永磁同步牵引传动系统控制系统及方法技术方案

本发明专利技术提出一种永磁同步牵引传动系统控制方法。控制系统包括采样单元和控制器；采样单元采集永磁同步电机运行励磁电流和运行转矩电流、支撑电容电压及转子频率的旋转变压器；控制器获取对牵引传动系统下达的目标转矩指令，计算目标励磁电流值和目标转矩电流值，生成励磁电流调节值和转矩电流调节值；转矩调节单元用于根据目标转矩电流值和运行转矩电流值生成转矩电流调节值，并根据调节单元输出的励磁电流调节值和转矩电流调节值生成目标调制比与调制频率，最终输出对永磁同步电机的PWM调制波控制信号。本发明专利技术提供的控制方法，采用新型SVPWM脉冲控制方法，来进一步降低开关频率，提高系统效率，并实现在较低开关频率系统中的稳定运行。

Control system and method of permanent magnet synchronous traction drive system

The invention provides a permanent magnet synchronous traction transmission system control method. The control system includes sampling unit and controller; sampling unit collects the operating excitation current and the operating torque current of permanent magnet synchronous motor, the supporting capacitance voltage and the rotor frequency of the resolver; the controller obtains the target torque instructions issued to the traction drive system, calculates the target excitation current value and the target torque current value. The excitation current regulation value and the torque current regulation value are generated; the torque regulation unit is used to generate the torque current regulation value according to the target torque current value and the operating torque current value, and the target modulation ratio and the modulation frequency are generated according to the excitation current regulation value and the torque current regulation value output by the regulating unit, and the final output is the same to the permanent magnet. The PWM modulation wave control signal of step motor. The control method provided by the invention adopts a novel SVPWM pulse control method to further reduce the switching frequency, improve the system efficiency and achieve stable operation in a low switching frequency system.

【技术实现步骤摘要】
永磁同步牵引传动系统控制系统及方法
本专利技术涉及牵引传动控制领域，尤其涉及一种适用于永磁同步牵引传动系统的控制系统和控制方法。
技术介绍
牵引传动系统是列车的动力系统，由变流器和电机两大部分组成，电机完成电能到机械能的转变，带动列车行驶。永磁同步牵引传动系统采用的为永磁同步电机，永磁同步电机较异步电机相比，具有功率因数高、发热小、噪声小、可靠性高等特点。城轨永磁同步电机在轨道交通牵引传动系统中的应用尚处于起步阶段。永磁牵引传动系统的控制中存在大量技术问题需要进一步研究。在牵引电机与牵引变流器控制方面，虽与异步牵引传动系统控制有相通之处，但也存在许多永磁电机特有的实际问题。目前现有的城轨永磁同步电机控制算法，其多采用异步SVPWM运行，其在高转速情况下，为满足输出电流谐波要求，其IGBT开关频率大大增加，输出损耗提高，同时为满足散热要求造成硬件成本增加。由于永磁牵引电机是永磁体励磁，弱磁范围较窄，弱磁难度较大。较好的弱磁控制技术可在逆变器容量不变的情况下大幅提高系统性能。目前众多弱磁方案，其算法复杂，同时弱磁效率低，效果差。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中，永磁同步电机控制存在的算法复杂、控制精度低等问题，提出一种新型的永磁同步牵引传动系统的控制系统和方法，采用该系统和方法，在满足输出电流要求的前提下，可降低变流器的开关损耗，提高弱磁的控制精度。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种永磁同步牵引传动系统控制系统，包括：一种永磁同步牵引传动系统控制系统，用于永磁同步牵引传动系统的控制，所述永磁同步牵引传动系统包括牵引变流器及永磁同步电机，牵引变流器的输出端经三相可控接触器与永磁同步电机连接，所述控制系统包括采样单元和控制器；所述采样单元与永磁同步电机连接，包括用于采集永磁同步电机运行励磁电流和运行转矩电流的电流传感器、用于采集永磁同步电机支撑电容电压的电压传感器、用于采集永磁同步电机转子初始位置及转子频率的旋转变压器；所述控制器包括：指令获取单元：用于获取对牵引传动系统下达的目标转矩指令；MTPA计算单元：用于根据目标转矩指令，计算目标励磁电流值和目标转矩电流值；调节单元：包括励磁调节单元和转矩调节单元，所述励磁调节单元用于根据目标励磁电流值和运行励磁电流值生成励磁电流调节值；所述转矩调节单元用于根据目标转矩电流值和运行转矩电流值生成转矩电流调节值；解耦控制单元：用于根据调节单元输出的励磁电流调节值和转矩电流调节值生成目标调制比与调制频率；分段同步调制单元：根据解耦控制单元生成的目标调制比和调制频率，输出对永磁同步电机的PWM调制波控制信号。优选的是，控制器进一步包括电流精确计算单元：用于将目标励磁电流值和目标转矩电流值换算为精确值励磁电流值和精确转矩电流值；所述励磁调节单元根据精确值励磁电流值调节生成励磁电流调节值；所述转矩调节单元根据精确转矩电流值调节生成转矩电流调节值。优选的是，所述控制器进一步包括弱磁补偿单元：用于生成目标励磁电流值和目标转矩电流值的补偿信号以对二者进行补偿。优选的是，控制器进一步包括电压前馈单元：获取电流精确计算单元的输出数据，并生成目标转矩补偿数据。本专利技术还提供了一种永磁同步牵引传动系统控制方法，包括以下步骤：将牵引传动系统的目标转矩指令转化为目标励磁电流值和目标转矩电流值；将目标励磁电流值和目标转矩电流值进行调节计算；将目标励磁电流值和目标转矩电流值进行解耦，根据目标励磁电流值生成目标调制比，根据目标转矩电流值生成调制频率；将目标调制比和调制频率用于永磁同步牵引电机的控制。优选的是，将牵引传动系统的目标转矩指令转化为永磁同步电机的目标励磁电流值和目标转矩电流值的方法为：根据：将以上两式联立，求解目标励磁电流值和目标转矩电流值；其中Te为目标转矩，Lq为q轴等效电感，Ld为d轴等效电感，iq为目标转矩电流值，id为目标励磁电流值，is为目标相电流，ψf为电机磁链，Pn为电机极对数，φ为电机电压电流角度差。优选的是，进一步包括以下步骤：根据目标调制比折算支撑电容电压，与采样获得的支撑电容电压进行比较后，调节生成转矩电流补偿量iq_crr和励磁电流补偿量id_crr，分别与目标励磁电流值和目标转矩电流值合成后，用于后续计算。优选的是，进一步包括以下步骤：对目标励磁电流值和目标转矩电流值进行精确计算，以获得电机励磁电流精确值idtarget和转矩电流精确值iqtarget：idtarget＝id+id_ccr(4)将获得的电机励磁电流精确值idtarget和转矩电流精确值iqtarget用于调节计算。优选的是，进一步包括以下步骤，采用电机励磁电流精确值idtarget和转矩电流精确值iqtarget计算电压补偿值，用于目标调制比的补偿计算：其中Rs为转子电阻，ωr为角速度,Ud为d轴控制电压分量，Uq为q轴控制电压分量。优选的是，生成目标调制比M的方法为：其中，Fc为支撑电容电压，PID.Idout为励磁电流调节输出值；生成调制频率Fs_out的方法为：Fs_out＝(1+PID.Iqout)*Fs(8)其中，PID.Iqout为转矩电流调节输出值，Fs为转子频率。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：(1)本专利技术提供的永磁同步牵引传动系统的控制方法，通过对永磁同步电机输出特性及反电动势的进一步研究，采用新型SVPWM脉冲控制方法，来进一步降低开关频率，提高系统效率，并实现在较低开关频率系统中的稳定运行。(2)本专利技术在控制算法中提出了一种新型的弱磁控制算法，通过拟合输出电压，并与输入电压进行比较，使系统在弱磁区域稳定运行同时提高弱磁效率。(3)本专利技术提出了电流精确计算方法，通过精确电流单元及弱磁单元配合，可以实现精确弱磁，并在逆变器容量不变的情况系下，提高系统性能。附图说明图1为永磁同步牵引传动系统结构示意图；图2为本专利技术牵引传动该控制系统结构示意图；图3为本专利技术弱磁控制原理图；图4为本专利技术解耦补偿控制原理图；图5为异步SVPWM调制原理图；图6为本专利技术11分配同步SVPWM开关角分布图。具体实施方式以下，结合附图对本专利技术的具体实施方式进行进一步的描述。本专利技术提供了一种永磁同步牵引传动系统的控制系统，可以用于采用永磁同步电机作为动力的列车牵引系统。永磁同步牵引传动系统的主拓扑结构如图1所示，包括牵引变流器及永磁同步电机(PMSM)，牵引变流器内部电路包括IGBT变流模块、斩波模块和预充电模块，牵引变流器的输出端经三相可控接触器与永磁同步电机连接，控制系统包括采样单元和控制器。其结构参考图2。采样单元与永磁同步电机连接，包括用于采集永磁同步电机运行励磁电流iq_fed和运行转矩电流id_fed的电流传感器、用于采集永磁同步电机支撑电容电压Fc的电压传感器、用于采集永磁同步电机转子初始位置Theta及转子频率Fs的旋转变压器；采样单元采集的以上数据将被传递至控制器。所述电流传感器、电压传感器及旋转变压器均与控制器连接，控制器包括：指令获取单元：用于获取对牵引传动系统下达的目标转矩指令；目标转矩指令是对整个牵引传动系统的运行指令，控制系统的控制目标是使牵引传动系统可按目标转矩指令稳定运行；MTPA计算单元：用于根据目标转矩指令，计算目标励磁电流值和目标转矩电流值；MTPA计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步牵引传动系统控制系统，用于永磁同步牵引传动系统的控制，其特征在于，所述控制系统包括采样单元和控制器；所述采样单元与永磁同步电机连接，包括用于采集永磁同步电机运行励磁电流和运行转矩电流的电流传感器、用于采集永磁同步电机支撑电容电压的电压传感器、用于采集永磁同步电机转子初始位置及转子频率的旋转变压器；所述控制器包括：指令获取单元：用于获取对牵引传动系统下达的目标转矩指令；MTPA计算单元：用于根据目标转矩指令，计算目标励磁电流值和目标转矩电流值；调节单元：包括励磁调节单元和转矩调节单元，所述励磁调节单元用于根据目标励磁电流值和运行励磁电流值生成励磁电流调节值；所述转矩调节单元用于根据目标转矩电流值和运行转矩电流值生成转矩电流调节值；解耦控制单元：用于根据调节单元输出的励磁电流调节值和转矩电流调节值生成目标调制比与调制频率；分段同步调制单元：根据解耦控制单元生成的目标调制比和调制频率，输出对永磁同步电机的PWM调制波控制信号。

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步牵引传动系统控制系统，用于永磁同步牵引传动系统的控制，其特征在于，所述控制系统包括采样单元和控制器；所述采样单元与永磁同步电机连接，包括用于采集永磁同步电机运行励磁电流和运行转矩电流的电流传感器、用于采集永磁同步电机支撑电容电压的电压传感器、用于采集永磁同步电机转子初始位置及转子频率的旋转变压器；所述控制器包括：指令获取单元：用于获取对牵引传动系统下达的目标转矩指令；MTPA计算单元：用于根据目标转矩指令，计算目标励磁电流值和目标转矩电流值；调节单元：包括励磁调节单元和转矩调节单元，所述励磁调节单元用于根据目标励磁电流值和运行励磁电流值生成励磁电流调节值；所述转矩调节单元用于根据目标转矩电流值和运行转矩电流值生成转矩电流调节值；解耦控制单元：用于根据调节单元输出的励磁电流调节值和转矩电流调节值生成目标调制比与调制频率；分段同步调制单元：根据解耦控制单元生成的目标调制比和调制频率，输出对永磁同步电机的PWM调制波控制信号。2.如权利要求1所述的永磁同步牵引传动系统控制系统，其特征在于：所述控制器进一步包括弱磁补偿单元：用于生成目标励磁电流值和目标转矩电流值的补偿信号以对二者进行补偿。3.如权利要求1或2所述的永磁同步牵引传动系统控制系统，其特征在于：所述控制器进一步包括电流精确计算单元：用于将目标励磁电流值和目标转矩电流值换算为精确值励磁电流值和精确转矩电流值；所述励磁调节单元根据精确值励磁电流值调节生成励磁电流调节值；所述转矩调节单元根据精确转矩电流值调节生成转矩电流调节值。4.如权利要求3所述的永磁同步牵引传动系统控制系统，其特征在于：所述控制器进一步包括电压前馈单元：获取电流精确计算单元的输出数据，并生成目标转矩补偿数据。5.一种永磁同步牵引传动系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：将牵引传动系统的目标转矩指令转化为目标励磁电流值和目标转矩电流值；将目标励磁电流值和目标转矩电流值进行调节计算；将目标励磁电流值和目标转矩电流值进行解耦，根据目...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕京斌，曹虎，曾凡飞，夏猛，
申请(专利权)人：中车青岛四方车辆研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37