Design and implementation of traction control unit on soc for railway systems

Abstract

Karmaşık sistemlerin geliştirme süreci, bir dizi önemli adım içerir ve bunlardan en önemlisi sistemin doğrulanmasıdır. Bu aşama özellikle güvenlik ve enerji verimliliğinin büyük önem taşıdığı uygulamalarda, örneğin demiryolu taşıma sistemlerinde, önemlidir. Bu nedenle, trenin raylarda normal çalışmasından önce bir dizi test ve simülasyonun yapılması gerekir. Bu çalışma, bir Hardware in the Loop (HIL) yani döngü içindeki donanım ortamında demiryolu çekiş motorunun performansını optimize etmek amacıyla gelişmiş bir kontrol yönteminin uygulanmasını içermektedir. İlk olarak, vektörel ve skalar kontrol yaklaşımlarını içeren çeşitli kontrol sistemlerinin kapsamlı bir incelemesi yapıldı. Vektörel kontrol metotlarından hem alan odaklı kontrol (FOC) hem de doğrudan tork kontrolü (DTC) metotları incelendi. Ayrıca, çekiş motorları alanında hem doğru akım (DC) hem de alternatif akım (AC) motor tipleri araştırıldı. Alternatif akım (AC) motorları alanında, özellikle indüksiyon ve kalıcı mıknatıslı senkron motor (PMSM) tiplerine odaklanıldı. Bu araştırmaların sonucu olarak, FOC yaklaşımının, AC indüksiyon motoru ile birleştirildiğinde, demiryolu çekiş motorlarının kontrolü için en uygun seçenek olduğu gösterildi. Plecs RT Box 3 simülatör cihazı ve üzerinde Texas Instrument (TI) entegre çip üreticisine ait mikro denetleyici birimini (MCU) bulunduran, F28379 kodlu geliştirme kartı tarafından sağlanan HIL kurulumu, gerçek zamanlı simülasyon ve FOC algoritmasının çeşitli yükler ve dinamik koşullar altında doğrulamasına izin veren sağlam bir test ortamı oluşturmuştur. Çalışmanın yöntemi, FOC algoritmasını MCU'ya ve üç fazlı gerilim kaynaklı invertör (VSI) modeli ile raylı araçlara uygun parametrelere sahip AC indüksiyon motorunun modelini RT Box 3 simülatörüne entegre edip gerçek zamanlı ve donanımsal olarak simülasyon yapmayı içermektedir. Hafif raylı araçlar için uygun parametreler olan 1000V DC-bara beslemesi ve 1 kHz anahtarlama frekansı ile, 120kW alternatif akım (AC) indüksiyon motoru üzerinde kontrolcüden gönderilen 400Nm referans tork değerine göre tepeden tepeye %10 sapma ile verimli ve hassas tork kontrolü sağlanmıştır.The process of development includes a number of important steps, one of which is the verification of a complicated system. This stage is especially important in the case of applications where safety and energy efficiency have greater importance, such as railway transportation systems. Therefore, a series of tests and simulations must be conducted before the natural operation of the train on the rails. This study investigates the implementation of an advanced control strategy within a hardware-in-the-loop (HIL) environment in order to maximize the performance of a railway traction motor and achieve optimal results. At beginning, a comprehensive investigation into a variety of control systems, including vector and scalar control approaches, was carried out. Field-oriented control (FOC) and direct torque control (DTC) were investigated from the perspective of the vector control method. Moreover, both direct current (DC) and alternating current (AC) motor types were researched in the field of traction motors. Within the realm of alternating current (AC) motors, particular focus was placed on both induction motor and permanent magnet synchronous motor (PMSM) types. As a consequence of these experiments, the FOC approach, when combined with an AC induction motor, was shown to be the most suitable option for the control of railway traction motors. The Plecs RT Box 3 simulator device and the F28379 development board make up the HIL setup, which offers a robust test environment. The F28379 development board contains the TMS320F28379 microcontroller unit (MCU) from the C2000 family of integrated chip manufacturer Texas Instruments (TI). This setup enables real-time simulation and validation of the proposed FOC algorithm under a variety of loads and dynamic conditions. The study's method includes building the control algorithm into a microcontroller (MCU) and the traction motor model with a three-phase voltage source inverter (VSI) on the RT Box 3 simulator. This provides real-time and hardware-in-the-loop simulation easier. The controller gives a 400Nm reference torque value to the 120kW AC induction motor. This makes for efficient and accurate torque control with a peak-to-peak deviation of 10% when used with a 1000V DC-link supply and a 1 kHz switching frequency, which are suitable parameters for light railway vehicles.