高速列车牵引电机直接转矩控制仿真与分析❋

徐子峻，邬平波，崔利通

（西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

0 引言

直接转矩控制法是上个世纪中期在矢量控制的基础上发展起来的新型控制方法［1－2］。把转矩直接作为被控量进行控制，省掉了复杂的矢量变换运算，其控制结构简单，控制手段直接，是一种具有较高动态响应的交流调速技术［3］。在直接转矩控制中有两种磁链控制方式，即六边形磁链和圆形磁链。六边形磁链控制结构简单，逆变器开关频率小，但是电流、磁链脉动较大。圆形磁链控制磁链脉动量较小，但是开关频率相对较大。本文根据高速列车牵引电机的工作特点，结合了这两种控制方式的优点，同时考虑了低速时定子电阻压降的影响，建立了适用于高速列车牵引传动系统的直接转矩控制模型。

1 圆形磁链控制

对于定子磁链位置的判断，传统的方法是将磁链分成6个扇区。这种传统方法是建立在忽略定子电阻压降影响的基础上的，认为转矩的变化由转矩角度来决定，并不受定子磁链幅值影响。但是如果考虑电阻压降的影响，空间电压矢量选择表在某些情况下是不准确的，因此为了改善传统六扇区控制的不利影响，本文采用十二扇区细分的方法［4］。这种方法是在传统磁链六扇区的基础上将磁链再度细分，分为十二个扇区，如图1所示。

当θ在－15°～15°区间内，当前定子磁链处于第一扇区θ（1），若此时需要同时增加转矩和磁链时，矢量选择单元选择电压矢量U2（110）；当定子磁链处于第二扇区θ（2）时，若此时需要增加转矩并减小磁链时，矢量选择单元选择电压矢量U1（100）；当定子磁链处于第三扇区θ（3）时，若此时需要减小转矩并增加磁链时，矢量选择单元选择电压矢量U4（100），以此类推［5］。

图1 磁链十二分区

2 六边形磁链轨迹控制

六边形磁链控制系统在1/6周期中只采用一种开关状态，不需要实时计算磁链矢量的相角和幅值，只需要将定子静止坐标系（αβ）下的磁链分量Ψsα和Ψsβ投影到三相坐标系（β）的βa，βb，βc轴上，得到三相定子磁链分量Ψβa，Ψβb，Ψβc，再通过滞环比较器得到3个磁链开关信号SΨa，SΨb，SΨc，由磁链开关信号可以很方便地得到逆变器开关信号Sa，Sb，Sc。另一方面，根据测得的定子电压us和定子电流is，通过电磁转矩计算得到实际电磁转矩Te，将Te与给定电磁转矩T＊e比较之后经过转矩滞环比较器得到转矩开关信号TQ，由TQ控制逆变器开关信号的输入，进而控制异步牵引电机。

3 恒转矩区段全速度控制策略

综合圆形磁链控制和六边形磁链控制的优点，在低速范围内，即15%基速以下，采用圆形磁链控制；在高速范围内，即15%基速以上，采用六边形磁链控制。磁链控制方式以15%基速为切换点，切换通过编写的S函数来实现。根据直接转矩控制理论，建立MATLAB/Simulink仿真模型。

4 全速度控制系统仿真与分析

本文参考的某动车组编组方式为四动四拖。通过MATLAB/Simulink仿真，得到的结果如图2～图5所示。

图2 电机转速n

图3 定子磁链轨迹

图4 定子磁链Ψs

结合图2、图3和图4可以看出：在全速范围内，定子磁链轨迹呈圆形和六边形混合图形；在低速范围内，磁链轨迹为圆形；在高速范围内，磁链轨迹为六边形；当牵引电机处于圆形磁链控制时，定子磁链的波动明显小于六边形控制。

在列车起动初始，起动阻力要大于列车运行阻力。从图5中可以看出列车起动时电机负载转矩约为290 Nm，并随列车速度的增加而减小；在0.015s，此时列车阻力为列车运行阻力，并随着列车速度的增加而增加。结合图2可以看出，在电机负载转矩变化的同时，转速平稳过渡，并没有出现大的波动，说明建立的系统动静态性能响应良好。

为了对比传统圆形磁链控制和十二扇区细分圆形磁链控制，单独建立了两种圆形磁链控制模型。牵引电机基本参数不变，初始给定电机转速为40rad/s，0.3s给定电机转速为80rad/s，0.6s给定电机转速为30rad/s；电机负载转矩初始给定值为0Nm，0.6s负载转矩为400Nm。仿真结果如图6、图7所示。

图5 电机负载转矩Tl

图6 两种圆形磁链控制下的磁链轨迹

图7 两种圆形磁链控制下的电机电磁转矩Te

对比图6（a）和图6（b）可以看出：在列车低速范围内，传统磁链控制会出现微小的磁链畸变；而采用十二扇区细分法得到的磁链轨迹能够更快地达到圆形。对比图7（a）和图7（b）可以看出：传统磁链控制电机电磁转矩在±30Nm范围内，而采用十二扇区细分法，电机电磁转矩在±25Nm左右，这表明十二扇区细分法能够有效地减小转矩脉动。

5 结论

根据直接转矩控制理论，基于某动车组参数，建立恒转矩区段全速度控制模型，仿真结果表明：

（1）在考虑列车运行阻力和起动阻力的条件下，根据给定的参数，仿真得到的电机电磁转矩和定子电流没有产生大的波动，控制方式的切换比较平稳，定子磁链比较完整，没有产生畸变，系统具有良好的动静态响应性能。

（2）相对于传统圆形磁链控制，采用十二扇区细分的方法能够降低定子电阻压降的影响，有效地减小磁链畸变和转矩脉动，可用于异步牵引电机直接转矩控制的深入研究。

［1］Depenbrock M. Direct self control of inverter－fed induction machines［J］.IEEE Trans Power Electron，1988（3）：420－429.

［2］冯晓云.交流传动及其控制系统［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［3］李华德.交流调速控制系统［M］.北京：电子工业出版社，2003.

［4］王英，常慧娟.异步电动机直接转矩控制磁链区间细分方法［J］.大连交通大学学报，2011，32（4）：83－86.

［5］李正熙，杨立永.交直流调速系统［M］.北京：电子工业出版社，2013.