動車組牽引控制單元DSP程序設計與實現

王 麗,孫 華,陳 敬,張 東

(西安翔迅科技有限責任公司，西安 710068)

0 引言

鐵路運輸在我國交通運輸領域中一直扮演著舉足輕重的角色，根據中長期鐵路網規劃，到2020年全國鐵路營業里程將達到12萬公里以上，其中客運專線1.6萬公里以上[1]。2019年鐵道統計公報顯示，全國鐵路營業里程達到13.9萬公里，其中，高速鐵路營業里程達到3.5萬公里；全國鐵路機車擁有量為2.2萬臺，其中電力機車1.37萬臺[2]。但是，我國高鐵事業飛速發展的腳步仍然不能滿足人民日益增長的美好生活需要。

近年來，隨著國內動車組的不斷發展與全面建設，我國對動車組的性能要求逐漸提升，牽引傳動系統作為動車組的動力核心部件[3]，其功能的可靠性和高效性至關重要。牽引傳動系統對機車運行的控制、監測和保護等功能還需進一步的深入研究與優化。因此，關于動車組牽引傳動系統的運行機制、監測功能、保護功能，文中做更進一步的研究。

針對牽引傳動系統，我國學者開展了眾多研究與實踐工作。崔恒斌等人基于Matlab/Simulink建立了牽引傳動系統離散數學模型，并使用dSPACE實時仿真器[4-5]搭建了牽引傳動系統實時仿真平臺，最終通過測試牽引控制單元的車載程序，驗證了該平臺的有效性和正確性[6]。高吉磊等設計了基于連續功能圖的軟件開發平臺TKDET，并用于動車組牽引傳動系統中CPU板卡軟件的開發和調試[7]。顧春杰等采用RT-LAB實時仿真器，并與GE公司CT11系統為開發平臺的控制器，以及列車通信網絡組成硬件在環的實時仿真系統[8]。江程研究了動車組牽引傳動系統參數的設計方法，并使用Matlab/Simulink搭建了牽引傳動系統的仿真模型，完成對動車組參數的仿真驗算[9]。王琛琛等針對大功率電機應用場合中逆變器開關頻率低的問題，提出了適用低開關頻率的SHEPWM和SVPWM控制策略，具體分析了各個調制策略的優缺點并對其進行了驗證[10]。

結合我國學者已有的研究成果，文中針對大功率牽引傳動系統設計了控制算法和調制策略，以及可在線調測控制算法的上位機軟件，最后在Matlab/Simlink和dSPACE仿真器搭建的動車組牽引傳動系統實時仿真平臺驗證了控制策略、程序設計的可用性、正確性和實時性。

1 系統結構及軟件總體設計

動車組牽引傳動系統采用交流電動機驅動輪對。動車組的受電弓先從接觸網獲得25 kV的單相交流電，經變壓器降壓后，再由兩個相同結構的四象限整流器變換為電壓可調的直流電，直流電通過逆變器和相對應的控制模塊將直流電轉換為可驅動電機的頻率可調的三相交流電，最終電動機的傳動軸通過減速齒輪組傳遞給輪對，從而帶動列車運行。

TCU是交流傳動系統中的控制單元，其中包含CPU卡、整流卡、逆變卡、數字信號輸入輸出采集卡、數模信號轉換采集卡，其中整流卡發生PWM信號，控制四象限整流器輸出直流電壓，逆變卡發生PWM信號，控制PWM逆變器發出三相交流電(同時反饋回控制系統)以驅動電機轉動。TCU與主功率電路的控制關系如圖1所示。

圖1 TCU與主電路的控制關系圖

整流和逆變控制、調制算法(下位機程序)將分別在整流卡和逆變卡的DSP芯片中實現?？紤]到整流、逆變板卡裝上結構殼安裝到TCU機箱后，無法連接DSP程序調測用的仿真器，故為了板卡裝箱后便于在線調試DSP中的控制程序，設計和開發了DSP在線調試軟件(上位機軟件)。整流和逆變DSP程序分別負責系統對四象限整流器和PWM逆變器的控制，并為DSP在線調試軟件提供數據采集和通信支撐。DSP在線調試軟件運行于PC機中，通過人機交互界面，為用戶提供DSP控制程序的關鍵指標波形繪制和程序升級等功能。牽引傳動控制軟件架構如圖2所示。

圖2 牽引傳動控制系統架構圖

下位機程序運行于DSP微處理器，使用C語言編寫[11]。

上位機軟件使用QT、Python 3.8.0、Sqlite3技術[12]，通過RS232串口連接整流卡和逆變卡進行狀態監控、在線調試和下位機程序在線升級。軟件由業務層和服務層組成，業務層為用戶提供人機交互界面，服務層為業務層提供基礎的后臺操作支撐。上位機軟件類圖如圖3所示。

圖3 上位機軟件類圖

2 系統軟件詳細設計

2.1 整流控制系統

2.1.1 整流控制算法

整流部分的控制采用瞬態直接電流控制算法，如圖4所示?？刂品绞綖榍梆伩刂坪碗妷弘娏麟p閉環結合的復合控制策略。圖4中鎖相環采集的相角和頻率用于計算變壓器的端電壓(其中uLN=ωLNin*cosωt,uRN=RNin*)，uLN為動車組變壓器副邊網側電感LN的端電壓，uRN為動車組變壓器副邊網側電感RN的端電壓，其中(un-uLN-uRN)為前饋控制的擾動信號；電流內環采用適合正弦波諧振的PR控制，利用鎖相環求得的相角和頻率用于計算電網電流給定信號in*，實現輸出的實際網側電流in跟隨給定電流in*，實現輸入端的功率因數接近1；電壓外環采用PI算法[13]，前饋和內外環結合計算的給定電壓為Udc*，PI算法控制流側電壓輸出udc跟隨給定電流Udc*，實現逆變器的輸入電壓穩定可控[14]。

圖4 瞬態直接電流控制原理框圖

由圖4可得：

(1)

(2)

(3)

其中：Ti和Kp為調節器的參數，IL為直流側負載電流平均值，unm為網側電壓峰值，K為比例放大系數，ω為網側電壓角頻率。為了減輕直流環節電壓PI調節器的負荷，改善PI調節器的動態響應，采用直流環節電流IL來計算給定電流的有效分量inm2*，通過式(3)可獲得參考電壓信號即調制信號uab(t)。

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

2.1.2 整流控制程序設計

整流控制程序分為主控部分和算法部分。主控部分包括系統時鐘配置、定時器中斷配置、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

定時器中斷服務程序是控制程序的關鍵，控制算法被中斷服務程序調用。定時器中斷按照固定周期觸發一次，中斷觸發后讀取采樣值，執行瞬態直接電流控制算法，即完成電網角度的鎖相環控制、給定電網電流的PI控制、調制波計算中間量Ui的PR控制以及調制波生成等。

調制波生成流程和SPWM信號生成流程分別如圖6中(a)和(b)所示。將DSP算法生成的調制波與三角波比較，生成整流器4個開關的PWM信號。調制算法計算出每一中斷周期4個PWM信號，分別向4個復用為PWM功能的GPIO寫0或1即可。

圖6 瞬態直接電流控制算法流程圖

2.2 逆變控制系統

2.2.1 逆變控制算法

本文采用間接磁場定向控制[16-17]，如圖7所示，將采集的三相電流按照轉矩和磁鏈的控制進行解耦，算法即等效為類似于直流電機的控制方式，其中，控制的主要思想是通過對轉子磁場同步角頻率的積分來獲得磁場定向角φ。

圖7 間接磁場定向矢量控制原理框圖

轉差角頻率為：

(4)

利用轉速傳感器得到轉子角頻率ωr，則轉子磁場同步角頻率為：ωs=ωr+ωsl，對其進行積分運算即可得到轉子磁場定向角：

(5)

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

(6)

式中，漏磁系數σ=1-Lm/LsLr，轉子電磁時間常數為Tr=Lr/Rr。

電壓控制單元的表達式為：

(7)

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

根據動車組的牽引特性曲線可知，牽引電機運行方式為恒轉矩-恒功率。電機運行在低頻區時，為了減小電路中的多次諧波和定子產生穩定均勻的磁場，在低頻區一般采用開關頻率相對較高的異步調制方式；當電機啟動后考慮開關頻率切換的平滑性和電路對電機的控制要求較低，電機在中高速采用同步調制模式；在高速區，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 逆變控制程序設計

逆變控制系統的主控制程序流程和整流控制系統一致，此處不再贅述。

根據間接磁場定向矢量控制算法，繪制程序流程圖，如圖8所示。

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

圖8 間接磁場定向矢量控制算法流程圖

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

2.3 上位機軟件

上位機軟件用于實時查看整流卡、逆變卡中牽引傳動控制運行狀態，其中包含人機交互界面、DSP支撐程序和二者數據通信程序。用戶通過上位機軟件針對TCU整流、逆變控制系統進行數據監控與實時操作。

2.3.1 人機交互

用戶界面由多個窗口組成，完成多個關鍵信息界面的組合嵌套顯示。主界面由串口連接圖標、狀態欄、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、內存值窗口等功能。

上位機軟件的啟動經歷線纜連接、啟動軟件、載入配置文件、初始化界面元素4個過程，如圖10所示。

圖10 上位機軟件啟動的UML活動圖

在上位機軟件上觀測的每一個物理量(如中間環節直流電壓)都對應一個TCU DSP程序中的重要變量。數據庫為上位機軟件提供可隨時更新的離線變量名信息集，上位機的變量查詢以及變量設置均需依賴于數據庫信息。變量信息表設計如表1所示。

表1 變量信息表

變量信息與分組信息通過數據庫主/外鍵進行關聯，在進行遠程變量數據操作時“分組名+變量名”構成一個合法的變量標識，分組信息表設計如表2所示。

表2 分組信息表

TCU程序升級包分為兩種類型：系統程序和應用程序。升級包文件頭部的8個字節包含文件類型、文件版本、燒寫地址。剩余部分均為待寫入Flash的目標程序。

DSP支撐程序分為驅動程序和應用程序。驅動程序包含SCI、EMIF、Timer、LED、FLASH、I2C、EEPROM配置功能。應用程序包含獲取算法程序版本號、上位機版本號、變量信息、板卡類別、內存值等功能，設置變量值、內存值、升級程序，以及控制外設等。

2.3.3 上、下位機通信協議設計

為保證數據的有效傳輸，本文在RS232鏈路層協議之上另設計一層傳輸層協議，保證命令幀和文件幀能夠可靠傳輸，如表3所示。

表3 傳輸層協議幀格式

傳輸層支持兩種格式的協議幀，分別是命令幀和文件幀。對于命令幀，數據部分包含了命令字和參數信息；對于文件幀，數據部分第一個字節為文件傳輸請求的命令字，剩余字節為文件流數據。

數據幀遵循交互式的“請求-響應”模式。命令幀遵循一次性“請求-響應”，分別如圖11(a)(b)所示。

圖11 命令幀和文件幀傳輸

3 實驗結果與分析

3.1 牽引傳動控制系統

牽引傳動系統實時仿真平臺包含牽引控制單元實物、dSPACE仿真器、接口箱、上位機PC(安裝有TCU整流卡和逆變卡的上位機軟件)、工控機等設備。系統如圖12所示。

圖12 牽引傳動系統半實物仿真平臺架構

從dSPACE仿真軟件中可以看到，經過整流(鎖相環)控制后，網側電流與網側電壓的頻率相同、相位相同，如圖13(a)所示。中間直流環節輸出的直流電壓跟隨給定電壓2 700 V上下波動，如圖13(b)所示。當牽引工況車速達到320 km/h時，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，關鍵指標波形圖

3.2 上位機軟件

上位機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時值的波形圖，命令窗口顯示了本軟件支持的命令，如查詢變量實時數據等，內存值窗口顯示了DSP CPU內存相應地址中的實時內存數據。

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

4 結束語

文中基于牽引控制單元DSP微處理器，設計并實現了一整套包含整流和逆變的控制、調制程序，以及配套在線調試上位機軟件的牽引傳動控制系統，其在dSPACE半實物仿真平臺上成功驅動列車從0平穩提速并穩定至320 km/h。實驗證明，此牽引傳動控制程序和配套上位機軟件，具有良好的實時性、準確性、易用性，下一步將在此基礎上完成整流、逆變控制算法以及上位機軟件的優化工作。