磁浮列車懸浮控制器主電路實時仿真

朱躍歐, 榮立軍, 張文躍, 廖看秋,蔣 毅

(1.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001；2.同濟大學 國家磁浮交通工程技術研究中心，上海 201804)

0 引 言

懸浮控制器是懸浮系統的核心部分，其主電路通常稱作斬波器主電路。斬波器主電路是電磁懸浮系統中懸浮控制器的功率控制部分和執行機構，其功能是給懸浮電磁鐵供電，使懸浮電磁鐵產生懸浮力。懸浮斬波器的性能好壞直接影響到整個懸浮系統的性能。因此，有必要對懸浮斬波器開展優化和測試。

除了必要的理論分析計算外，現有文獻[1-3]對懸浮控制器主電路斬波器的研究主要采用OrCAD/PSpice、Simplorer、Simulink等仿真軟件搭建仿真模型或設計實際的斬波電路，在實驗室環境進行測試驗證。上述仿真工具具有優異的電路仿真功能，但均屬于離線仿真軟件，無法仿真實時系統中的執行時間、中斷延時等狀態[4]；此外，在實驗室條件下搭建實際的斬波電路進行測試，需花費較高的試驗成本和調試時間，不利于懸浮控制器主電路的優化。

為解決上述問題，本文基于dSPACE軟硬件平臺，搭建懸浮控制器主電路實時仿真模型，并進行仿真分析研究。開展試驗測試，為替代真實的懸浮控制器主電路和懸浮控制策略的開發調試提供基礎。

1 懸浮控制系統簡介

圖1所示為懸浮控制系統的原理框圖，磁浮列車懸浮系統主要由懸浮控制器、懸浮傳感器和懸浮電磁鐵組成。懸浮控制器通過懸浮傳感器、電流傳感器、電壓傳感器等采集懸浮電磁鐵與軌道之間的間隙和加速度信號，以及流過懸浮電磁鐵的負載電流信號和主電路的電壓信號。懸浮控制電路依據上述傳感器信號，通過合適的控制策略進行運算，并輸出控制信號驅動斬波器主電路開關管的導通和關斷，以此改變懸浮電磁鐵的負載電流，進而改變懸浮電磁力，保證磁浮列車與軌道之間維持額定的懸浮間隙，實現列車的穩定懸浮。

圖1 懸浮控制系統原理框圖

2 懸浮控制器主電路模型分析

根據懸浮電磁鐵線圈負載兩端電壓和負載電流的工作區域不同，可將斬波器主電路分為兩象限懸浮斬波器和四象限懸浮斬波器。兩象限懸浮斬波器向電磁鐵負載線圈提供方向固定的電流，常用于電磁吸力懸浮系統；四象限懸浮斬波器負載電流方向可變，主要用于永磁-電磁混合懸浮系統。

本文研究的懸浮控制器主電路為H型兩象限斬波器結構，該電路為兩象限全橋電路。如圖2所示，由接觸器KM1、接觸器KM2、充電電阻Rc組成預充電回路，由功率開關器件IGBT(VT1、VT2、VT3、VT4)和二極管(VD2、VD3)組成斬波器的2個橋臂，C為支撐電容，Ud為電源輸入，u(t)為懸浮電磁鐵兩端電壓，uc(t)為電容兩端電壓，i(t)為懸浮電磁鐵電流。通常將懸浮電磁鐵采用電阻R0和電感L0等效，作為斬波器主電路的負載，串聯于2個橋臂之間，并采用VT1、VT4同時導通和關斷的控制方式實現懸浮電磁鐵電流的增加和減小。

圖2 懸浮控制器主電路原理圖

為便于分析，本文以主電路充電電容為分界線，將懸浮控制器主電路分為2個部分：充電回路部分和懸浮斬波器部分。

2.1 充電回路

充電回路的主要作用是為了避免上電過程的大電流沖擊，在接觸器KM2兩端再并聯一個電阻Rc及接觸器KM1。充電回路的暫態過程如下：當懸浮控制器主電路上電時，先閉合預充電回路接觸器KM1，此時接觸器KM2為斷開狀態，充電電路部分可近似為一個RC電路，電源Ud給電容C充電，則有方程：

(1)

設初值t=0時，u(t)=0，解微分方程得：

(2)

當電容電壓與電源電壓接近時，再閉合主回路接觸器KM2，斷開接觸器KM1，此時電容兩端電壓為電源電壓Ud。

2.2 斬波器電路

主回路接觸器KM2閉合后，懸浮斬波器電路開始工作，此時電源電壓Ud為懸浮斬波器電路的輸入，斬波器電路的示意圖如圖3所示。

圖3 斬波器電路示意圖

進一步分析，當VT1和VT4同時導通時，對應的電路等效圖如圖4(a)所示，此時負載兩端承受正向電壓，電源給負載提供能量，線圈電流增加；當VT1和VT4同時關斷時，VD2和VD3導通續流，對應的電路等效圖如圖4(b)所示，此時負載兩端承受反向電壓，能量從負載回饋至電源，線圈電流減小[5-6]。

圖4 斬波器電路不同狀態下電路等效圖

根據圖4懸浮斬波器的電路等效圖，推導懸浮斬波器電路的穩態分析如下[7-9]：

(1) 等效圖4(a)。電路中電壓u(t)=Ud>0，電感儲能，i(t)增大，則有方程：

(3)

設初值i(t)|t=t1=I1，解微分方程得：

(4)

(2) 等效圖4(b)。電路中電壓u(t)=-Ud<0，電感釋放能量，i(t)減小，則有方程：

(5)

設初值i(t)|t=t2=I2，解微分方程得：

(6)

3 實時仿真模型搭建

3.1 dSPACE仿真系統平臺

dSPACE仿真系統是由德國dSPACE公司開發的一套半實物仿真的軟硬件工作平臺，其處理器具有高速的計算能力，并配備了豐富的I/O支持，用戶可以根據需要進行組合；軟件環境功能強大且使用方便，可實現代碼自動生成和下載，并包括了試驗和調試的整套工具[10-11]。

本文的懸浮控制器主電路實時仿真系統主要基于DS1006處理器板卡，包括A/D板卡、D/A板卡、FPGA板卡和PCI通信板卡等，板卡之間通過PHS總線進行通信，板卡的詳細信息和參數如表1所示。

表1 dSPACE仿真機柜板卡信息

根據前述分析，將懸浮控制器主電路數學模型拆分為充電電路與斬波器電路，而二者又可分別用RC模型與RL模型等效替代，故在dSPACE系統的FPGA平臺中分別搭建RC模型與RL模型。

3.2 RC模型和RL模型搭建

圖5 RC電路和RL電路仿真模型

3.3 懸浮斬波器模型搭建

由懸浮斬波電路的模型分析可知，懸浮控制器的斬波電路可等效為圖4(a)與圖4(b)的反復切換。因此，可先根據微分方程式(4)搭建圖4(a)的仿真模型A，如圖6所示[12]。再以此為基礎，并根據微分方程式(6)搭建圖4(b)的仿真模型B，完成懸浮斬波器仿真模型的搭建?？紤]到仿真模型B與仿真模型A結構基本一致，因此在文中并未重復列出。

圖6 仿真模型A

從等效圖4中分析可知，PWM波的值決定了開關管VT1與VT4的狀態，也決定了懸浮斬波器模型運行在仿真模型A或者模型B。當PWM波為1時，懸浮斬波器仿真模型按照仿真模型A運行；當PWM波為0時，斬波器實際按照仿真模型B運行。

每當上升沿來臨時，即PWM波由0切換到1時，仿真模型A采用仿真模型B在當前時刻的輸出作為初值開始運行，由于dSPACE系統的FPGA平臺修改參數后編譯時間較長，而在處理器平臺編譯的時間較短，因此，一般采用在處理器平臺修改參數，再借助PHS_Read模塊將信號傳輸至FPGA平臺的方法進行仿真分析。

當下降沿來臨時，即PWM波由1變為0時，模型B采用模型A在當前時刻的輸出作為初值開始運行。

將模型A與模型B相連，最終輸出調用三輸入系統MUX模塊來實現信號選取：當PWM=1時，選取模型A的輸出作為最終輸出；當PWM=0時，選取模型B的輸出作為最終輸出，二者的輸出共同構成了懸浮斬波器模型的輸出，如圖7所示。

圖7 懸浮控制器斬波器仿真模型

為形成PWM 控制信號，保證電路輸出可控，在仿真模型中采用Bang-Bang控制算法構成電流環，將輸出電流作為反饋值與給定電流相比較，構成完整的閉環控制電路[13]。同時，將充電電路部分與懸浮斬波器部分結合，并設置當充電電壓>0.95Ud時，開始向懸浮斬波器部分提供電壓，共同構成了整個懸浮控制器主電路的實時仿真模型，如圖8所示。

圖8 懸浮控制器主電路仿真模型

上述模型運行于dSPACE仿真系統硬件平臺中，為進一步構成懸浮控制器主電路硬件在回路實時仿真模型，將主電路模型運行于dSPACE仿真機DS5203板卡中，在懸浮控制器電路板中運行充電回路控制邏輯和電流環，并利用電路板的PWM模塊生成PWM控制波形?？紤]到模型的計算精度和控制電路板硬件的資源，模型中的電壓、電流等信號均采用標幺化處理。處理器板卡DS1006負責模型下載和數據監測，并通過PHS總線與板卡進行數據交互，懸浮控制器主電路硬件在回路實時仿真模型如圖9所示。

圖9 主電路硬件在回路實時仿真模型

4 試驗結果及分析

圖10所示為懸浮控制器主電路硬件在回路的實時仿真系統架構，dSPACE實時仿真機通過信號隔離調理箱與懸浮控制器控制單元連接，由ControlDesk軟件完成仿真結果和數據的監測顯示。

圖10 主電路硬件在回路實時仿真系統架構

實際懸浮控制器中充電電阻Rc=100 Ω，支撐電容C=13 600 μF，電磁鐵負載的等效電阻R0=1 Ω，等效電感L0=400 mH，電源電壓Ud=330 V。根據上述參數搭建懸浮控制器主電路實時仿真模型。設置仿真步長為1 μs，編譯完成后，將生成的.ini文件導入處理器平臺，編譯后在Controldesk中進行觀測。

在斬波電路仿真模型輸入60%占空比，頻率為5 kHz的PWM波進行開環測試，如圖11(a)所示，經過約1 s左右時間后，斬波電路的開環負載電流穩定在55 A左右。在實際的懸浮控制器主電路中，電流傳感器量程為0～100 A，輸出0～20 mA電流信號。經信號調理電路后，輸出范圍為0～10 V。因此，信號調理電路中每1 V電壓值代表10 A的實際電流值，如圖11(b)所示。從圖11(a)和圖11(b)分析對比可以看出，兩者電流值基本吻合。

圖11 斬波電路開環負載電流

同時，為驗證整個斬波電路電流的跟隨性，將電流環與斬波電路相結合，由電流環的反饋電流與給定電流生成PWM波，構成完整的PWM閉環控制電路，電流環采用Bang-Bang控制算法。設定給定電流為方波，頻率5 Hz，電流范圍為0～30 A，如圖12(a)所示，斬波電路輸出的負載電流Is可有效跟隨給定電流I。負載電流Is仿真值和實測值基本吻合，如圖12所示。

圖12 給定方波電流時的電流仿真與測試波形

設定給定電流為正弦波，頻率5 Hz，電流范圍為0～30 A，如圖13(a)所示，斬波電路輸出的負載電流Is可有效跟隨給定電流I。負載電壓Is仿真值和實測值基本吻合,如圖13所示。

圖13 給定正弦波電流時的電流仿真與測試波形

5 結 語

本文對懸浮控制器主電路進行了分析研究，通過將懸浮控制器主電路拆分為充電回路和斬波器回路，等效為RC、RL模型后對微分方程進行求解，建立了數學模型。利用dSPACE實時仿真軟硬件平臺建立了懸浮控制器主電路仿真模型，對充電回路和斬波器電路以及電流跟隨情況進行了仿真驗證，并與懸浮控制器控制電路構成了硬件在回路的對比分析測試。仿真和測試結果表明，本文建立的懸浮控制器主電路仿真模型與試驗測試值基本吻合，電流跟隨狀態良好，為替代真實的懸浮控制器主電路提供了依據，能夠大幅減少懸浮控制器調試開發時間和成本。