Научно-производственный центр «Прецизионная электромеханика» имеет опыт проектирования и разработки системы управления тяговым преобразователем электропоезда переменного тока 25 кВ (далее - СУ ПТ) для пригородного и межрегионального сообщения.
СУ ПТ предназначена для управления электромагнитными процессами в системе однофазный трансформатор - транзисторный преобразователь - асинхронный тяговый двигатель (далее - АТД).
СУ ПТ выполняет следующие функции:
- преобразует переменное напряжение вторичной обмотки силового трансформатора в постоянное напряжения звена постоянного тока;
- выполняет функцию коррекции коэффициента мощности в первичной обмотке силового трансформатора;
- обеспечивает формирование преобразователем момента на валу АТД оси моторной тележки электропоезда в соответствии с заданием на силу тяги, получаемую от системы управления верхнего уровня электропоезда (далее - СУ поезда), которая задается в процентах от максимально допустимой силы тяги электропоезда;
- реализует систему защиты от буксования и юза;
- отрабатывает команды, поступающие от СУ поезда;
- обрабатывает сигналы датчиков тока, напряжения, температуры, скорости оси и формирует импульсы управления силовыми IGBT-модулями;
- выполняет контроль состояния силового и коммутирующего оборудования тягового преобразователя;
- передает в СУ поезда информацию, необходимую для реализации режимов работы электропоезда и диагностики состояния тягового преобразователя, включая измеряемые и вычисляемые параметры контролируемого оборудования;
- выполняет обмен данными с СУ поезда по интерфейсам CAN по протоколу CANopen и Ethernet.
Аппаратное обеспечение:
СУ ПТ построена на базе нескольких многоядерных микроконтроллеров фирмы Texas Instruments семейства C2000, что позволяет реализовать вычислительно сложные алгоритмы управления на частотах 10–50 кГц. Для поддержки информационного обмена между контроллерами они связаны в единую CAN-сеть с помощью разработанного протокола на базе CANopen.
Модули контроллеров управления содержат ПЛИС для управления современными драйверами MOSFET и IGBT, что позволяет гибко реализовывать сложные алгоритмы ШИМ с переменной частотой коммутации, а также обрабатывать при необходимости сигналы обратных связей, генерируемых драйверами.
Для подключения управляющего компьютера к сети CAN разработаны CAN-платы, поддерживающие стандарт PCI или PCI Express, и драйвера под ОС семейств Windows и Linux. Для ОС Linux разработан вариант драйвера, поддерживающего интерфейс CAN-sockets, что позволяет взаимодействовать с CAN-платой (и соотв. узлами CAN-сети) нескольким независимым приложениям пользователя.
Контроллеры СУ ПТ поддерживают скорость обмена по сети CAN до 1 Мбит/с. Данная скорость позволяет организовать цикл обмена информацией (обратные связи и статус в направлении компьютера, задание и команды в сторону привода) на частотах 1–5 кГц.
Реализована возможность записи на SD-карту данных в режиме так называемого “чёрного ящика” с сохранением, в случае аварийной ситуации, значений контролируемых величин за несколько секунд до и после аварии.
Надежность и безопасность функционирования СУ ПТ обеспечивается гальванической развязкой всех аналоговых и цифровых сигналов с контроллером управления и использованием сигма-дельта преобразования для их обработки. Оптический интерфейс управления ключами позволяет свести к минимуму влияние помех.
Программно-математическое обеспечение системы управления тяговым преобразователем реализует:
- блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для фазовой синхронизации задания для регулятора тока фазы и напряжения в первичной обмотке трансформатора;
- регулятор тока фазы, осуществляющий формирование тока в первичной обмотке тягового трансформатора;
- регулятор напряжения звена постоянного тока (ЗПТ) для стабилизации напряжения в ЗПТ на заданном уровне;
- алгоритмы регулирования и ограничения мощности АТД на основе оценки напряжения сети на первичной обмотке трансформатора для обеспечения близкого к единице коэффициента мощности в широком диапазоне нагрузок;
- согласованную работу на общее звено постоянного тока нескольких преобразователей для улучшения динамических характеристик системы привода;
- алгоритм векторного регулирования электромагнитного момента АТД с поддержанием максимально возможного потока тягового двигателя во всем диапазоне изменения скорости в режимах тяги и рекуперативного торможения;
- алгоритм определения величины напряжения на обмотках АТД по сигналам состояния силовых ключей с учетом «мертвого времени» и падения напряжения на питающих проводах и силовых ключах;
- электромагнитную модель АТД с наблюдателем активного сопротивления ротора для компенсации изменения температуры ротора;
- тепловую модель АТД для ограничения нагрузки тягового двигателя;
- алгоритм защиты от буксования в тяге и юза при электрическом торможении для предотвращения проскальзывания колёс оси моторной тележки электропоезда;
Программно-математическое обеспечение микроконтроллеров реализует:
- перепрограммирование встроенной Flash-памяти с компьютера по сети CAN с использованием собственного протокола программирования, что позволяет отказаться от использования JTAG при обновлении прошивки контроллера и перемычек, определяющих источник загрузки программы микроконтроллера;
- встроенный «виртуальный осциллограф», позволяющий на управляющем компьютере получать обратные связи быстропротекающих процессах с частотой квантования 10–100 кГц;
- многоуровневые механизмы защиты по току, напряжению, температуре и т. д.;
- изменение уставок, настроек защиты, других параметров в режиме реального времени;
- протоколирование протекающих процессов и событий с сохранением, в случае аварийной ситуации, значений контролируемых величин, произошедших за несколько секунд до и после аварии.
Для отладки ПО микроконтроллеров и СУ ПТ в целом был разработан программный комплекс для компьютера под операционные системы Windows и Linux.
Компьютерная часть ПО обеспечивает визуализацию в реальном времени протекающих процессов (токи в обмотках двигателя, напряжение ЗПТ, скорость двигателя и т. д.) и протоколирование информации в текстовом формате, который даёт возможность быстро загружать данные в различные инструменты обработки (Excel, Python, MATLAB и т. п.) без предварительных преобразований.
Для быстрого прототипирования алгоритмов управления силовыми преобразователями АТД реализована возможность автоматической генерации из MATLAB/Simulink исходных текстов модулей программного обеспечения микроконтроллеров.