电力牵引交流传动系统fpga建模及硬件在环仿真电气工程专业论文.docxVIP

研究生优秀毕业论文 西南交通大学 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1．必威体育官网网址口，在年解密后适用本授权书； 2．不必威体育官网网址团，使用本授权书。 (请在以上方框内打‘‘√”) 学位论文作者签名：击产竭 指导老师签名： 冯晓么 日期：)。咸s．)亨 日期： ≯o 15．S．巧 万方数据 西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1)描述了两电平和三电平电力牵引交流传动系统的结构及其原理，对包含开关器件的 结构一一整流器和逆变器，推导得到其状态方程模型。为了揭示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。 2)通过System Generator将所建立的模型集成在FPGA芯片中。首先将模型中的变量 都采用定点数表示；然后介绍了基于FPGA的乘法器和逻辑运算实现；最后考虑系统 的各环节模型，给出了模型各部分的流水线设计。利用FPGA模拟牵引传动系统，大 幅缩短了仿真的步长，实现了系统模型的微秒级实时仿真。此外，本文中采用的FPGA 建模方法在其他电力电子系统中具有一定的推广意义。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 鹕 日期：2 0 J5．箩．(岁 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页 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DSPF2812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。 关键词：电力牵引交流传动系统；混合逻辑动态模型；FP