基于滯環算法發電機勵磁控制系統的實現

尚林岳

（中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710018）

引言

某型號交流電傳動內燃機車的交流電傳動系統主要由主輔發電機組、相控整流器、牽引逆變器、輔助逆變器、直流斬波器、牽引電機和冷卻設備等組成。

交流傳動系統控制由司控器發出正確啟機指令，通過整車控制器將啟機指令進行邏輯判斷控制柴油機啟動。通過相控整流將輔助發電機輸出電壓整流得到直流斬波器輸入電壓（74VDC），再使用勵磁控制算法控制直流斬波器，進行直流斬波，得到主發勵磁電壓，從而控制直流母線電壓，滿足牽引控制對直流母線的要求[1-3]。

1 原理與設計

1.1 電路原理

根據系統需求，勵磁控制系統框圖如圖1所示。

輸入電壓有交流電力機車車載蓄電池提供，電壓幅值為74 VDC，該電壓為直流勵磁斬波器的輸入電壓；使用勵磁控制裝置輸出固定脈寬、頻率不同的PWM控制脈沖，頻率為FSP，用于控制直流勵磁占波器輸出主發勵磁電壓，勵磁電流傳感器TA采集勵磁電流IEXC；使用滯環算法，動態響應控制勵磁電壓，從而控制發電機輸出電壓，直流母線電壓傳感器TV采集直流母線電壓UDC。

針對控制需求與直流勵磁斬波器工作條件，對勵磁占波器接收的PWM控制脈沖提出以下需求：一是直流勵磁斬波器工作輸入為50%占空比固定脈寬，幅值為5V PWM脈沖；二是直流勵磁斬波器啟動邊界條件FChopper為輸入斬波器控制脈沖的頻率，斬波器的工作的頻率變化范圍為500 Hz至1 000 Hz，小于500 Hz或者大于1 000 Hz直流斬波器斬波器停止工作。

1.2 控制邏輯

主發電機勵磁控制需要滿足：一是內燃機車牽引系統的直流母線電壓需求，例如，啟動過程中母線電壓提升、運行過程中功率提升是對母線電壓的保持、在制動過程中，對電制動功能對母線電壓的要求等；二是內燃機車柴油機輸出功率曲線。三是在出現危險情況時，如勵磁電流過流、母線電壓超過上限閾值等情況，根據控制系統保護邏輯，實現停機保護動作，確保系統穩定安全。根據以上三點需求，制定了各個擋位下的直流母線電壓給定值UDC，REF。勵磁控制程序控制主發電機勵磁電壓，使其輸出直流母線電壓UDC等于給定的輸出電壓給定值UDC，REF，如圖2和下頁圖3所示。

1.3 保護功能

根據系統要求，勵磁控制程序采集主發電機勵磁電流、直流母線電壓。為了保護牽引控制系統的安全性，設置主發電機勵磁電流保護閾值、直流母線電壓保護閾值。當主發勵磁勵磁電流超過保護閾值時，勵磁控制程序進行封鎖方波信號動作；直流母線電壓超過保護閾值時，勵磁控制程序進行封鎖方波信號動作。通過封鎖方波信號，使斬波器輸出電壓Uexc為0 V，從而使直流母線電壓UDC為0 V。

1.4 勵磁控制實現流程及算法

勵磁控制控制流程圖如4所示。

通過電壓傳感器，電壓傳感器量程為±3 000 V，將直流母線電壓的瞬時值以±75 mA的電流信號輸入整車控制單元調理電路，采樣電阻為13.3Ω，放大增益為6.8 Db，采用2階低通濾波，提高線號穩定性，將輸入電流信號調理至3.3 V輸入ADC芯片，經過AD芯片模數轉換，采樣得到直流母線電壓的ADCODE數字量值，采樣ADC芯片采用12位采樣精度，得到直流母線電壓瞬時值UDC，根據系統需求，并對UDC數值通過軟件程序，進行低通濾波處理，提高UDC的準確性。

U

DC，TEMP

T

1

T

2

其中FChopper為斬波器啟動的邊界條件，STEP1、STEP2為滯環調整系數。

計算出SP后，在控制程序內，根據控制硬件的晶振頻率與分頻系數，計算出輸出方波的頻率F：

式中：n為分頻系數；H為硬件頻率，Hz。

根據計算出的方波頻率F，輸出占空比為50%，幅值為5V的方波控制直流斬波器，從而控制了主發的勵磁電壓與輸出電壓，如圖5所示。

1.5 仿真與測試

根據勵磁控制算法進行仿真模型的搭建與測試[4-6]，如下頁圖6所示。

仿真模型首先使用一個坡度函數，對輸入的給定的數據進行處理，使系統輸入變量進行緩慢變化，根據勵磁控制器系統需求，電壓調整上升時的變化小于下降時的變化。

使用輸出電壓作為反饋量，與給定電壓值進行相減，得到中間電壓變化量。在計算過程對計算結果，增加限幅模塊，對輸出的參數進行閾值限制，保護整個系統穩定。

對完成計算的電壓差值進行置換比較計算，并計算結果輸出，輸出為控制斬波器的脈沖頻率。再通過線性函數，將斬波器頻率換算成母線電壓，從而形成閉環控制。

使用Matlab搭建仿真模型，輸出結果對比如下頁圖7所示。

虛線部分系統需求的目標母線電壓UDC，REF，紅色實線部分為輸出的電壓UDC，仿真結果表明，通過滯環控制使輸出的母線電壓可以緊密跟隨需求的目標電壓，算法可行且有效[7-8]。

在現場進行實物測試結果如圖8所示。

根據實物測試數據如圖8所示，縱坐標為電壓幅值，單位為幅；橫坐標為時間軸，單位為Tick。在不同檔位下，通過勵磁控制算法，控制的發電機輸出電壓UDC可以穩定的跟隨UDC，REF，與仿真波形重合，驗證了仿真模型的可行性，并且實物系統運行穩定，滿足控制需求。

2 結論

基于滯環的主發電機控制算法可以有效地控制主發電機電壓輸出，滿足系統在不同檔位為母線電壓的需求，響應速度和穩定度較好，保證了母線電壓的平溫度，從而保證了牽引控制的精度，提高了內燃機車牽引系統的穩定性。