悬浮电流特性及悬浮斩波器电流跟随控制策略研究

摘要

悬浮控制技术是磁浮列车的核心技术之一，单电磁铁的悬浮控制系统可以分解为一阶的电流环子系统和二阶的悬浮控制子系统，它们可以独立调试，大大降低了悬浮控制系统的调试难度，电流环的设计要求是负载电流在一定的频率范围内尽快跟随参考电流。悬浮斩波器稳定的电流输出保证了悬浮系统的安全和稳定，所以提高斩波器的性能、优化斩波器的电流控制策略，使斩波器实现持续稳定的电流输出尤为重要。 为此，本文以悬浮斩波器为研究对象，以斩波器线圈电流跟随效果为研究目标，主要对基于 Simplorer的悬浮斩波器器件级仿真电路进行参数设计及模型搭建，对不同的电流控制方法进行研究，对影响悬浮电流特性的因素展开讨论，论文主要内容及成果如下： 首先在分析了单电磁铁模型和悬浮斩波器控制原理的基础上，搭建了基于Simplorer 和 Simulink的悬浮斩波器器件级电路联合仿真模型，针对斩波器电源、滤波器、支撑电容、吸收电容、电磁铁线圈分布电容和电磁铁线圈串联电感进行电路参数设计，对IGBT及其驱动电路的主要单元进行设计计算，并给出所搭建的Simplorer和Simulink联合仿真模型图和电路的仿真参数。 其次基于Simplorer和Simulink搭建联合仿真模型，针对PID电流控制策略设计PID控制器，整定PID参数，用以开展斩波器电流跟随仿真工作。基于PID电流控制，在影响电流特性的电路参数上针对负载电感、电源电压、母线支撑电容和负载串联电感等电路参数的改变对电流特性的影响进行仿真分析。其中在负载电感方面，分别在不同电感值、时变电感值和气隙干扰条件对电感值产生影响三个角度进行电流跟随仿真分析；在电源输出电压方面，分别在不同电压等级、受不同幅值和频率时变干扰对电压值产生影响两个角度进行电流跟随仿真分析；针对有无母线支撑电容对电流特性的影响进行仿真分析；针对线圈有无串联电感对悬浮电流特性的影响进行仿真分析。 最后对分段PID电流控制和基于BP神经网络的PID电流控制进行研究，设计控制器、选取控制参数、搭建仿真模型，在PID电流控制基础上对电流动态性能进行优化，并采用PID控制、分段PID控制和基于BP神经网络的PID控制三种电流控制策略对悬浮斩波器的负载电流跟随控效果进行研究，分别在负载电感和电源电压变化条件下对定值电流和正弦电流跟随特性的影响进行仿真及对比分析，仿真结果显示 BP神经网络PID控制在电流动态特性、控制精度及抗干扰性能方面控制效果在三种方法中最优。

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