摘要：在铁路牵引驱动系统中，六步运行被广泛用于磁通弱化区域的电机。由于单一自由度的限制，六步运行中的传统矢量控制算法不能有效工作。本研究分析了电压振幅受限时的dq电流耦合关系，并应用了六步运行的电流闭环控制策略。本研究提出了一种适当的开关控制策略，以实现全速区感应电机的双模式控制。场定向的准确性受电机参数变化的影响，并在电流控制精度方面起着关键作用。本研究分析了场定向误差对电机六步运行的影响。结果发现所提出的电流闭环控制策略可以纠正场定向误差，并保证电机电流精确跟踪参考值。

1 介绍

       矢量控制已被广泛用于铁路感应电机(IM)的控制，其中转矩和磁通量的控制独立于磁场方向。由于逆变器直流链路的电压限制逆变器直流链路的电压限制，感应电机需要磁通弱化控制，以延长工作速度。在铁路牵引驱动系统中，变频器一般进入六步操作，以利用当电机处于磁通弱化区时的直流链路电压。与空间矢量脉宽调制（SVPWM）的线性区域相比，变频器的输出基波电压振幅在六步操作中提高了10.26%。同时，输出扭矩和工作面积也得到了相应的改善。面积。六步操作也降低了开关频率，从而降低了逆变器的功率损耗。因此，六步操作有助于减少变频器的尺寸和重量。IM磁通削弱控制主要有四种类型。(i) 计算转子磁通指令与电机速度成反比电机速度。这种方法很简单，但它很难提供。(ii) 根据电机模型计算励磁 根据电机模型计算励磁电流指令。控制性能对电机参数的变化很敏感。(iii) 励磁电流和转矩电流参考可以从查询表中获得。励磁电流和转矩电流参考可以从查找表中获得，但这种方法缺乏可移植性. (iv) 逆变器最大输出电压与电机定子电压之间的差值和电机定子电压之间的差值被用作电压调节器的输入。调节器的输入，以调整励磁电流。这种方法不不依赖于电机参数，并提高了磁通削弱控制的稳健性。为了实现六步运行中的IM磁通削弱控制。电流开环控制，而不是在六步运行中使用双电流稳压器。这种方法的电流响应 这种方法的电流响应能力是有限的。四个PI控制器参与到 在六步运行前后切换控制策略。

       高性能的电机控制需要适当的电流控制策略和精确的磁场定位。策略和精确的场定位。在列车运行过程中。电机参数会因为温度、磁通量、饱和度、集肤效应等因素而改变。饱和，集肤效应等原因而改变。因此，电机的磁场定位定向将是不准确的。这将降低电机控制的性能，导致输出扭矩不准确，甚至出现瞬态振荡。电机参数可以通过以下方式观察、信号注入、状态观测器、模型参考自适应技术、人工智能等。本文研究了铁路牵引系统中六步运行的磁通削弱控制牵引系统中IMs的控制。第2节讨论了IM励磁和扭矩在高速区域的耦合效应。在耦合效应的基础上，当前的闭环磁通量削弱控制实现了快速扭矩控制。

2 六步操作中的磁通量减弱控制

2.1  dq电流的耦合关系

      在一个同步旋转的坐标系中，根据转子场方向，IM定子电压的稳态公式为：

       可以看出，在非零速度下，如果usq是固定的。电机dq电流有一个线性关系。这种线性关系在小信号范围内是健全的，其中Ls和Rs可以被认为是常数。这种线性关系代表了dq电流耦合效应。随着定子频率的增加而增加，这意味着耦合系数（ωeLs /Rs）随着定子频率的增加而增加，这意味着耦合效应随着定子频率的增加而增强。

      电机的运行受到定子电流和电压的限制，Ismax取决于变频器和电机的额定电流。而Usmax则取决于变频器的直流链路电压和调制方式：

      当定子频率较低时，Usmax比电机的反电动势高得多。 usq有足够的范围可供调整，而且耦合效应很容易限制。因此，双电流调节器可以实现瞬时电流控制。显示了一个典型的双电流调节器控制方案，用于基频以下的感应牵引电机。为了提高电机电流的响应速度，前馈补偿被用来实现dq电流解耦。

2.2 六段式运行中的电流闭环控制

      为了实现六步运行中的电流闭环控制，本文中的dq电流的强耦合效应。dq电压指令的调整中显示。整体控制方案所示，只有 d轴电流调节器仍然要调整电压指令在六步操作中。电机励磁和扭矩控制由一个D轴电流调节器完成。q轴电压 指令不是从q轴电流调节器获得的，而是通过逆变器最大输出电压和d轴电压指令从中计算出来。瞬时采样和更新的 Udc被用来计算Usmax。因此，Udc波动的影响 对六步操作的影响被消除了。为了保证电机 为了保证六步运行中的电机响应速度，D轴电压指令 是由d轴电压前馈部分usd_fd和d轴电流PI控制器来计算的。d轴电流PI控制器。这样一来，在六步运行中的单一自由度的限制 在六步操作中，单一自由度的限制得到了满足，并且电流闭环控制得以实现。

2.3 全速区域双模式控制和开关策略

      根据传统的双电流调节器矢量控制中的六步运行的电流闭环控制。本文提出了一种双模式的牵引电流控制方案。该方案适用于多模式混合PWM的运行策略，当IM处于恒定转矩区域，且速度低于低于ωbase时，电机电压没有达到最大的 电压限制。电机只应满足电流约束。并采用传统的双电流调节器矢量控制。当电机速度增加并进入磁通量减弱的 时，采用六步运行电流闭环控制。以利用最大电压。为了实现全速区域的双模式控制，两个控制方案需要在线切换到对方，usq*、Usmax和usd*之间的关系如下 usq*、Usmax和usd*的关系如下。

       控制方案不再适用，而需要使用六步控制方案，是六步操作的入门条件。等式总是被满足，所以usq*不能被用作标志来退出六步操作。在六步操作中，另一个q轴电压指令可以q轴电流调节器输出。q轴电流调节器可以输出另一个q轴电压指令，该指令被定义为usq1*，不用于控制电机。usq1*与计算的usq*不同。将usq1*放入中，可以确定是否退出六步法操作也不适用。当提六步控制方案时， 可以快速跟踪iq*，并且电机的反电动势力由于磁通弱化控制而受到限制。因此，usq1*可以满足并导致不合理的六步运行的关闭。

       整个系统在稳定状态下接近于六步法运行当系统指令快速变化时，暂时切换到六步法运行。

指这导致在高速区域的系统开关频率过高，并且直流链路电压没有被充分利用。

       为了解决上述问题，D轴的电流被用作作为退出六步法操作的标准。当电机转速或负载降低时电机运行点会向曲线右侧移动应该退出六步法运行。因此，退出六步运行的标准可以从通过isd速率的关系，当d轴电流高于isd⋅速率时，六步磁通量削弱控制被关闭，而传统双电流调节器矢量控制被恢复了。在此过程中禁止通过q轴调整磁通量。调节器的积分器项目被清除以避免对控制的影响。切换六步法的整体标准操作的整体标准。

3 现场定向误差效应分析和自我纠正

       在一个间接的面向场的矢量控制系统中，场的位置是通过对转子频率和转子的位置进行积分来计算的。

       在实际操作中，电机参数和控制的改变延迟会导致实际转子时间常数Tr A的变化会导致定子频率计算的错误和场定向角δ的不准确。关于电机控制对于带有速度传感器的电机控制系统，当速度测量准确时，实际滑差频率等于给定的滑差频率。

       在中速和低速区域，由于双电流调节器的PI控制，无论磁场方向是否准确，实际定子电流的振幅都是一致的。当磁场定向不准确时，实际dq电流与指令之间存在误差。在六步运行中，无论磁场方向准确与否，定子电压的振幅都是一样的。当磁场定向不准确时，电机电压的实际角度就会改变。这就导致了实际dq电压和指令之间的误差。

       可以得到电压角误差和转子时间常数误差之间的关系。可以得到转子时间常数误差，随着转子时间常数Tr的估计误差越来越大和实际时间常数Tr的误差增加。当转子时间常数误差固定时，随着代表负载的代表负载的i* sq/i* sd|的增加，场定向角误差也会增加。

4 实验结果的分析

      它包括一个牵引IM，一个负载电机，两个三相转换器和两个控制系统。一个浮点数字信号处理器用于控制牵引IM。负载电机是由一个Myway平台控制。sd*和is*q的精度主要受Lm变化的影响。Lm主要受磁场电流的影响，可以通过离线测量进行校正。对于本文中使用的实验性电机Lm和场电流之间的关系，为了模拟牵引电机的运行环境，本文采用了多模式PWM并限制了开关量。由于实验中电机调速的范围比较窄，而功率和电压的等级又比较低，本文简化了多模式PWM，全速区域使用异步SVPWM和一个同步的11个脉冲的基本总线箝位策略（BBCS）SVPWM。最后，六档运行是通过11脉冲SVPWM过调制。

4.1 全速区域双模式控制和开关策略

       当电机加速到1500r/min然后减速时的实验结。这个过程中的dq电流和相电压的振幅。可以发现在电机进入六步运行后，q轴电流保持不变。而且在切换控制策略时，对dq电流没有影响。为了满足六步运行中的最大电压限制操作，调节器A被用来降低d轴电流。在六步运行中使用所提出的闭环可以看出，在六步运行中使用所提出的闭环控制可以使相电压的振幅与变频器的最大输出电压Usmax相同。电机在六步运行中工作稳定。显示了六步运行的开关点附近的相电流和线电压波形。电机进入和退出六步平稳地运行。

4.2 六步操作中的电流响应实验

      为了验证六步操作中的电流响应能力，进行了一个负载实验。显示了当电机转速为1300r/min，转矩电流指令为0时的dq电流和相位电流响应。电机在1300r/min时，转矩电流指令被突然改变。q轴的电流指令从3到1 A，然后增加到2 A。当dq电流指令突然改变时，动态响应很好。dq电流可以快速跟踪指令，并且相电流可以快速响应，以保证准确输出电机扭矩。

5 总结

       铁路应用中的牵引IMs应采用六步法在高速地区的操作。在这样的系统中，只有一个自由度，因此很难实现使用传统的磁通弱化控制的闭环控制。本文分析了基于IM电压方程的dq电流的耦合关系。利用这种关系，一个采用快速电流响应的磁通量削弱方案。

      其中dq电压指令是由一个单一的d-轴电流调节器进行调整。基于所提出的控制方案，实现了IM的全速双模式控制。切换原理分析了六步模式和PWM模式之间的切换。两种控制模式之间的平滑切换。这两种控制模式之间的平滑切换是通过适当的开关控制。IM可以稳定地工作在六步运行模式下，而不会出现在PWM模式之间不合理的重复切换，并完成快速的电流闭环控制。该案例研究介绍了对所提出的控制方案的验证在一个5.5千瓦的实验平台上验证了拟议的控制方案和分析，也可用于其他使用IM的六步操作的情况。