CN113489315B - 基于一体化设计间歇式供电牵引控制器 - Google Patents

基于一体化设计间歇式供电牵引控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于一体化设计间歇式供电牵引控制器，包括：设置于机箱内的CPU板、PWM脉冲板、模拟量输入信号板、数字量输入输出板、故障记录板、网关板和电源板；CPU板用于机箱其他电路板数据采集后处理、牵引***及DCDC***算法、逻辑控制功能的实现；模拟量输入信号板用于实时获取采样数据；数字量输入输出板为列车DI/DO信号接收和发送，其还用于控制接触器；故障记录板用于故障信号记录；网关板用于为所述牵引***/DCDC***与列车构造通讯网络。本发明解决了牵引控制器两个***之间配合延时的问题，简化了逻辑的复杂性，提升了***运行稳定性和***响应速度，减小了牵引控制器的体积、重量，降低了用户维护成本。

Description

基于一体化设计间歇式供电牵引控制器
技术领域
本发明涉及轨道列车牵引控制领域，尤其涉及基于一体化设计间歇式供电牵引控制器。
背景技术
目前城市轨道交通列车根据线路条件不同，通过外部电源(接触网、第三轨、地面供电等)，也称为有电区供电运行；或者采用储能装置(超级电容、超能电池等)供电运行，也称为无电区供电运行；或者采用两者混合供电运行方式，也称为间歇式供电。因此，为了适配这种间歇式供电运行方式，牵引控制器内部包含预充电回路、滤波回路、牵引***、DCDC***。当列车运行在有电区时，牵引***通过外部供电装置运行，此时DCDC***进行充电；当列车运行在无电区时，此时牵引***通过DCDC***将超级电容电压转换供电运行。
但是现有间歇式牵引控制器的牵引***和DCDC***的主电路和控制电路采用分别独立运行。这种方式的牵引控制器体积和重量较大，主电路较为复杂，牵引***和DCDC***需要独立的控制***，增加了牵引控制器的生产成本。而且列车运行时，牵引***和DCDC***需要进行主电路接触器和控制算法逻辑配合，以实现有电区运行、无电区运行、有电区和无电区切换运行等操作，在整个过程中，存在“握手”等待环节，并且如果配合不当，容易引起故障，影响列车稳定运行。
发明内容
本发明提供一种基于一体化设计间歇式供电牵引控制器，以克服现有的间歇式牵引控制器的重量和体积较大、主电路较为复杂，牵引***和DCDC***需要独立的控制***，增加了牵引控制器的生产成本；而且列车运行时，牵引***和DCDC***需要进行主电路接触器和控制算法逻辑配合，如果配合不当，容易引起故障，影响列车稳定运行的技术问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于一体化设计间歇式供电牵引控制器，包括牵引***和DCDC***，所述牵引控制器包括：CPU板、PWM脉冲板、模拟量输入信号板、数字量输入输出板、故障记录板、网关板和电源板；
所述PWM脉冲板、模拟量输入信号板、数字量输入输出板、故障记录板、网关板和电源板均与所述CPU板电路连接；
所述CPU板用于机箱内其他电路板数据采集后处理、定时器中断周期中优化算法的牵引***控制算法部分和DCDC***算法部分逻辑控制的功能实现；
所述PWM脉冲板用于基于所述CPU板的控制指令，向储能装置/电机负载输出脉冲指令，并向所述CPU板反馈所述PWM脉冲板是否可靠发送至指定功率器件的信息；
所述模拟量输入信号板用于实时获取采样数据，进行信号转换后传输至所述CPU板，所述采样数据包括但不限于包括电压传感器信号，以及电机负载速度信号和温度信号、制动电阻温度信号、储能装置传感器信号；
所述故障记录板用于记录所述牵引控制器的故障数据以配合所述CPU板确定是否存在故障；
所述数字量输入输出板为列车DI/DO信号的接收和发送，其还用于控制接触器，配合所述CPU板进行牵引***或DCDC***各自对应的控制电路的电路切换；
所述网关板用于为所述牵引***/DCDC***与列车构造通讯网络；
所述电源板用于接收外部供电电源并转换成各板所需的供电电压。
进一步的，所述牵引控制器的切换控制逻辑包括：
S21：列车启动后进行采样数据处理：将通过所述模拟量输入信号板获取到的采样数据，进行信号转换后传输至所述CPU板，通过所述CPU板内的主控芯片进行初始化设置，并结合所述故障记录板中记录的故障数据进行判断所述牵引控制器是否存在故障，完成***的自检；
S22：若所述牵引控制器处于正常工作状态，则CPU板通过接收所述数字量输入输出板通信接口接收到的列车处于有电区/无电区的信号；当接收到的是列车处于有电区的信号时，CPU板执行定时器中断周期中优化算法的牵引***控制算法部分；以将接收到的所述列车处于有电区的信号传输至所述数字量输入输出板，进而控制接触器以及接收接触器闭合反馈；当接收到的是列车处于无电区的信号时，CPU板执行定时器中断周期中优化算法的DCDC控制算法部分；以将接收到的所述列车处于无电区的信号传输至所述数字量输入输出板，进而控制接触器以及接收接触器闭合反馈；
S23：当列车处于有电区时，开启所述牵引***，所述数字量输入输出板接收到接触器反馈的指令后，所述模拟量信号板将采样信号进行处理后传送到所述CPU板，所述CPU板执行定时器中断周期中优化算法的牵引***控制算法部分，所述PWM脉冲板基于所述CUP板的指令，向储能装置/电机负载输出脉冲指令，并向所述CPU板反馈所述PWM脉冲板是否可靠发送至指定功率器件的信息；
S24：当列车处于无电区时，开启所述DCDC***，所述数字量输入输出板接收到接触器反馈的指令后，所述模拟量信号板将采样信号进行处理后传送到所述CPU板，所述CPU板执行定时器中断周期中优化算法的DCDC控制算法部分，所述PWM脉冲板基于所述CUP板的指令，向储能装置/电机负载输出脉冲指令，并向CPU板反馈PWM脉冲是否可靠发送至指定功率器件的信息。
进一步的，所述牵引控制器的电路包括主控制电路、牵引控制电路和DCDC控制电路；
所述主控制电路能够控制所述牵引控制电路和DCDC控制电路；
所述主控制电路一端连接所述外部电源，另一端连接所述牵引控制电路，所述牵引控制电路的另一端分别连接电机负载和制动电阻；所述DCDC控制电路与所述牵引控制电路并联，其一端连接所述主控制电路，另一端连接储能装置。
进一步的，所述主控制电路包括滤波电路、预充电回路和检测电路；
所述滤波电路包括直流电抗器L1、支撑电容FC1；
所述预充电回路包括主接触器KM11、充电接触器KM12、第一充电电阻R11和第二充电电阻R12；
所述检测电路包括网压传感器ESSV1、母线电流传感器DCSC1、母线电压传感器DCSV1；
所述网压传感器ESSV1两端与外部电源连接，直流熔断器FUSE1一端连接所述外部电源，另一端与所述母线电流传感器DCSC1、所述主接触器KM11连接和所述电抗器L1串联；所述充电接触器KM12一端连接于所述母线电流传感器DCSC1与所述主接触器KM11的连接处，另一端与所述第一充电电阻R11连接，所述第二充电电阻R12与所述第一充电电阻R11并联，且所述第二充电电阻R12连接于所述主接触器KM11连接和所述电抗器L1的连接处；所述母线电压传感器DCSV1与第一慢放电电阻R13和第二慢放电电阻R14并联，其一端连接所述外部电源，另一端与所述电抗器L1连接；所述支撑电容FC1与所述母线电压传感器DCSV1并联。
进一步的，所述牵引***控制电路包括电机负载、制动电阻、牵引U相输出电流传感器SCU、牵引V相输出电流传感器SCV、牵引W相输出电流传感器SCW、牵引制动斩波相输出电流传感器SCB、第一逆变牵引桥臂VT11、第二逆变牵引桥臂VT12、第三逆变牵引桥臂VT13、第四逆变牵引桥臂VT14、第一电容C11、第二电容C12、第三电容C13和第四电容C14；
所述第一逆变牵引桥臂VT11、第二逆变牵引桥臂VT12、第三逆变牵引桥臂VT13和第四逆变牵引桥臂VT14并联，且均与所述支撑电容FC1并联，所述第一电容C11与所述第一逆变牵引桥臂VT11并联；所述第二电容C12与所述第二逆变牵引桥臂VT12并联；所述第三电容C13与所述第三逆变牵引桥臂VT13并联；所述第四电容C14与所述第四逆变牵引桥臂VT14并联；
所述第一逆变牵引桥臂VT11、第二逆变牵引桥臂VT12、第三逆变牵引桥臂VT13和牵引斩波桥臂VT14均包括两个串联的第一开关管S1和第二开关管S2；所述牵引U相输出电流传感器SCU一端连接所述电机负载的U相接线端，另一端连接所述第一逆变牵引桥臂VT11中第一开关管S1和第二开关管S2连接处；所述牵引V相输出电流传感器SCV一端连接所述电机负载的V相接线端，另一端连接所述第二逆变牵引桥臂VT12中第一开关管S1和第二开关管S2连接处；所述牵引W相输出电流传感器SCW一端连接所述电机负载的W相接线端，另一端连接所述第三逆变牵引桥臂VT13中第一开关管S1和第二开关管S2的连接处；所述牵引制动斩波相输出电流传感器SCB一端连接所述制动电阻的BCH接线端，另一端连接所述第四逆变牵引桥臂VT14中的第二开关管S1和第二开关管S2的连接处。
进一步的，所述DCDC控制电路包括储能装置、DCDC熔断器FU15、DCDC滤波电容C16、DCDC母线电压传感器SV15、DCDC输出电抗器L15、超级电容侧电流传感器SCD1、DCDC控制电路开关管VT16、第五电容C15；所述DCDC控制电路开关管VT16包括串联的第一开关管S1和第二开关管S2；
所述第五电容C15一端连接所述支撑电容FC1，另一端经由所述支撑电容FC1与所述外部电源连接处连接所述储能装置；所述储能装置的另一端连接DCDC熔断器FU15；所述DCDC熔断器FU15、DCDC输出电抗器L15和超级电容侧电流传感器SCD1串联；所述DCDC控制电路开关管VT16与所述支撑电容FC1并联，所述超级电容侧电流传感器SCD1的另一端连接于开关管S1和开关管S2的连接处；所述DCDC滤波电容C16一端连接所述储能装置，另一端连接于所述DCDC熔断器FU15与所述DCDC输出电抗器L15的连接处；所述DCDC母线电压传感器SV15与所述DCDC滤波电容C16并联。
进一步的，所述定时器中断周期中优化算法的DCDC控制算法部分为：
当开关S1导通时，有公式：
Figure BDA0003141628910000051
式中：iL(t)为电感电流；is(t)为第一开关管S1管导通电流；Rson为第一开关管S1或者第二开关管S2导通时的电阻；L为储能电感值、RL为电感等效电阻；V1为网侧电压、V2为储能装置电压；uceq为储能装置电压值、Rcs为储能装置串联等效电阻；Ceq为储能装置容值；Rcp为储能装置并联等效电阻；
当开关管S1关断时，有公式
Figure BDA0003141628910000061
由公式(1)、(2)得出一个开关周期内的状态平均方程：
Figure BDA0003141628910000062
式中：<x(t)>TS形式表示变量x(t)在一个开关周期内的平均值；D为开关管S1导通占空比，Ts为开关周期；
将公式(3)化简得：
Figure BDA0003141628910000063
根据电感伏秒平衡以及电容的安秒平衡，忽略二阶扰动量化简可得：
Figure BDA0003141628910000064
式中
Figure BDA0003141628910000065
表示变量在x(t)直流工作点附近做微小扰动；
对(5)进行拉普拉斯变换，令
Figure BDA0003141628910000066
得到电感电流与超级电容端电压对占空比扰动
Figure BDA0003141628910000067
的传递函数为：
Figure BDA0003141628910000068
其中，Rm＝Rson+RL在本发明的超级电容中，其等效并联电阻Rcp认为很大，则上式化简为：
Figure BDA0003141628910000071
输出电压对电感电流的微小扰动传递函数为：
Figure BDA0003141628910000072
式中：Gvd为电压的传递函数；Gid为电流的传递函数，Gvi(s)为微小扰动的传递函数，s为拉普拉斯变换后的算子；从而建立电感电流与电容电压双闭环控制模型，以实现所述DCDC***对牵引***的供电和充电时对输出电压和电流的闭环控制。
进一步的，所述定时器中断周期中优化算法的牵引***控制算法部分为：
S81：所述模拟量信号板通过U相电流传感器SCU、V相电电机转速传感器流传感器SCV、W相电流传感器SCW检测出牵引逆变器三相输出电流值，当检测到当前电机转速后，将采样信号进行处理后传送到所述CPU板进行运算，得到实际电流值和转速值；
S82：所述牵引***控制算法通过三相电流值和转速信号进行转子磁场定向变换：
Figure BDA0003141628910000073
Figure BDA0003141628910000074
式中，iα为两相静止坐标系α轴电流值；iβ为两相静止坐标系β轴电流值；iu为牵引U相输出电流传感器SCU输出电流值；iv牵引V相输出电流传感器SCV输出电流值；iw牵引W相输出电流传感器SCW输出电流值；id为两相旋转坐标系d轴电流值、iq为两相旋转坐标系q轴电流值；ω1为两相旋转坐标系dq轴电流值频率；
S83：对变换后两相旋转坐标下电流值进行电压值计算；
Figure BDA0003141628910000075
Figure BDA0003141628910000081
式中，
Figure BDA0003141628910000082
为两相旋转坐标系d轴电压给定值；
Figure BDA0003141628910000083
为两相旋转坐标系q轴电压给定值；
Figure BDA0003141628910000084
为两相旋转坐标系d轴电流给定值；
Figure BDA0003141628910000085
为两相旋转坐标系q轴电流给定值；k为电机负载系数；ud为两相旋转坐标系d轴电压实际输出值、uq为两相旋转坐标系q轴电压实际输出值；△ud为两相旋转坐标系d轴电压调节值、△uq为两相旋转坐标系q轴电压调节值；
S84：将计算的旋转坐标系下d轴电压值和q轴电压值代入SVPWM空间矢量调制算法计算三相输出需要的占空比数值：
Figure BDA0003141628910000086
其中，t1为空间电压矢量相邻作用时间1；t2为空间电压矢量相邻作用时间2；t0为零矢量时间；Ts为开关周期；
Figure BDA0003141628910000087
为三相坐标系电压标幺值；
S85：根据计算的SVPWM调制空间电压矢量作用时间，得出牵引***逆变桥臂VT1～VT4开关管占空比，实现基于偏差解耦转差型矢量控制算法，控制电机负载达到给定转矩要求。
有益效果：本发明通过牵引控制器的主控制电路一体化设计方式，解决了传统间歇式牵引控制器两个***之间配合延时的问题，使牵引***和DCDC***不再分别独立控制，简化了逻辑的复杂性，提升了***运行稳定性和***响应速度，减小了牵引控制器的体积、重量、采购成本，减少了列车备件数量和类别，降低了用户维护成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于一体化设计间歇式供电牵引控制器主电路原理图；
图2为本发明基于一体化设计间歇式供电牵引控制器控制算法逻辑图；
图3为本发明DCDC***等效电路图；
图4为本发明开关管S1导通时等效电路图；
图5为本发明电感电流与电容电压双闭环控制模型框图；
图6为本发明牵引***和DCDC***中VT11～VT14、VT16位置示意图；
图7为本发明基于一体化设计间歇式供电牵引控制器其他实施例的主电路原理图。
其中：Gi(s)、电流PI控制器；Gu(s)、电压PI控制器；D(s)、控制器延迟；1/K1、电感电流采样比例系数，取1/150；1/K2、输出电压采样比例系数，取1/200。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种基于一体化设计间歇式供电牵引控制器，包括牵引***和DCDC***，其特征在于，所述牵引控制器包括：设置于机箱内的CPU板、PWM脉冲板、模拟量输入信号板、数字量输入输出板、故障记录板、网关板和电源板；所述PWM脉冲板、模拟量输入信号板、数字量输入输出板、故障记录板、网关板和电源板均与所述CPU板电路连接。
所述CPU板用于机箱内其他电路板数据采集后处理、定时器中断周期中优化算法的牵引***控制算法部分和DCDC***算法部分逻辑控制的功能实现；
所述PWM脉冲板用于基于所述CPU板的控制指令，向储能装置/电机负载输出脉冲指令，并向所述CPU板反馈所述PWM脉冲板是否可靠发送至指定功率器件的信息；
所述模拟量输入信号板用于实时获取采样数据，进行信号转换后传输至所述CPU板，所述采样数据包括但不限于包括电压传感器信号，以及电机负载速度信号和温度信号、制动电阻温度信号、储能装置传感器信号；具体的，所述模拟量输入信号板用于接收电压传感器信号，以及电机负载速度信号和温度信号、制动电阻温度信号、储能装置电压\电流\温度\烟火等传感器信号；
所述数字量输入输出板用于列车DI/DO信号的接收和发送，其还用于控制接触器，配合所述CPU板进行牵引***或DCDC***各自对应的控制电路的电路切换；本实施例中使用的接触器有主接触器KM11和充电接触器KM12；
所述故障记录板用于记录所述牵引控制器的故障数据以配合所述CPU板确定是否存在故障；包括故障时刻电压\电流等信号的记录；所述网关板用于为所述牵引***/DCDC***与列车构造通讯网络；所述电源板用于接收外部供电电源并转换成各板所需的供电电压；具体的，所述电源板接收外部供电电源，以将外部电源转换成机箱内所述CPU板及PWM脉冲板、模拟量输入信号板、数字量输入输出板、故障记录板、网关板和电源板的供电电压。
具体的，本发明将牵引***算法和DCDC***算法整合到同一算法中，存储在一张CPU板中进行运算和控制；由于在同一算法内进行执行控制，减少了外部通讯和硬件电路的配合逻辑，整合后的控制算法逻辑如附图2所示，包括：在同一采样函数内对数据进行处理、针对采样数据进行同一计算、控制逻辑、故障保护、针对计算后记过和在同一个PWM中断周期内执行脉冲函数输出。本发明整合到同一CPU下的一套控制算法，将采样、脉冲、故障保护运算函数同一处理；
所述CPU板、PWM脉冲板、模拟量输入信号板、数字量输入输出板、故障记录板、网关板和电源板均***同一机箱的背板插槽上，通过背板硬件电路和数据总线进行电路连接和通信。本实施例的***硬件通过整合，使得机箱尺寸由原来的84TE减小为48TE。
如附图1所示，所述牵引控制器的电路包括主控制电路、牵引控制电路和DCDC控制电路；所述主控制电路能够控制所述牵引控制电路和DCDC控制电路；
所述主控制电路一端连接所述外部电源，另一端连接所述牵引控制电路，所述牵引控制电路的另一端分别连接电机负载和制动电阻；所述DCDC控制电路与所述牵引控制电路并联，其一端连接所述主控制电路，另一端连接储能装置。
具体的，所述主控制电路包括滤波电路、预充电回路和检测电路；所述滤波电路包括直流电抗器L1、支撑电容FC1；所述预充电回路包括主接触器KM11、充电接触器KM12、第一充电电阻R11和第二充电电阻R12；所述检测电路包括网压传感器ESSV1、母线电流传感器DCSC1、母线电压传感器DCSV1；
所述网压传感器ESSV1两端与外部电源连接，直流熔断器FUSE1一端连接所述外部电源，另一端与所述母线电流传感器DCSC1、所述主接触器KM11连接和所述电抗器L1串联；所述充电接触器KM12一端连接于所述母线电流传感器DCSC1与所述主接触器KM11的连接处，另一端与所述第一充电电阻R11连接，所述第二充电电阻R12与所述第一充电电阻R11并联，且所述第二充电电阻R12连接于所述主接触器KM11连接和所述电抗器L1的连接处；所述母线电压传感器DCSV1与第一慢放电电阻R13和第二慢放电电阻R14并联，其一端连接所述外部电源，另一端与所述电抗器L1连接；所述支撑电容FC1与所述母线电压传感器DCSV1并联。
所述牵引***控制电路包括电机负载、制动电阻、牵引U相输出电流传感器SCU；牵引V相输出电流传感器SCV；牵引W相输出电流传感器SCW；牵引制动斩波相输出电流传感器SCB；第一逆变牵引桥臂VT11、第二逆变牵引桥臂VT12、第三逆变牵引桥臂VT13、第四逆变牵引桥臂VT14、第一电容C11、第二电容C12、第三电容C13和第四电容C14；
所述第一逆变牵引桥臂VT11、第二逆变牵引桥臂VT12、第三逆变牵引桥臂VT13和第四逆变牵引桥臂VT14并联，且均与所述支撑电容FC1并联，所述第一电容C11与所述第一逆变牵引桥臂VT11并联；所述第二电容C12与所述第二逆变牵引桥臂VT12并联；所述第三电容C13与所述第三逆变牵引桥臂VT13并联；所述第四电容C14与所述第四逆变牵引桥臂VT14并联；
所述第一逆变牵引桥臂VT11、第二逆变牵引桥臂VT12、第三逆变牵引桥臂VT13和牵引斩波桥臂VT14均包括串联的第一开关管S1和第二开关管S2；所述牵引U相输出电流传感器SCU一端连接所述电机负载的U相接线端，另一端连接所述第一逆变牵引桥臂VT11中第一开关管S1和第二开关管S2连接处；所述牵引V相输出电流传感器SCV一端连接所述电机负载的V相接线端，另一端连接所述第二逆变牵引桥臂VT12中第一开关管S1和第二开关管S2连接处；所述牵引W相输出电流传感器SCW一端连接所述电机负载的W相接线端，另一端连接所述第三逆变牵引桥臂VT13中第一开关管S1和第二开关管S2的连接处；所述牵引制动斩波相输出电流传感器SCB一端连接所述制动电阻的BCH接线端，另一端连接所述第四逆变牵引桥臂VT14中的第二开关管S1和第二开关管S2的连接处。在本实施例中的第一开关管S1和第二开关管S2采用的均是绝缘栅双极型晶体管IGBT。
本发明的一个实施例中，所述电机负载包括与该牵引控制器DCDC***共用外部供电电源(DC750V)的设备，以现有城轨项目为例，包括3接车编组，两台牵引柜和2台辅助柜，其中1台牵引柜内的储能装置通过DCDC***及主接触器对外给其他牵引柜和辅助柜设备供电。其中，图6显示了本发明的牵引***和DCDC***中VT11～VT14、VT16位置示意图。
所述DCDC控制电路包括储能装置、DCDC熔断器FU15、DCDC滤波电容C16、DCDC母线电压传感器SV15、DCDC输出电抗器L15、超级电容侧电流传感器SCD1、DCDC控制电路开关管VT16、第五电容C15；
所述第五电容C15一端连接所述支撑电容FC1，另一端经由所述支撑电容FC1与所述外部电源连接处连接所述储能装置；所述储能装置的另一端连接DCDC熔断器FU15；所述DCDC熔断器FU15、DCDC输出电抗器L15和超级电容侧电流传感器SCD1串联；所述DCDC控制电路开关管VT16与所述支撑电容FC1并联，包括两个串联的绝缘栅双极型晶体管IGBT，所述超级电容侧电流传感器SCD1的另一端连接于所述两个绝缘栅双极型晶体管IGBT的连接处；所述DCDC滤波电容C16一端连接所述储能装置，另一端连接于所述DCDC熔断器FU15与所述DCDC输出电抗器L15的连接处；所述DCDC母线电压传感器SV15与所述DCDC滤波电容C16并联。
具体的，S21：本发明的一体化设计间歇式供电牵引控制器，通过外部低压直流电源给所述牵引控制器上电，启动有轨列车；将通过所述模拟量输入信号板获取到的采样数据，进行信号转换后传输至所述CPU板，通过所述CPU板内的主控芯片进行初始化设置，并结合所述故障记录板中记录的故障数据进行判断所述牵引控制器是否存在故障，完成***的自检；
S22：若所述牵引控制器处于正常工作状态，则CPU板通过接收所述数字量输入输出板通信接口接收到的列车处于有电区/无电区的信号；当接收到的是列车处于有电区的信号时，执行所述牵引***控制算法，以将接收到的所述列车处于有电区的信号传输至所述数字量输入输出板，进而控制接触器以及接收接触器闭合反馈；当接收到的是列车处于无电区的信号时，执行所述DCDC控制算法，以将接收到的所述列车处于无电区的信号传输至所述数字量输入输出板，进而控制接触器以及接收接触器闭合反馈；进而完成所述牵引***和DCDC***之间的切换；
S23：当列车处于有电区时，开启所述牵引***，所述数字量输入输出板接收到接触器反馈的指令后，所述模拟量信号板将采样信号进行处理后传送到所述CPU板，所述CPU板发出执行牵引***控制算法的指令，所述PWM脉冲板基于所述CUP板的指令，向储能装置/电机负载输出脉冲指令，并向所述CPU板反馈所述PWM脉冲板是否可靠发送至指定功率器件的信息；
1)CPU板通过模拟量信号板SGN采集网压传感器ESSV1监测到的网压值达到预设值时，通过数字量输入输出板(DI/DO)控制闭合充电接触器KM12；通过电子R11/R12限流给支撑电容FC1充电；2)CPU板通过模拟量信号板SGN采集母线电压传感器DCSV1检测到母线电压达到预设值，通过数字量输入输出板(DI/DO)控制闭合主接触器KM11并断开充电接触器KM12；3)CPU板通过数字量输入输出板(DI/DO)检测到主接触器闭合反馈以后，程序执行充电指令，通过PWM脉冲板发送脉冲指令到VT16，给储能装置充电；同时程序执行牵引三相输出和制动斩波指令，通过PWM脉冲板发送脉冲指令到VT11～VT14；三相输出至电机负载，制动斩波输出至制动电阻。
S24：当列车处于无电区时，开启所述DCDC***，所述数字量输入输出板接收到接触器反馈的指令后，所述模拟量信号板将采样信号进行处理后传送到所述CPU板，所述CPU板发出执行DCDC控制算法的指令，所述PWM脉冲板基于所述CUP板的指令，向储能装置/电机负载输出脉冲指令，并向所述CPU板反馈所述PWM脉冲板是否可靠发送至指定功率器件的信息；所述功率器件包括牵引***和DCDC***功率的开关管及驱动板，VT11～VT14、VT16。
当1)CPU板通过数字量输入输出板(DI/DO)接收到无电区指令后，程序执行供电指令，通过PWM脉冲板发送脉冲指令到VT16；2)CPU通过模拟量信号板(SGN)采集母线电压传感器DCSV1检测到母线电压达到预设值，通过数字量输入输出板(DI/DO)控制闭合主接触器KM11；3)程序执行牵引三相输出和制动斩波指令，通过PWM脉冲板发送脉冲指令到VT11～VT14；储能装置向外部供电，以及通过逆变器三相输出至电机负载，制动斩波输出至制动电阻。
当列车处于无电区时，控制数字量输入输出板(DI/DO)接收到外部运行指令，DSP芯片内定时器周期中执行外部逻辑控制函数，定时器中断执行DCDC控制算法；母线电压传感器DCSV1检测到母线电压Udc通过控制单元模拟量输入信号(SGN)板处理后送到DSP芯片达到***设定阈值后，通过数字量输入输出板(DI/DO)发出KM11闭合指令，当母线电压传感器DCSV1检测到母线电压Udc达到算法内设定阈值后，定时器中断执行牵引***控制算法；列车在无电区正常运行。
所述定时器中断周期中优化算法的DCDC控制算法部分为：
DCDC***控制本方案采用S1、S2单独控制的方式，S1、S2分别为DCDC***控制电路开关管VT16中的开关管S1和开关管S2。电路的运行状态由司机室开关手动输入控制。在Buck模式下，控制信号控制S1通断，S2始终关断，仅有Ds2续流时起作用。同理，在Boost模式下，S1始终关断，控制开关S2通断以实现超级电容电能输出。电路工作在Buck与Boost模式下模型的建立与分析方法相同，因此本文仅以Buck模式下电路为例，进行小信号模型建立。
DCDC***等效电路如图3所示，其中RL为储能电感等效内阻，Rcs、Rcp分别为超级电容等效串联、并联电阻。
开关管S1导通和关断时电路等效模型分别如图4、图5所示，假设开关器件导通电阻均为Rson。
开关S1导通时，有公式：
Figure BDA0003141628910000141
式中：iL(t)为电感电流；is(t)为开关管S1管导通电流；Rson为开关管S1或者开关管S2导通时的电阻；L为储能电感值、RL为电感等效电阻；V1为网侧电压、V2为储能装置电压；uceq为储能装置电压值、Rcs为储能装置串联等效电阻；Ceq为储能装置容值；Rcp为储能装置并联等效电阻；
当开关管S1关断时，有公式
Figure BDA0003141628910000151
由公式(1)、(2)得出一个开关周期内的状态平均方程：
Figure BDA0003141628910000152
式中：<x(t)>TS形式表示变量x(t)在一个开关周期内的平均值；D为开关管S1导通占空比，Ts为开关周期；
将公式(3)化简得：
Figure BDA0003141628910000153
根据电感伏秒平衡以及电容的安秒平衡，忽略二阶扰动量化简可得：
Figure BDA0003141628910000154
式中
Figure BDA0003141628910000155
表示变量在x(t)直流工作点附近做微小扰动。
对(5)进行拉普拉斯变换，令
Figure BDA0003141628910000156
得到电感电流与超级电容端电压对占空比扰动
Figure BDA0003141628910000157
的传递函数为：
Figure BDA0003141628910000161
其中，Rm＝Rson+RL在本发明的超级电容中，其等效并联电阻Rcp认为很大，则上式化简为：
Figure BDA0003141628910000162
输出电压对电感电流的微小扰动传递函数为：
Figure BDA0003141628910000163
式中：Gvd为电压的传递函数；Gid为电流的传递函数，Gvi(s)为微小扰动的传递函数，s为拉普拉斯变换后的算子。
根据上述小信号模型分析，建立如图5所示的电感电流与电容电压双闭环控制模型，以实现所述DCDC***对牵引***的供电和充电时对输出电压和电流的闭环控制。
所述定时器中断周期中优化算法的牵引***控制算法部分为：
算法程序包含矢量控制算法和SVPWM空间矢量调制算法两部分。矢量控制算法采用基于偏差解耦转差型矢量控制算法。具体执行过程如下。
(1)所述模拟量信号板通过U相电流传感器SCU、V相电电机转速传感器流传感器SCV、W相电流传感器SCW检测出牵引逆变器三相输出电流值，以及检测到当前电机转速后，将采样信号进行A/D处理后送给CPU板进行运算。定时器周期中断中的采样计算函数对数字量信号进行运算处理后得到实际电流值和转速值。
(2)牵引控制算法通过三相电流值和转速信号进行转子磁场定向变换。
Figure BDA0003141628910000164
Figure BDA0003141628910000165
其中，iα为两相静止坐标系α轴电流值；iβ为两相静止坐标系β轴电流值；iu为牵引U相输出电流传感器SCU输出电流值；iv牵引V相输出电流传感器SCV输出电流值；iw牵引W相输出电流传感器SCW输出电流值；id为两相旋转坐标系d轴电流值、iq为两相旋转坐标系q轴电流值；ω1为两相旋转坐标系dq轴电流值频率；
(3)对变换后两相旋转坐标下电流值进行电压值计算。
Figure BDA0003141628910000171
Figure BDA0003141628910000172
其中，
Figure BDA0003141628910000173
为两相旋转坐标系d轴电压给定值、
Figure BDA0003141628910000174
为两相旋转坐标系q轴电压给定值；
Figure BDA0003141628910000175
为两相旋转坐标系d轴电流给定值、
Figure BDA0003141628910000176
为两相旋转坐标系q轴电流给定值；k为电机负载系数；ud为两相旋转坐标系d轴电压实际输出值、uq为两相旋转坐标系q轴电压实际输出值；△ud为两相旋转坐标系d轴电压调节值、△uq为两相旋转坐标系q轴电压调节值。
(4)将计算的旋转坐标系下d轴电压值和q轴电压值代入SVPWM空间矢量调制算法计算三相输出需要的占空比数值。
Figure BDA0003141628910000177
其中，t1为空间电压矢量相邻作用时间1；t2为空间电压矢量相邻作用时间2；t0为零矢量时间；Ts为开关周期；
Figure BDA0003141628910000178
为三相坐标系电压标幺值；
(5)根据计算的SVPWM调制空间电压矢量作用时间，可以得出牵引***逆变桥臂VT1～VT4开关管占空比，输出需要脉冲信号，实现基于偏差解耦转差型矢量控制算法，控制电机负载达到给定转矩要求。
本发明的另一个实施例中，牵引逆变器连接的电机负载通过增加牵引逆变桥臂的数量，可扩展到两个负载以上，其原理图如图7所述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于一体化设计间歇式供电牵引控制器，包括牵引***和DCDC***，其特征在于，所述牵引控制器包括：CPU板、PWM脉冲板、模拟量输入信号板、数字量输入输出板、故障记录板、网关板和电源板；
所述PWM脉冲板、模拟量输入信号板、数字量输入输出板、故障记录板、网关板和电源板均与所述CPU板电路连接；
所述CPU板用于机箱内其他电路板数据采集后处理、定时器中断周期中优化算法的牵引***控制算法部分和DCDC***算法部分逻辑控制的功能实现；
所述PWM脉冲板用于基于所述CPU板的控制指令，向储能装置/电机负载输出脉冲指令，并向所述CPU板反馈所述PWM脉冲板是否可靠发送至指定功率器件的信息；
所述模拟量输入信号板用于实时获取采样数据，进行信号转换后传输至所述CPU板，所述采样数据包括电压传感器信号，以及电机负载速度信号和温度信号、制动电阻温度信号、储能装置传感器信号；
所述故障记录板用于记录所述牵引控制器的故障数据以配合所述CPU板确定是否存在故障；
所述数字量输入输出板为列车DI/DO信号的接收和发送，其还用于控制接触器，配合所述CPU板进行牵引***或DCDC***各自对应的控制电路的电路切换；
所述网关板用于为所述牵引***/DCDC***与列车构造通讯网络；
所述电源板用于接收外部供电电源并转换成各板所需的供电电压；
所述牵引控制器的切换控制逻辑包括：
S21：列车启动后进行采样数据处理：将通过所述模拟量输入信号板获取到的采样数据，进行信号转换后传输至所述CPU板，通过所述CPU板内的主控芯片进行初始化设置，并结合所述故障记录板中记录的故障数据进行判断所述牵引控制器是否存在故障，完成***的自检；
S22：若所述牵引控制器处于正常工作状态，则CPU板通过接收所述数字量输入输出板通信接口接收到的列车处于有电区/无电区的信号；当接收到的是列车处于有电区的信号时，CPU板执行定时器中断周期中优化算法的牵引***控制算法部分；以将接收到的所述列车处于有电区的信号传输至所述数字量输入输出板，进而控制接触器以及接收接触器闭合反馈；当接收到的是列车处于无电区的信号时，CPU板执行定时器中断周期中优化算法的DCDC控制算法部分；以将接收到的所述列车处于无电区的信号传输至所述数字量输入输出板，进而控制接触器以及接收接触器闭合反馈；
S23：当列车处于有电区时，开启所述牵引***，所述数字量输入输出板接收到接触器反馈的指令后，所述模拟量输入信号板将采样信号进行处理后传送到所述CPU板，所述CPU板执行定时器中断周期中优化算法的牵引***控制算法部分，所述PWM脉冲板基于所述CPU板的指令，向储能装置/电机负载输出脉冲指令，并向所述CPU板反馈所述PWM脉冲板是否可靠发送至指定功率器件的信息；
S24：当列车处于无电区时，开启所述DCDC***，所述数字量输入输出板接收到接触器反馈的指令后，所述模拟量输入信号板将采样信号进行处理后传送到所述CPU板，所述CPU板执行定时器中断周期中优化算法的DCDC控制算法部分，所述PWM脉冲板基于所述CPU板的指令，向储能装置/电机负载输出脉冲指令，并向CPU板反馈PWM脉冲是否可靠发送至指定功率器件的信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于一体化设计间歇式供电牵引控制器，其特征在于，所述牵引控制器的电路包括主控制电路、牵引控制电路和DCDC控制电路；
所述主控制电路能够控制所述牵引控制电路和DCDC控制电路；
所述主控制电路一端连接外部电源，另一端连接所述牵引控制电路，所述牵引控制电路的另一端分别连接电机负载和制动电阻；所述DCDC控制电路与所述牵引控制电路并联，其一端连接所述主控制电路，另一端连接储能装置。
3.根据权利要求2所述的一种基于一体化设计间歇式供电牵引控制器，其特征在于，所述主控制电路包括滤波电路、预充电回路和检测电路；
所述滤波电路包括直流电抗器L1、支撑电容FC1；
所述预充电回路包括主接触器KM11、充电接触器KM12、第一充电电阻R11和第二充电电阻R12；
所述检测电路包括网压传感器ESSV1、母线电流传感器DCSC1、母线电压传感器DCSV1；
所述网压传感器ESSV1两端与外部电源连接，直流熔断器FUSE1一端连接所述外部电源，另一端与所述母线电流传感器DCSC1、所述主接触器KM11连接和所述电抗器L1串联；所述充电接触器KM12一端连接于所述母线电流传感器DCSC1与所述主接触器KM11的连接处，另一端与所述第一充电电阻R11连接，所述第二充电电阻R12与所述第一充电电阻R11并联，且所述第二充电电阻R12连接于所述主接触器KM11连接和所述电抗器L1的连接处；所述母线电压传感器DCSV1与第一慢放电电阻R13和第二慢放电电阻R14并联，其一端连接所述外部电源，另一端与所述电抗器L1连接；所述支撑电容FC1与所述母线电压传感器DCSV1并联。
4.根据权利要求3所述的一种基于一体化设计间歇式供电牵引控制器，其特征在于，所述牵引***控制电路包括电机负载、制动电阻、牵引U相输出电流传感器SCU、牵引V相输出电流传感器SCV、牵引W相输出电流传感器SCW、牵引制动斩波相输出电流传感器SCB、第一逆变牵引桥臂VT11、第二逆变牵引桥臂VT12、第三逆变牵引桥臂VT13、第四逆变牵引桥臂VT14、第一电容C11、第二电容C12、第三电容C13和第四电容C14；
所述第一逆变牵引桥臂VT11、第二逆变牵引桥臂VT12、第三逆变牵引桥臂VT13和第四逆变牵引桥臂VT14并联，且均与所述支撑电容FC1并联，所述第一电容C11与所述第一逆变牵引桥臂VT11并联；所述第二电容C12与所述第二逆变牵引桥臂VT12并联；所述第三电容C13与所述第三逆变牵引桥臂VT13并联；所述第四电容C14与所述第四逆变牵引桥臂VT14并联；
所述第一逆变牵引桥臂VT11、第二逆变牵引桥臂VT12、第三逆变牵引桥臂VT13和牵引斩波桥臂VT14均包括两个串联的第一开关管S1和第二开关管S2；所述牵引U相输出电流传感器SCU一端连接所述电机负载的U相接线端，另一端连接所述第一逆变牵引桥臂VT11中第一开关管S1和第二开关管S2连接处；所述牵引V相输出电流传感器SCV一端连接所述电机负载的V相接线端，另一端连接所述第二逆变牵引桥臂VT12中第一开关管S1和第二开关管S2连接处；所述牵引W相输出电流传感器SCW一端连接所述电机负载的W相接线端，另一端连接所述第三逆变牵引桥臂VT13中第一开关管S1和第二开关管S2的连接处；所述牵引制动斩波相输出电流传感器SCB一端连接所述制动电阻的BCH接线端，另一端连接所述第四逆变牵引桥臂VT14中的第二开关管S1和第二开关管S2的连接处。
5.根据权利要求3所述的一种基于一体化设计间歇式供电牵引控制器，其特征在于，所述DCDC控制电路包括储能装置、DCDC熔断器FU15、DCDC滤波电容C16、DCDC母线电压传感器SV15、DCDC输出电抗器L15、超级电容侧电流传感器SCD1、DCDC控制电路开关管VT16、第五电容C15；所述DCDC控制电路开关管VT16包括串联的第一开关管S1和第二开关管S2；
所述第五电容C15一端连接所述支撑电容FC1，另一端经由所述支撑电容FC1与所述外部电源连接处连接所述储能装置；所述储能装置的另一端连接DCDC熔断器FU15；所述DCDC熔断器FU15、DCDC输出电抗器L15和超级电容侧电流传感器SCD1串联；所述DCDC控制电路开关管VT16与所述支撑电容FC1并联，所述超级电容侧电流传感器SCD1的另一端连接于开关管S1和开关管S2的连接处；所述DCDC滤波电容C16一端连接所述储能装置，另一端连接于所述DCDC熔断器FU15与所述DCDC输出电抗器L15的连接处；所述DCDC母线电压传感器SV15与所述DCDC滤波电容C16并联。
6.根据权利要求1所述的一种基于一体化设计间歇式供电牵引控制器，其特征在于，所述定时器中断周期中优化算法的DCDC控制算法部分为：
当开关S1导通时，有公式：
Figure FDA0003625079300000041
式中：iL(t)为电感电流；is(t)为第一开关管S1管导通电流；Rson为第一开关管S1或者第二开关管S2导通时的电阻；L为储能电感值、RL为电感等效电阻；V1为网侧电压、V2为储能装置电压；uceq为储能装置电压值、Rcs为储能装置串联等效电阻；Ceq为储能装置容值；Rcp为储能装置并联等效电阻；
当开关管S1关断时，有公式
Figure FDA0003625079300000051
由公式(1)、(2)得出一个开关周期内的状态平均方程：
Figure FDA0003625079300000052
式中：<x(t)>TS形式表示变量x(t)在一个开关周期内的平均值；D为开关管S1导通占空比，Ts为开关周期；
将公式(3)化简得：
Figure FDA0003625079300000053
根据电感伏秒平衡以及电容的安秒平衡，忽略二阶扰动量化简可得：
Figure FDA0003625079300000054
式中
Figure FDA0003625079300000055
表示变量在x(t)直流工作点附近做微小扰动；
对(5)进行拉普拉斯变换，令
Figure FDA0003625079300000056
得到电感电流与超级电容端电压对占空比扰动
Figure FDA0003625079300000057
的传递函数为：
Figure FDA0003625079300000061
其中，Rm＝Rson+RL在本发明的超级电容中，其等效并联电阻Rcp认为很大，则上式化简为：
Figure FDA0003625079300000062
输出电压对电感电流的微小扰动传递函数为：
Figure FDA0003625079300000063
式中：Gvd为电压的传递函数；Gid为电流的传递函数，Gvi(s)为微小扰动的传递函数，s为拉普拉斯变换后的算子；
从而建立电感电流与电容电压双闭环控制模型，以实现所述DCDC***对牵引***的供电和充电时对输出电压和电流的闭环控制。
7.根据权利要求1所述的一种基于一体化设计间歇式供电牵引控制器，其特征在于，所述定时器中断周期中优化算法的牵引***控制算法部分为：
S81：所述模拟量信号板通过U相电流传感器SCU、V相电电机转速传感器流传感器SCV、W相电流传感器SCW检测出牵引逆变器三相输出电流值，当检测到当前电机转速后，将采样信号进行处理后传送到所述CPU板进行运算，得到实际电流值和转速值；
S82：所述牵引***控制算法通过三相电流值和转速信号进行转子磁场定向变换：
Figure FDA0003625079300000064
Figure FDA0003625079300000065
式中，iα为两相静止坐标系α轴电流值；iβ为两相静止坐标系β轴电流值；iu为牵引U相输出电流传感器SCU输出电流值；iv牵引V相输出电流传感器SCV输出电流值；iw牵引W相输出电流传感器SCW输出电流值；id为两相旋转坐标系d轴电流值、iq为两相旋转坐标系q轴电流值；ω1为两相旋转坐标系dq轴电流值频率；
S83：对变换后两相旋转坐标下电流值进行电压值计算；
Figure FDA0003625079300000071
Figure FDA0003625079300000072
式中，
Figure FDA0003625079300000073
为两相旋转坐标系d轴电压给定值；
Figure FDA0003625079300000074
为两相旋转坐标系q轴电压给定值；
Figure FDA0003625079300000075
为两相旋转坐标系d轴电流给定值；
Figure FDA0003625079300000076
为两相旋转坐标系q轴电流给定值；k为电机负载系数；ud为两相旋转坐标系d轴电压实际输出值、uq为两相旋转坐标系q轴电压实际输出值；△ud为两相旋转坐标系d轴电压调节值、△uq为两相旋转坐标系q轴电压调节值；
S84：将计算的旋转坐标系下d轴电压值和q轴电压值代入SVPWM空间矢量调制算法计算三相输出需要的占空比数值：
Figure FDA0003625079300000077
其中，t1为空间电压矢量相邻作用时间1；t2为空间电压矢量相邻作用时间2；t0为零矢量时间；Ts为开关周期；
Figure FDA0003625079300000078
为三相坐标系电压标幺值；
S85：根据计算的SVPWM调制空间电压矢量作用时间，得出牵引***逆变桥臂VT1～VT4开关管占空比，实现基于偏差解耦转差型矢量控制算法，控制电机负载达到给定转矩要求。
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