矩電流參考值則根據司機手柄檔位信號獲得。電流參考值與反饋值比較后經由雙電流閉環PI 調節得到電壓參考值，再根據Park 逆變換得到SVPWM調制的輸入指令，進而控制逆變的輸出電壓和頻率。采用此控制方式，不僅可以有效控制法向力的大小穩定，降低其對列車運行的影響，還可有效利用直流母線電壓，控制直線電機最大程度輸出推力。然而，隨著電機速度的提升，逆變器輸出頻率越來越高，受限于器件的開關損耗和散熱條件，在額定開關頻率只有數百赫茲的情況下，輸出電壓的載波比越來越低。為了減少電流諧波畸變，滿足低開關頻率條件下系統控制性能要求，本系統針對中高速區采用了分段的同步調制方案。隨著轉速的上升，本系統分別采用異步調制、同步模式9、同步模式5、方波調制方式。

圖5 恒轉差頻率矢量控制框圖

4 PWM 同步調制算法

本文的同步調制算法采用了HLMPWM 調制算法，與SHEPWM直接輸出逆變器電壓不同，以逆變器- 電動機系統作為研究對象，以電機諧波損耗最小為優化目標。諧波損耗最小(Harmonic Loss Minimum)PWM 也叫最小波紋電流(Ripple Current Minimum ) PWM，由意大利人Guiseppe S. Buja 和Giovannib. Indri 于1977 年在SHE 脈寬調制的基礎上提出[10]。在建立電機諧波損耗最小PWM 模型之前，做以下假設：①、諧波鐵損忽略不計，因為諧波銅損起主要損耗；②、不考慮轉子導體的集膚效應。

三相逆變器的相電壓輸出波形滿足如圖1 所示的1/4 周期偶對稱和半周期的正負半波奇對稱，其諧波成分中不包含零序分量和偶次分量，并且考慮到三相對稱系統，三的整數倍次諧波因同相而被自動消除，這樣逆變器輸出相電壓的n 次諧波幅值un為：

圖6 電壓型逆變器單相（或A 相）輸出波形

通過以上分析，建立最小諧波損耗的PWM調制算法目標函數為：

5 試驗結果分析

在試驗線路上，基于OMAP 高性能控制平臺，采用恒轉差頻率矢量控制，整車實現了不同速度段、不同手柄級位下的穩定、可靠控制。

圖7 36km/h 下的電壓、電流、轉速波形（異步調制模式）

圖8 60km/h 下的電壓、電流、轉速波形（同步9 分頻）

圖9 100km/h 下的電壓、電流、轉速波形（同步5 分頻）

圖10 160km/h 下的電壓、電流、轉速波形（方波模式）

從圖7 到圖10 可以看到各模式下的穩態波形，電壓和電流都控制的比較平穩，輸出電流波形正弦度高。

圖11 異步調制到同步9 分頻

圖12 同步9 分頻到同步5 分頻

圖13 同步5 分頻到方波調制

圖14 0 到80km/h 加速過程

圖15 120 到30km/h 減速過程

從圖11 到圖15 可以看到整車在加速、減速和不同調制模式切換的動態性能，各個工況間切換平穩無沖擊。

6 結論

本文詳細的介紹了磁浮2.0 版列車的牽引系統，在高性能的OMAP-L138 平臺上實現了牽引系統的控制邏輯、逆變控制算法等功能。整車直線電機采用恒轉差頻率矢量控制，在高速段采用分段的同步調制，解決了直線電機低開關頻率、高轉速、低載波比條件下的控制失穩難題，同時進一步提高了輸出電壓的利用率，使得整車在突破了160km/h 時速過程中，表現出良好的動態性、穩態性和可靠性。