电力牵引交流传动系统FPGA建模及硬件在环仿真

摘要

随着我国高速铁路迅速发展，电力牵引传动系统国产化成为了我国高速铁路装备发展的重要课题之一。硬件在环仿真技术是牵引传动系统控制器研发过程中重要的研发手段。它能够保证研发过程安全性，降低实验风险。但是现有实时仿真技术受限于客观条件，仿真周期较长，往往需要引入时间补偿算法，该方法虽然能够提高精度，但是最直接有效的方案还是降低实时仿真的周期。针对此问题，本文对电力牵引交流传动系统的数学模型进行简化，将其集成在FPGA芯片中执行，完成系统的高速实时仿真。
　　首先，介绍了电力牵引传动系统的结构和原理，针对现有的两电平和三电平系统拓扑结构，定义变流器的开关函数，对整流器、中间直流环节和逆变器进行状态方程建模;此外，建立异步电机两相静止坐标系下的状态方程模型。为了揭示变流器中开关器件触发脉冲与开关状态的对应关系，充分考虑了变流器过零点的情况，采用混合逻辑动态建模方法，定义辅助变量，基于数理逻辑推导了开关函数逻辑表达式，保证了模型的准确换流。完成了两电平和三电平拓扑结构下电力牵引交流传动系统的混合逻辑动态建模。
　　其次，利用FPGA运算速度快的工作特点，选择其完成实时仿真运算;介绍了建模采用的开发工具System Generator，着重强调了其优势。之后，给出了FPGA实现过程中需要用到基本运算实现方案，以及整流器、逆变器和异步电机各部分的FPGA离散实现框图以及各流水线的时间分配方案。
　　然后，为了满足硬件在环仿真的控制需求，分别给出了脉冲整流器和牵引逆变器常用的控制算法——瞬态电流控制和基于转子磁场定向的矢量控制;针对两电平和三电平两种不同拓扑结构的变流器，介绍了不同结构下脉冲整流器的SPWM算法和牵引逆变器SVPWM算法。
　　最后，简单介绍了现有的DSP F2812和RT-LAB OP5600硬件在环测试平台。比较本文中FPGA模型与传统CPU模型，结果证明FPGA模型大幅度缩短了仿真周期。将本文所建立的FPGA仿真模型与Simulink中Power System库中相应模型进行同参数同激励条件下的对比测试，结果验证了模型的正确性。之后，对电力牵引交流传动系统模型进行多条件多工况测试，结果表明模型具有很高的稳定性，满足研发过程中不同的测试要求。本文实现了微秒级系统模型实时仿真，提高了实时仿真系统的响应速度以及精度，避免了复杂的时间补偿算法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电力牵引交流传动系统的发展

1．2．2 硬件在环仿真技术研究现状

1．3 论文主要研究工作

第2章 电力牵引交流传动系统的建模

2．1 电力牵引交流传动系统介绍

2．2 电力牵引交流传动系统的状态方程建模

2．2．1 两电平牵引变流器建模

2．2．2 三电平牵引变流器建模

2．2．3 异步电机建模

2．3 电力牵引交流传动系统的混合逻辑动态建模

2．3．1 混合逻辑动态建模的介绍

2．3．2 混合逻辑动态建模的步骤和方法

2．3．3 混合逻辑动态建模的实现

第3章 电力牵引交流传动系统FPGA建模实现

3．1 FPGA介绍

3．2 FPGA基本运算功能实现

3．3 电力牵引交流系统功能FPGA实现

3．3．1 整流器功能FPGA实现

3．3．2 逆变器功能FPGA实现

3．3．3 异步电机功能FPGA实现

第4章 电力牵引交流传动系统控制及调制算法

4．1 脉冲整流器瞬态电流控制

4．2 脉冲整流器SPWM算法

4．3 基于转子磁场定向的异步电机矢量控制

4．4 牵引逆变器SVPWM算法

第5章 电力牵引交流传动系统模型硬件在环测试

5．1 测试平台硬件介绍

5．1．1 RT-LAB仿真平台介绍

5．1．2 TMS320F2812芯片介绍

5．2 FPGA模型测试

5．2．1 基于CPU模型和基于FPGA模型硬件在环实验对比

5．2．2 变流器部分测试

5．2．3 异步电机部分测试

5．3 硬件在环实验结果与分析

5．3．1 整流器硬件在环测试

5．3．2 逆变器电机硬件在环测试

5．3．3 两电平与三电平拓扑结构硬件在环测试对比

结论及未来工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文