基于滞环算法发电机励磁控制系统的实现

尚林岳

（中车永济电机有限公司，陕西 西安 710018）

引言

某型号交流电传动内燃机车的交流电传动系统主要由主辅发电机组、相控整流器、牵引逆变器、辅助逆变器、直流斩波器、牵引电机和冷却设备等组成。

交流传动系统控制由司控器发出正确启机指令，通过整车控制器将启机指令进行逻辑判断控制柴油机启动。通过相控整流将辅助发电机输出电压整流得到直流斩波器输入电压（74VDC），再使用励磁控制算法控制直流斩波器，进行直流斩波，得到主发励磁电压，从而控制直流母线电压，满足牵引控制对直流母线的要求[1-3]。

1 原理与设计

1.1 电路原理

根据系统需求，励磁控制系统框图如图1所示。

输入电压有交流电力机车车载蓄电池提供，电压幅值为74 VDC，该电压为直流励磁斩波器的输入电压；使用励磁控制装置输出固定脉宽、频率不同的PWM控制脉冲，频率为FSP，用于控制直流励磁占波器输出主发励磁电压，励磁电流传感器TA采集励磁电流IEXC；使用滞环算法，动态响应控制励磁电压，从而控制发电机输出电压，直流母线电压传感器TV采集直流母线电压UDC。

针对控制需求与直流励磁斩波器工作条件，对励磁占波器接收的PWM控制脉冲提出以下需求：一是直流励磁斩波器工作输入为50%占空比固定脉宽，幅值为5V PWM脉冲；二是直流励磁斩波器启动边界条件FChopper为输入斩波器控制脉冲的频率，斩波器的工作的频率变化范围为500 Hz至1 000 Hz，小于500 Hz或者大于1 000 Hz直流斩波器斩波器停止工作。

1.2 控制逻辑

主发电机励磁控制需要满足：一是内燃机车牵引系统的直流母线电压需求，例如，启动过程中母线电压提升、运行过程中功率提升是对母线电压的保持、在制动过程中，对电制动功能对母线电压的要求等；二是内燃机车柴油机输出功率曲线。三是在出现危险情况时，如励磁电流过流、母线电压超过上限阈值等情况，根据控制系统保护逻辑，实现停机保护动作，确保系统稳定安全。根据以上三点需求，制定了各个挡位下的直流母线电压给定值UDC，REF。励磁控制程序控制主发电机励磁电压，使其输出直流母线电压UDC等于给定的输出电压给定值UDC，REF，如图2和下页图3所示。

1.3 保护功能

根据系统要求，励磁控制程序采集主发电机励磁电流、直流母线电压。为了保护牵引控制系统的安全性，设置主发电机励磁电流保护阈值、直流母线电压保护阈值。当主发励磁励磁电流超过保护阈值时，励磁控制程序进行封锁方波信号动作；直流母线电压超过保护阈值时，励磁控制程序进行封锁方波信号动作。通过封锁方波信号，使斩波器输出电压Uexc为0 V，从而使直流母线电压UDC为0 V。

1.4 励磁控制实现流程及算法

励磁控制控制流程图如4所示。

通过电压传感器，电压传感器量程为±3 000 V，将直流母线电压的瞬时值以±75 mA的电流信号输入整车控制单元调理电路，采样电阻为13.3Ω，放大增益为6.8 Db，采用2阶低通滤波，提高线号稳定性，将输入电流信号调理至3.3 V输入ADC芯片，经过AD芯片模数转换，采样得到直流母线电压的ADCODE数字量值，采样ADC芯片采用12位采样精度，得到直流母线电压瞬时值UDC，根据系统需求，并对UDC数值通过软件程序，进行低通滤波处理，提高UDC的准确性。

U

DC，TEMP

T

1

T

2

其中FChopper为斩波器启动的边界条件，STEP1、STEP2为滞环调整系数。

计算出SP后，在控制程序内，根据控制硬件的晶振频率与分频系数，计算出输出方波的频率F：

式中：n为分频系数；H为硬件频率，Hz。

根据计算出的方波频率F，输出占空比为50%，幅值为5V的方波控制直流斩波器，从而控制了主发的励磁电压与输出电压，如图5所示。

1.5 仿真与测试

根据励磁控制算法进行仿真模型的搭建与测试[4-6]，如下页图6所示。

仿真模型首先使用一个坡度函数，对输入的给定的数据进行处理，使系统输入变量进行缓慢变化，根据励磁控制器系统需求，电压调整上升时的变化小于下降时的变化。

使用输出电压作为反馈量，与给定电压值进行相减，得到中间电压变化量。在计算过程对计算结果，增加限幅模块，对输出的参数进行阈值限制，保护整个系统稳定。

对完成计算的电压差值进行置换比较计算，并计算结果输出，输出为控制斩波器的脉冲频率。再通过线性函数，将斩波器频率换算成母线电压，从而形成闭环控制。

使用Matlab搭建仿真模型，输出结果对比如下页图7所示。

虚线部分系统需求的目标母线电压UDC，REF，红色实线部分为输出的电压UDC，仿真结果表明，通过滞环控制使输出的母线电压可以紧密跟随需求的目标电压，算法可行且有效[7-8]。

在现场进行实物测试结果如图8所示。

根据实物测试数据如图8所示，纵坐标为电压幅值，单位为幅；横坐标为时间轴，单位为Tick。在不同档位下，通过励磁控制算法，控制的发电机输出电压UDC可以稳定的跟随UDC，REF，与仿真波形重合，验证了仿真模型的可行性，并且实物系统运行稳定，满足控制需求。

2 结论

基于滞环的主发电机控制算法可以有效地控制主发电机电压输出，满足系统在不同档位为母线电压的需求，响应速度和稳定度较好，保证了母线电压的平温度，从而保证了牵引控制的精度，提高了内燃机车牵引系统的稳定性。