基于模型的牵引变流器四象限控制研究

于晓蔓　赵辉　姚大顺

摘  要】自动代码生成技术目前多用于汽车电子领域，对轨道交通领域涉足尚浅。对基于模型的设计技术进行分析后，提出将基于模型的开发方式应用于电力机车牵引控制软件的开发过程中，通过MATLAB平台实现基于模型的牵引控制逻辑与算法开发。结果表明采用基于模型的设计方法进行牵引变流器四象限控制软件设计具有可行性、高效性、经济性。

【关键词】基于模型的设计;四象限控制;电压电流双环控制

1、研究背景

在轨道交通行业，随着电力机车的发展与应用，电力牵引控制成为了轨道交通的核心技术之一。电力机车控制电路主要可分为四象限整流器和逆变器两大部分。与三相整流器相比，四象限整流器的应用领域窄，但在电力机车交流传动、单相 UPS 电源、变频器等特定领域处于核心地位，因此对四象限变流器的研究具有重要的工程意义和经济意义[1-4]。四象限变流器控制方式主要分为传统控制和现代数字控制。本文采用的直接电流控制技术，是现在应用最广泛的电压电流双闭环控制[5，6]。

2、基于模型的四象限控制基本原理

2.1 基于模型的软件开发流程

基于模型的软件开发方式主要依托于自动代码自动生成技术，自动代码生成技术可以使软件开发人员从繁琐代码编写任务中脱离，从而将自身的精力放到软件设计中。基于模型的软件开发流程包括需求的获取、模型设计、模型测试、自动代码生成、集成等。

2.2 四象限控制原理

本文采用的直接电流控制技术，是现在应用最广泛的电压电流双闭环控制。

2.2.1 电压控制

电压环控制器的作用是保持四象限变流器的直流母线电压稳定，对负载突变等外部扰动保持良好的动态稳态性能。给定电压指令和母线电压反馈相减得到电压指令偏差输入，经过 PI 控制器计算得到电流环输入指令值。

2.2.2 电流环控制

交流信号控制采用比例谐振PR控制器。工程上，引入一种改进的PR控制器，其传递函数为

为截至频率，越大，PR控制器的带宽越大。

2.2.3 锁相环控制

锁相环的作用为跟踪网压的相位，产生控制结构框图中所需的“”和“”两种信号。锁相环的基本结构主要分为鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、振荡器（VCO）三部分。

3、模型设计

根据MATLAB建模工具的特点，选用Simulink开发算法模型。四象限变流器控制的算法模型主要是保证直流侧的电压输出指標。算法模型主要包括电流控制模块、电压控制模块、锁相控制模块三部分。

4、结论

基于模型的牵引变流器四象限控制技术采用目标代码自动生成的方法，大大加快了四象限控制逻辑和算法的开发进程，展现了基于模型的设计方法在轨道交通行业应用的光明前景。

参考文献：

[1]刘友梅. 论电力牵引轨道交通的技术发展. 中国工程科学，2000，2（10）：51-55.

[2]张大勇. 我国机车电传动技术的发展. 机车电传动，2007，196（03）：1-4.

[3]刘友梅. 我国电力机车四十年技术发展综述. 机车电传动，1998，5（Z1）：18-22.

[4]王森. 电力牵引传动与控制技术的现状与发展. 电子技术与软件工程，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.

作者简介：

于晓蔓，1993.04-，女，硕士学位，中车大连电力牵引研发中心有限公司工程师，研究方向为电力电子仿真、基于模型的牵引控制系统设计研究。