基于Matlab/Simulink的机车微机柜测试系统建模与仿真

摘 要

给出了一种在MATLAB/SIMULINK环境下建立的交-直电力机车微机柜测试系统的整车模型，并用此模型对整车的牵引性能和制动性能进行了仿真，结果表明此模型对实际交-直电力机车牵引和制动性能模拟效果良好，为电力机车微机柜测试系统开发及电力机车整车分析起到了关键的作用。

【关键词】机车 微机柜 测试系统 Matlab/Simulink

随着现代测试技术的发展，直流电力机车微机测试系统也应用了现代计算机强大的计算功能。然而，在测试方案上依然采用开环检测的模式，对于微机柜关键参数、拐点参数等不能依据实际工况进行检测，存在一定盲区。因此为了满足更复杂更严格的微机柜系统的测试，需要开发出更高集成度通用性更强并且具备闭环实时控制能力的微机柜测试系统。

Matlab凭借其强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化的仿真环境以及丰富的算法工具箱，已成为控制界最为流行的计算机辅助设计及教学工具软件。而Matlab提供的动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中功能最强大、最容易使用的一种。故本文运用Simulink中的基本模块和Matlab的M文件相结合的编程方法，建立了交-直电力机车微机柜测试系统整车的动态模型，对新一代直流车微机柜测试系统开发及电力机车整车分析起到了关键作用。

1 整车控制原理简介

整个微机柜是机车控制的核心，在直流电力机车上，微机柜的控制目标主要是直流牵引电机电枢电流和机车速度。执行机构是晶闸管，通过控制晶闸管的触发脉冲来控制晶闸管的导通，从而达到控制直流电机电枢电流和机车速度的目的。如图1，上半部分即为微机柜部分，下半部分是机车主电路部分（即测试系统模拟的主电路部分）。

1.1 机车微机柜

机车微机柜主要有特性控制环节和转向架控制环节两大环节组成。特性控制环节包含了特性形成、给定积分跟踪、各种限制等环节；特转向架控制环节包含了四个-PI调节器（最大电压限制调节器、电枢电流调节器、磁场调节器和最大励磁电流调节器）、逻辑控制、电压变换和脉冲形成等环节。

1.2 机车主电路

测试系统需要模拟的机车主电路主要包括了整流器和电机两大部分。

机车主电路里的主整流变流部分采用不对称三段半控桥，相控调压；加上励磁桥一起是四段半控桥式相控整流器。在牵引工况下，电机的励磁绕组与电枢绕组串联组成串励电动机，随着机车速度的增大，三段桥顺序投入，达到经济运行的效果。在制动工况下，通过切换开关，将牵引电机由串励变为他励方式，三个电机的主极磁场绕组串联，电机为发电机模式，励磁桥工作产生励磁电流使电机减速。当然这一切都是由微机柜自动完成的，司机只要更定牵引或控制信号及级位。

本文分析和建模所针对的是单相交-直电机，其电力拖动系统中电磁转矩Te、负载转矩TL、粘滞摩擦转矩Tm与转速变化的关系描述为：

。其中，JdΩ/dt为系统的惯性转矩。

A、当=0， 系统处于稳定运行状态

B、当>0， 系统处于加速运行状态

C、当<0， 系统处于减速运行状态

2 微机柜测试系统简介

微机柜测试系统由上位机以及主控插件、数字/模拟入出插件、信号调整、流压源等部分组成，如图2。

上位机为测试台的软件核心部分，被用作测试台的大脑。负责指令发出和接受、信号和数据的处理、主电路的模拟仿真、并将运算数据实时的送显示器显示，本文所讨论的模型就运行在此上位机中。

插件箱中的单板机插件不断接收来自上位工控机的数据，向被测电子柜发送速度信号，通过数字量入/出插件发送数字控制信号，通过模拟量入/出、流压源、信号调整插件发送司机指令、同步信号等模拟信号；同时通过数字量入/出插件从被测电子柜取回电子柜的数字输出信号，通过信号调整插件取回脉冲信号，经由单板机插件供上位工控机用于主电路模型的计算，计算出的各种电流、电压反馈再由单板机插件通过模拟量入/出、流压源插件发送到被测电子柜；被测电子柜发出的表显信号再通过模拟量入/出插件取回，经由单板机插件供上位工控机用于显示。

3 整车模型的实现

直流电力机车整车闭环控制主模型如图3所示。

3.1 机车微机柜模型

机车微机柜部分主要有特性形成与控制环节、PI调节系统环节、脉冲形成与处理环节，控制逻辑环节。

特性形成与控制环节的算法见式1和式2。

式1和式2是在考虑了粘着限制、轴重补偿、制动电流限制、防控防滑等限制之后的综合牵引特性和制动特性表达式。其中x为司机给定级位、v为电机模块反馈速度。

牵引特性和制动特性的算法用M文件来写非常方便，但整个程序框架是Simulink架构，所以在Simulink程序模块中用M文件来实现特性发生器功能需要靠使能M函数模块Embedded Matlab Function实现Simulink与M文件之间的交互链接。特性曲线如图4所示。

PI调节系统是微机柜控制系统中一个非常重要的调节控制系统，图3中，UM是电机电压反馈信号，UMmax是最大电压限制值，Ia，是牵引给定电流，IM是电机电流反馈信号（牵引时是牵引电流，制动时是制动电流），Iz是制动给定电流，IFmax是最大励磁电流限制值，IF是励磁电流反馈信号。微机控制柜的PI调节系统分别由最大电压限制调节器、电枢调节器、磁场调节器和最大励磁调节器组成，实现对主电路模块的控制。各调节器有两个可供用户设置的参数（kp和ki），同时还加入了一个输出幅度限制模块，可将输出的值限制在有效范围内，以便更好地调节PI系统的参数，使其调节效果更有效。

脉冲形成与处理模块包含了3个子模块，它们实现的功能分别为同步信号生成、电压变换、脉冲形成与放大。同步信号生成环节是将采集的网压信号依次经过取绝对值、积分清零等环节生成的。电压变换环节是实现了对PI调节环节输出信号UE的变换。脉冲形成与放大环节是将电压变换环节得到的电压Ue不断与同步信号形成环节的输出同步信号Ua比较，当Ua的值大于等于Ue的值时输出1，否则输出0，形成连续的脉冲信号；然后再加入一个比例系数，把形成的脉冲放大以供后继使用。

控制逻辑环节通过一段程序代码实现，控制算法如下：牵引时，牵引指令q为1、制动指令z为0，此时Ia = y1 = u1，Iz = y2 = 0；制动时，牵引指令z为0、制动指令q为1，在f < fm时，Ia = y1 = 0，Iz = y2 = u2；在f = fm时， Ia = y1 = u2，Iz=y2= 20u2 >> u2，磁场调节器饱和失去作用，剩下最大磁场调节器和电枢调节器以最大磁力电流和较大的制动电流工作。其中，q是牵引指令，z是制动指令，u1是牵引特性发生器的输出，u2是制动特性发生器的输出，fm是最大现在励磁电流，f是机车反馈的励磁电流，y1和y2则分别是牵引和制动形成给定电流Is。

3.2 机车主电路模型

主电路模块的仿真框图，主要由主整流模块（如图5）、励磁整流模块（与主整流类似，但只有一段桥）和模拟电机模块（如图6，主电路模拟部分最关键的模块）组成。

在机车速度较低时，触发VT1、VT2管，大段桥投入工作；随着机车速度的增大，电机反电势也增大，为了克服电机反电势，依次触发VT3、VT4管和VT5、VT6管，三段桥顺序投入，达到经济运行的效果。

图6中的电路模型主要包含电枢绕组RLa、励磁绕组RLf、能耗电阻和可控电压源FCEM电路模型，其中加了一个二极管是为了防止模拟电机在制动到速度为0后出现反转现象。电路模型中还有电压和电流测量模块，将其测得的电流Ia和If输入到矩阵计算模块进行计算，进而得到电机速度和控电压源FCEM的控制信号来控制FCEM输出。在此，FCEM模块的输出相当于实际电机中的反电动势。矩阵计算模块部分的设计和实现主要依据以下三个表达式的力矩平衡关系。

（式3）；

（式4）；

（式5）；

其中，J是转动惯量、Laf是电枢绕组电感与励磁绕组电感之间的互感、BL是负载转矩系数、Bm是粘滞摩擦系数，这些参数都可以在电机模块属性对话框里由用户自己设置；ia是电枢电流、if是励磁电流，由公式可以计算出模拟电机的速度w。再由速度w可计算出FCEM的控制信号E，E=wi_f L_af。电机模拟中有一个转换逻辑，在牵引工况下将图6中的电枢阻感与励磁阻感串联在一个回路中，此时的牵引电流和励磁电流是一样的；在制动工况下转换逻辑将电枢阻感与励磁阻感接成并联的，此时电机电流是反方向的制动电流，故在矩阵计算模块的程序中加入了取绝对值环节，以保证输出的制动电流是正的。

4 仿真结果

图7中左右两列各自都有四个波形，依次为电机速度、电机牵引电流、电机励磁电流和电机电压的波形。

图7（左）中两侧波形分别是3级牵引和9级牵引时的仿真波形；由两侧的波形对比可知，随着牵引级位的增大，电机速度、电机电流（励磁电流和牵引电流相同）、电机电压都是随模拟电机速速的增大而先增大，然后再下降并最终稳定在某个值附近，且这个稳定值也随级位的增大而变大。在这个整车牵引状态的仿真中，机车的速度、电流和电压的变化规律都符合牵引调试时速度、电流和电压的变化规律。

图7（右）中两侧波形分别是初速度为80km/h时7级制动和3级制动的仿真波形；同理，由两侧的波形对比可知，随着制动级位的减小，电机速度值下降随之加快，制动电流值和电压值先快速都随之增大，但到达最大值后会随着速度值的下降而下降，并最终下降到零；而励磁电流则从0逐渐增大到某个值维持不变，且这个稳定值随着制动级位的减小而增大。同样在制动状态的仿真中，机车的速度、电流和电压的变化规律都符合制动调试时速度、电流和电压的变化规律。

5 结论

本文基于Matlab/Simulink建立了交-直电力机车微机柜测试系统的整车模型，仿真结果与理论分析比较吻合，证明了以上建立的模型在控制原理和逻辑上是正确的；由于建模时系统地研究了每个模块之间的控制关系，对实际整车牵引和制动控制系统有比较精确的模拟。

參考文献

[1]孟迎，印润远.基于的单相无刷直流电机的建模与仿真[J].科技资讯，2006（19）：33-34.

[2]张有松，朱龙驹.韶山4型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，1998，1-45.

[3]张亮，郭仕剑，王宝顺，贺兴华. MATLAB7.x系统建模与仿真[M].北京：人民邮电出版社，2007，8-41.

作者简介

李涛（1982-），男，广西壮族自治区富川瑶族自治县人。大学本科学历。现为株洲南车时代电气股份有限公司高级工程师，测试工程师。研究方向为检测技术与自动化检测装置。

谢明明（1985-）， 男， 湖南省衡南县人。大学本科学历。现为株洲南车时代电气股份有限公司中级工程师，测试工程师。研究方向为检测技术与自动化检测装置。

作者单位

株洲南车时代电气股份有限公司 湖南省株洲市 412001

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