動(dòng)車組牽引控制單元DSP程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 麗,孫 華,陳 敬,張 東

(西安翔迅科技有限責(zé)任公司，西安 710068)

0 引言

鐵路運(yùn)輸在我國(guó)交通運(yùn)輸領(lǐng)域中一直扮演著舉足輕重的角色，根據(jù)中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，到2020年全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到12萬(wàn)公里以上，其中客運(yùn)專線1.6萬(wàn)公里以上[1]。2019年鐵道統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到13.9萬(wàn)公里，其中，高速鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到3.5萬(wàn)公里；全國(guó)鐵路機(jī)車擁有量為2.2萬(wàn)臺(tái)，其中電力機(jī)車1.37萬(wàn)臺(tái)[2]。但是，我國(guó)高鐵事業(yè)飛速發(fā)展的腳步仍然不能滿足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要。

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)動(dòng)車組的不斷發(fā)展與全面建設(shè)，我國(guó)對(duì)動(dòng)車組的性能要求逐漸提升，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)作為動(dòng)車組的動(dòng)力核心部件[3]，其功能的可靠性和高效性至關(guān)重要。牽引傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)車運(yùn)行的控制、監(jiān)測(cè)和保護(hù)等功能還需進(jìn)一步的深入研究與優(yōu)化。因此，關(guān)于動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制、監(jiān)測(cè)功能、保護(hù)功能，文中做更進(jìn)一步的研究。

針對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，我國(guó)學(xué)者開(kāi)展了眾多研究與實(shí)踐工作。崔恒斌等人基于Matlab/Simulink建立了牽引傳動(dòng)系統(tǒng)離散數(shù)學(xué)模型，并使用dSPACE實(shí)時(shí)仿真器[4-5]搭建了牽引傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，最終通過(guò)測(cè)試牽引控制單元的車載程序，驗(yàn)證了該平臺(tái)的有效性和正確性[6]。高吉磊等設(shè)計(jì)了基于連續(xù)功能圖的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)TKDET，并用于動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中CPU板卡軟件的開(kāi)發(fā)和調(diào)試[7]。顧春杰等采用RT-LAB實(shí)時(shí)仿真器，并與GE公司CT11系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的控制器，以及列車通信網(wǎng)絡(luò)組成硬件在環(huán)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)[8]。江程研究了動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，并使用Matlab/Simulink搭建了牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，完成對(duì)動(dòng)車組參數(shù)的仿真驗(yàn)算[9]。王琛琛等針對(duì)大功率電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合中逆變器開(kāi)關(guān)頻率低的問(wèn)題，提出了適用低開(kāi)關(guān)頻率的SHEPWM和SVPWM控制策略，具體分析了各個(gè)調(diào)制策略的優(yōu)缺點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證[10]。

結(jié)合我國(guó)學(xué)者已有的研究成果，文中針對(duì)大功率牽引傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了控制算法和調(diào)制策略，以及可在線調(diào)測(cè)控制算法的上位機(jī)軟件，最后在Matlab/Simlink和dSPACE仿真器搭建的動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)驗(yàn)證了控制策略、程序設(shè)計(jì)的可用性、正確性和實(shí)時(shí)性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟件總體設(shè)計(jì)

動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)采用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪對(duì)。動(dòng)車組的受電弓先從接觸網(wǎng)獲得25 kV的單相交流電，經(jīng)變壓器降壓后，再由兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的四象限整流器變換為電壓可調(diào)的直流電，直流電通過(guò)逆變器和相對(duì)應(yīng)的控制模塊將直流電轉(zhuǎn)換為可驅(qū)動(dòng)電機(jī)的頻率可調(diào)的三相交流電，最終電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)軸通過(guò)減速齒輪組傳遞給輪對(duì)，從而帶動(dòng)列車運(yùn)行。

TCU是交流傳動(dòng)系統(tǒng)中的控制單元，其中包含CPU卡、整流卡、逆變卡、數(shù)字信號(hào)輸入輸出采集卡、數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換采集卡，其中整流卡發(fā)生PWM信號(hào)，控制四象限整流器輸出直流電壓，逆變卡發(fā)生PWM信號(hào)，控制PWM逆變器發(fā)出三相交流電(同時(shí)反饋回控制系統(tǒng))以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。TCU與主功率電路的控制關(guān)系如圖1所示。

圖1 TCU與主電路的控制關(guān)系圖

整流和逆變控制、調(diào)制算法(下位機(jī)程序)將分別在整流卡和逆變卡的DSP芯片中實(shí)現(xiàn)。考慮到整流、逆變板卡裝上結(jié)構(gòu)殼安裝到TCU機(jī)箱后，無(wú)法連接DSP程序調(diào)測(cè)用的仿真器，故為了板卡裝箱后便于在線調(diào)試DSP中的控制程序，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了DSP在線調(diào)試軟件(上位機(jī)軟件)。整流和逆變DSP程序分別負(fù)責(zé)系統(tǒng)對(duì)四象限整流器和PWM逆變器的控制，并為DSP在線調(diào)試軟件提供數(shù)據(jù)采集和通信支撐。DSP在線調(diào)試軟件運(yùn)行于PC機(jī)中，通過(guò)人機(jī)交互界面，為用戶提供DSP控制程序的關(guān)鍵指標(biāo)波形繪制和程序升級(jí)等功能。牽引傳動(dòng)控制軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

下位機(jī)程序運(yùn)行于DSP微處理器，使用C語(yǔ)言編寫(xiě)[11]。

上位機(jī)軟件使用QT、Python 3.8.0、Sqlite3技術(shù)[12]，通過(guò)RS232串口連接整流卡和逆變卡進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、在線調(diào)試和下位機(jī)程序在線升級(jí)。軟件由業(yè)務(wù)層和服務(wù)層組成，業(yè)務(wù)層為用戶提供人機(jī)交互界面，服務(wù)層為業(yè)務(wù)層提供基礎(chǔ)的后臺(tái)操作支撐。上位機(jī)軟件類圖如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件類圖

2 系統(tǒng)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 整流控制系統(tǒng)

2.1.1 整流控制算法

整流部分的控制采用瞬態(tài)直接電流控制算法，如圖4所示。控制方式為前饋控制和電壓電流雙閉環(huán)結(jié)合的復(fù)合控制策略。圖4中鎖相環(huán)采集的相角和頻率用于計(jì)算變壓器的端電壓(其中uLN=ωLNin*cosωt,uRN=RNin*)，uLN為動(dòng)車組變壓器副邊網(wǎng)側(cè)電感LN的端電壓，uRN為動(dòng)車組變壓器副邊網(wǎng)側(cè)電感RN的端電壓，其中(un-uLN-uRN)為前饋控制的擾動(dòng)信號(hào)；電流內(nèi)環(huán)采用適合正弦波諧振的PR控制，利用鎖相環(huán)求得的相角和頻率用于計(jì)算電網(wǎng)電流給定信號(hào)in*，實(shí)現(xiàn)輸出的實(shí)際網(wǎng)側(cè)電流in跟隨給定電流in*，實(shí)現(xiàn)輸入端的功率因數(shù)接近1；電壓外環(huán)采用PI算法[13]，前饋和內(nèi)外環(huán)結(jié)合計(jì)算的給定電壓為Udc*，PI算法控制流側(cè)電壓輸出udc跟隨給定電流Udc*，實(shí)現(xiàn)逆變器的輸入電壓穩(wěn)定可控[14]。

圖4 瞬態(tài)直接電流控制原理框圖

由圖4可得：

(1)

(2)

(3)

其中：Ti和Kp為調(diào)節(jié)器的參數(shù)，IL為直流側(cè)負(fù)載電流平均值，unm為網(wǎng)側(cè)電壓峰值，K為比例放大系數(shù)，ω為網(wǎng)側(cè)電壓角頻率。為了減輕直流環(huán)節(jié)電壓PI調(diào)節(jié)器的負(fù)荷，改善PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，采用直流環(huán)節(jié)電流IL來(lái)計(jì)算給定電流的有效分量inm2*，通過(guò)式(3)可獲得參考電壓信號(hào)即調(diào)制信號(hào)uab(t)。

調(diào)制算法采用雙極性SPWM調(diào)制方式[15]。當(dāng)調(diào)制波uam大于三角波ucm時(shí)，輸出1，反之為0。PWM逆變器兩組整流橋臂的調(diào)制方式一致。

2.1.2 整流控制程序設(shè)計(jì)

整流控制程序分為主控部分和算法部分。主控部分包括系統(tǒng)時(shí)鐘配置、定時(shí)器中斷配置、LED燈配置、I/O引腳配置、中斷等待和中斷處理。圖5為主控程序流程圖。

圖5 主控制程序流程圖

定時(shí)器中斷服務(wù)程序是控制程序的關(guān)鍵，控制算法被中斷服務(wù)程序調(diào)用。定時(shí)器中斷按照固定周期觸發(fā)一次，中斷觸發(fā)后讀取采樣值，執(zhí)行瞬態(tài)直接電流控制算法，即完成電網(wǎng)角度的鎖相環(huán)控制、給定電網(wǎng)電流的PI控制、調(diào)制波計(jì)算中間量Ui的PR控制以及調(diào)制波生成等。

調(diào)制波生成流程和SPWM信號(hào)生成流程分別如圖6中(a)和(b)所示。將DSP算法生成的調(diào)制波與三角波比較，生成整流器4個(gè)開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)。調(diào)制算法計(jì)算出每一中斷周期4個(gè)PWM信號(hào)，分別向4個(gè)復(fù)用為PWM功能的GPIO寫(xiě)0或1即可。

圖6 瞬態(tài)直接電流控制算法流程圖

2.2 逆變控制系統(tǒng)

2.2.1 逆變控制算法

本文采用間接磁場(chǎng)定向控制[16-17]，如圖7所示，將采集的三相電流按照轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制進(jìn)行解耦，算法即等效為類似于直流電機(jī)的控制方式，其中，控制的主要思想是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同步角頻率的積分來(lái)獲得磁場(chǎng)定向角φ。

圖7 間接磁場(chǎng)定向矢量控制原理框圖

轉(zhuǎn)差角頻率為：

(4)

利用轉(zhuǎn)速傳感器得到轉(zhuǎn)子角頻率ωr，則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同步角頻率為：ωs=ωr+ωsl，對(duì)其進(jìn)行積分運(yùn)算即可得到轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向角：

(5)

經(jīng)3/2變換和2/2變換所得的dq軸坐標(biāo)系下，求得轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型的狀態(tài)方程，如式(6)。

(6)

式中，漏磁系數(shù)σ=1-Lm/LsLr，轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)為T(mén)r=Lr/Rr。

電壓控制單元的表達(dá)式為：

(7)

其中:usd、usq為前饋電壓，與式(6)一致，△usd、△usq為PI運(yùn)算求得的反饋電壓。

根據(jù)動(dòng)車組的牽引特性曲線可知，牽引電機(jī)運(yùn)行方式為恒轉(zhuǎn)矩-恒功率。電機(jī)運(yùn)行在低頻區(qū)時(shí)，為了減小電路中的多次諧波和定子產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的磁場(chǎng)，在低頻區(qū)一般采用開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較高的異步調(diào)制方式；當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后考慮開(kāi)關(guān)頻率切換的平滑性和電路對(duì)電機(jī)的控制要求較低，電機(jī)在中高速采用同步調(diào)制模式；在高速區(qū)，考慮逆變器的母線電壓的利用率，采用方波模式[18-19]。

2.2.2 逆變控制程序設(shè)計(jì)

逆變控制系統(tǒng)的主控制程序流程和整流控制系統(tǒng)一致，此處不再贅述。

根據(jù)間接磁場(chǎng)定向矢量控制算法，繪制程序流程圖，如圖8所示。

研究證明HPV的感染是可以預(yù)防的，并且宮頸癌可能成為第一個(gè)可以用疫苗預(yù)防的癌癥。研究發(fā)現(xiàn)，HPV的L1蛋白保守度高，因此可以作為HPV的特異性抗原用來(lái)研究制造病毒預(yù)防疫苗。目前市面上的預(yù)防疫苗都是利用重組的DNA分子所表達(dá)的病毒樣顆粒(virus-like particles， VLPs)制成的疫苗。

圖8 間接磁場(chǎng)定向矢量控制算法流程圖

動(dòng)車組在低速區(qū)，采用七段式SVPWM異步調(diào)制策略，如圖9(a)所示。在恒功率階段，逆變器采用方波控制技術(shù)[20]。全速域PWM逆變器的調(diào)制過(guò)程如圖9(b)所示。

2.3 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件用于實(shí)時(shí)查看整流卡、逆變卡中牽引傳動(dòng)控制運(yùn)行狀態(tài)，其中包含人機(jī)交互界面、DSP支撐程序和二者數(shù)據(jù)通信程序。用戶通過(guò)上位機(jī)軟件針對(duì)TCU整流、逆變控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控與實(shí)時(shí)操作。

2.3.1 人機(jī)交互

用戶界面由多個(gè)窗口組成，完成多個(gè)關(guān)鍵信息界面的組合嵌套顯示。主界面由串口連接圖標(biāo)、狀態(tài)欄、工具欄和菜單欄組成，完成TCU的連接、變量波形展示、集成終端、內(nèi)存值窗口等功能。

上位機(jī)軟件的啟動(dòng)經(jīng)歷線纜連接、啟動(dòng)軟件、載入配置文件、初始化界面元素4個(gè)過(guò)程，如圖10所示。

圖10 上位機(jī)軟件啟動(dòng)的UML活動(dòng)圖

在上位機(jī)軟件上觀測(cè)的每一個(gè)物理量(如中間環(huán)節(jié)直流電壓)都對(duì)應(yīng)一個(gè)TCU DSP程序中的重要變量。數(shù)據(jù)庫(kù)為上位機(jī)軟件提供可隨時(shí)更新的離線變量名信息集，上位機(jī)的變量查詢以及變量設(shè)置均需依賴于數(shù)據(jù)庫(kù)信息。變量信息表設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 變量信息表

變量信息與分組信息通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)主/外鍵進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在進(jìn)行遠(yuǎn)程變量數(shù)據(jù)操作時(shí)“分組名+變量名”構(gòu)成一個(gè)合法的變量標(biāo)識(shí)，分組信息表設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 分組信息表

TCU程序升級(jí)包分為兩種類型：系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序。升級(jí)包文件頭部的8個(gè)字節(jié)包含文件類型、文件版本、燒寫(xiě)地址。剩余部分均為待寫(xiě)入Flash的目標(biāo)程序。

DSP支撐程序分為驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。驅(qū)動(dòng)程序包含SCI、EMIF、Timer、LED、FLASH、I2C、EEPROM配置功能。應(yīng)用程序包含獲取算法程序版本號(hào)、上位機(jī)版本號(hào)、變量信息、板卡類別、內(nèi)存值等功能，設(shè)置變量值、內(nèi)存值、升級(jí)程序，以及控制外設(shè)等。

2.3.3 上、下位機(jī)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為保證數(shù)據(jù)的有效傳輸，本文在RS232鏈路層協(xié)議之上另設(shè)計(jì)一層傳輸層協(xié)議，保證命令幀和文件幀能夠可靠傳輸，如表3所示。

表3 傳輸層協(xié)議幀格式

傳輸層支持兩種格式的協(xié)議幀，分別是命令幀和文件幀。對(duì)于命令幀，數(shù)據(jù)部分包含了命令字和參數(shù)信息；對(duì)于文件幀，數(shù)據(jù)部分第一個(gè)字節(jié)為文件傳輸請(qǐng)求的命令字，剩余字節(jié)為文件流數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)幀遵循交互式的“請(qǐng)求-響應(yīng)”模式。命令幀遵循一次性“請(qǐng)求-響應(yīng)”，分別如圖11(a)(b)所示。

圖11 命令幀和文件幀傳輸

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)

牽引傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)包含牽引控制單元實(shí)物、dSPACE仿真器、接口箱、上位機(jī)PC(安裝有TCU整流卡和逆變卡的上位機(jī)軟件)、工控機(jī)等設(shè)備。系統(tǒng)如圖12所示。

圖12 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)架構(gòu)

從dSPACE仿真軟件中可以看到，經(jīng)過(guò)整流(鎖相環(huán))控制后，網(wǎng)側(cè)電流與網(wǎng)側(cè)電壓的頻率相同、相位相同，如圖13(a)所示。中間直流環(huán)節(jié)輸出的直流電壓跟隨給定電壓2 700 V上下波動(dòng)，如圖13(b)所示。當(dāng)牽引工況車速達(dá)到320 km/h時(shí)，逆變器輸出的電流為互差120度的三相交流電，如圖13(c)所示。電機(jī)輸出的三相相電壓為0、±Ud、±Ud/3、±2Ud/3，如圖13(d)所示。牽引特性曲線如圖13(e)所示。

圖13 牽引工況下，關(guān)鍵指標(biāo)波形圖

3.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)主界面里的變量列表窗口列出了所有可以查詢的變量名稱和分組名稱，變量波形窗口繪制了變量實(shí)時(shí)值的波形圖，命令窗口顯示了本軟件支持的命令，如查詢變量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等，內(nèi)存值窗口顯示了DSP CPU內(nèi)存相應(yīng)地址中的實(shí)時(shí)內(nèi)存數(shù)據(jù)。

使用串口線連接PC與TCU整流和逆變卡后，可以使用服務(wù)監(jiān)控軟件完成DSP控制程序的在線升級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中基于牽引控制單元DSP微處理器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一整套包含整流和逆變的控制、調(diào)制程序，以及配套在線調(diào)試上位機(jī)軟件的牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)，其在dSPACE半實(shí)物仿真平臺(tái)上成功驅(qū)動(dòng)列車從0平穩(wěn)提速并穩(wěn)定至320 km/h。實(shí)驗(yàn)證明，此牽引傳動(dòng)控制程序和配套上位機(jī)軟件，具有良好的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、易用性，下一步將在此基礎(chǔ)上完成整流、逆變控制算法以及上位機(jī)軟件的優(yōu)化工作。