一、引言
在铁道牵引传动系统中，交流电机相对于直流电机在电力牵引系统中有许多突出的优点：体积小，重量轻，在转向架中有限的安装空间内可以设置更大的功率，既提高了单轴功率（单轴功率可达1800kW），又减轻了簧下重量，降低了轮缘磨损；结构简单可靠，无电刷和换向器，没有了由机械换向器造成的磨损，延长了电机的使用寿命；机械特性陡峭，便于制止空转和打滑等等。当代交流传动电力机车的主传动系统采用交-直-交形式。其中整流侧为PWM整流器，逆变侧为双电平电压型逆变器，中间回路采用电感、电容储能设备，传动部分采用三相异步牵引电机。
交流电机的控制方式也经历了从基于电机稳态模型的恒压频比控制（开环控制），转差频率控制（闭环控制），到基于电机动态特性的矢量控制和直接转矩控制。基于电机稳态模型的控制方法不能满足机车系统对高动态性能传动的要求，目前交流电力牵引采用的都是矢量控制或者直接转矩控制技术。本文所开发的电力牵引用矢量控制系统可以获得令人满意的稳、动态性能。
二、间接磁场定向的矢量控制基本原理
异步电动机矢量控制的基本思想就是把异步电动机的控制模拟成直流电动机来控制。通过坐标系之间的变换，将定子电流分解为互不藕合的励磁电流分量和转矩电流分量，进行分别控制，使感应电机能像他励直流电机一样容易控制。
图1是本文所采用的一个典型的转速、磁链闭环的矢量控制系统，包括速度控制环、转矩电流环和磁链控制环。速度给定与转速反馈进行比较，经过速度PI调节器，给出满足电机负载需要的转矩电流I*sq，它与反馈的转矩电流isq，进行比较，经过转矩电流调节器，得到相应的定子电压Usq；磁链控制环给出相应的磁链给定，在额定转速以下，磁链幅值保持恒定（恒转矩）；额定转速以上给出相应的弱磁信号（恒功率），给定磁链与计算的反馈磁链进行比较，再经过磁链PI调节器，产生相应的定子电压Usd。定子电压的这两个分量分别加上反电动势引起的交叉耦合项Usdc、Usqc后得到电机需要的d,q轴定子电压U*sd、U*sq，这两个定子电压分量经过空间电压矢量逆变器去驱动电机。
为了获得电机的平稳控制，这里采用了SVPWM即空间电压矢量PWM控制法。和电压正弦PWM不同，它是从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成PWM波形。由于该控制方法把逆变器和电机看成一个整体来处理，所得模型简单，并具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高的优点，因此目前无论在开环调速系统或闭环控制系统中均可以很好地应用。
三、电力牵引矢量控制系统的建模
本文利用MATLAB/SIMULINK仿真软件，建立了异步电机转子磁场定向矢量控制系统的仿真模型，对多种工况进行了仿真分析。图2即为基于旋转坐标系下磁链观测器的转子磁场定向矢量控制系统仿真模型框图。从图中可以看出，该仿真系统主要由异步电机模型、磁链观测模型、矢量控制模型、调节器模型、SVPWM逆变器模型几个模块构成。
其中异步电机模型选用SIMULINK模型库中的异步电机模块，磁链观测模型选用旋转坐标系下转子磁链观测模型，矢量控制模型使用转子磁场定向矢量控制方法，调节器选用PI调节器，SVPWM用S-function编写。
四、矢量控制系统的研制开发
图3给出了300kVA电力牵引调速系统包括主电路、驱动电路、数字控制电路和信号调理电路四部分。其中主电路部分包括软启动电路、直流侧支撑电容、直流制动回路、三相全控逆变桥电路。本文所研究的电力牵引系统由直流蓄电池供电，所以不需整流环节。
三相全控逆变桥电路功率器件采用了德国Eupec公司FF400R12KE3 400A/1200V IGBT,一个桥臂采用四个IGBT并联，以保证调速系统能够输出足够的牵引功率。系统采用了SCALE系列的2SD315A驱动芯片。该芯片是瑞士CONCEPT公司生产的用来驱动和保护IGBT的专用集成驱动模块，内部集成有过流保护电路。2SD315A能输出很大的峰值电流，具有很强的驱动能力和很高的隔离电压能力。
数字控制电路主要由双DSP结构的TMS320C32和TMS320F240系统构成。TMS320C32运算能力强，但片内资源和I/0接口较少；而TMS320 F240正好相反，片内资源丰富，成本低，I/0使用方便，但其16位的定点内核对精度和速度有一定限制，因此两者的结合可充分发挥这两种芯片的优点，以共同达到电力牵引矢量控制系统的要求。
本系统还采用了一片CPLD，以协调系统内部的逻辑。根据所需的I/0数目和控制功能，选用的CPLD器件是ALTERA公司的EPM7128 SLC84。
TMS320C32和TMS320F240的双DSP构成，以及用于二者通讯的双口RAM和一片用于逻辑控制的CPLD组成，主要完成以下功能：
1．数据采集，包括电机定子相电流、线电压和转子转速等的采集；
2．数据处理，包括矢量控制算法的实现，PWM脉冲的生成等；
3．整个系统的数字控制。
信号调理电路主要由各种输入信号的调理整形电路、I/O接口电路组成。
五、实验研究
（一）实验系统介绍
实验系统主要由以下部分组成：
1．300kVA牵引调速逆变器
逆变器工作额定输出电压400V，工作额定输出电流300A，最大输出电流450A，工作额定频率2.5kHz，最高工作频率3 kHz。
2．三相异步电动机
三相异步电动机采用了永济电机厂生产的JD102A电机，该电机专门用于铁路牵引。其额定工作电压为550V，额定工作频率77 Hz，额定输出功率160kW，额定转速2260.4rpm，额定转矩708Nm，转矩倍数2.3。
3．制动电阻
制动电阻采用了4Ω的铸铁电阻，功率为800kW。
4．YJ08 F直流电机
直流负载发电机采用了油冷式的YJ08 F直流电机，为他励工作方式，额定电压750V，额定励磁电流60A，额定功率800kW。直流负载机与交流电机的连接采用了3:5的齿轮箱。
5．扭矩转速测量仪XJW-1
该测量仪装在交流电机的转轴一侧，能测出实际的电机转矩，其采样频率为10ms到1s可调，通过LED显示当前转速和转矩。为了方便读数，实验中将其采样频率设置在1s.
实验系统中感应电机与一个直流发电机连轴相接，通过调节发电机电枢电阻或励磁就可以实现感应电机的加减载。实验结果表明，转矩增减直接反映在定子电流的增减，而转速只有微小波动，且不会影响其稳态值。
（二）实验结果
1．稳态误差实验
稳态误差精度实验采用了4组给定转速，从低速100rpm到高速1600rpm ,且在每组速度给定的情况下，通过调节负载发电机的电枢回路的电阴调节负载转矩，当负载转矩变化后，通过扭矩转速测量仪观察稳定后的转速。实验结果如表1所示。实测转速采用了扭矩转速测量仪观测到的最坏情况。可以看出最大稳态误差为0.070%。
2．动态调速实验
调速系统动态调速实验验证了电机的动态响应，如图5-图7所示。
当电机从400rpm加速到1200rpm时，波形如图5所示，电机的加速时间小于3s，动态超调量也比较小。
当电机连续调速从400rpm到1000rpm再到1600rpm时，电机的励磁电流波动很小，如图6所示，示波器通道-（CHl）测量的是励磁电流，数值为65A，示波器通道二（CH2）测量的是转速。
当电机从400rpm加速到1200rpm的时候，电机的转矩电流和转速如图7所示，CHI测量的是转矩电流，加速时转矩电流变化迅速，最大幅值达到了350A，为调速系统设置的转矩电流限幅值。CH2测量的是转速。从图中可以看出调速时系统具有良好的动态性能。
3．动态加减载实验
通过调节负载直流发电机的电枢回路的电阻，我们可以调节电机的负载转矩。为了精确测量实际转矩的变化，突加减载实验中，我们采用了扭矩转速测量仪的测量值，而不是观测转矩。扭矩转速测量仪的采样频率设在100ms.
动态加载实验采用了3组给定转速，转矩的变化如表2中所示，从表中可以看出，加载前后，电机的稳态速度没有变化，而且动态调节过程中速度的变化值也比较小。
动态减载实验也采用了3组给定转速，转矩的变化如表3所示，从表中可以看出，减载前后，电机的稳态速度没有变化，而动态调节过程中速度的变化值也比较小。
六、结论
将交流电机的矢量控制技术应用于牵引调速系统中是牵引研究和应用领域的一个方向。本文在理论和仿真分析的基础上，开发设计了一个性能完善的电力牵引矢量控制系统，采用了基于转子磁场定向的矢量控制技术，研制了一套基于双DSP的先进的控制系统。这个系统不仅是在该领域理论上的进一步研究，同时具有很大的实际应用的意义。
