列車(chē)牽引電機(jī)低速運(yùn)行優(yōu)化控制研究.pdf

1、一方面，社會(huì)生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)交通運(yùn)輸能力的要求不斷提高，列車(chē)運(yùn)行速度越來(lái)越高，另一方面人們?cè)絹?lái)越重視列車(chē)乘坐舒適性，這就要求列車(chē)控制在起動(dòng)、制動(dòng)等各個(gè)運(yùn)行過(guò)程中做到既快又穩(wěn)。同時(shí)，能源和環(huán)境問(wèn)題是全球化重要課題，而列車(chē)牽引電機(jī)功率非常大，所以效率優(yōu)化對(duì)于列車(chē)牽引電機(jī)控制具有重要意義。為此，本文針對(duì)列車(chē)起動(dòng)、制停過(guò)程等低速運(yùn)行工況下?tīng)恳姍C(jī)優(yōu)化控制問(wèn)題進(jìn)行了研究。
　　首先，本文分析了列車(chē)運(yùn)行性能與牽引電機(jī)控制之間的關(guān)系，從而明確如

2、何改進(jìn)電機(jī)控制才能提高列車(chē)運(yùn)行性能。具體來(lái)說(shuō)，列車(chē)運(yùn)行舒適度主要受牽引力/制動(dòng)力曲線影響；平穩(wěn)制動(dòng)、準(zhǔn)確停車(chē)要依靠先進(jìn)的制動(dòng)技術(shù)；而提高牽引電機(jī)運(yùn)行效率是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑之一。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)提高牽引電機(jī)控制精度的關(guān)鍵技術(shù)及現(xiàn)有研究成果進(jìn)行了總結(jié)和討論。
　　接著，本文根據(jù)列車(chē)運(yùn)行要求對(duì)牽引電機(jī)控制器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括牽引力曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)、制動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)和效率優(yōu)化控制3個(gè)部分。(a)牽引力曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)：根據(jù)列車(chē)起動(dòng)過(guò)程

3、快速性和舒適度兩方面的要求，本文采用脈沖基3次多項(xiàng)式S曲線作為牽引力曲線，根據(jù)列車(chē)速度實(shí)時(shí)計(jì)算牽引力參考值，并且進(jìn)行列車(chē)運(yùn)行阻力計(jì)算誤差校正。(b)制動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)：在對(duì)比各種列車(chē)制動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，論文選擇再生電制動(dòng)作為主要制動(dòng)方式；列車(chē)制停過(guò)程制動(dòng)力參考值計(jì)算方法與起動(dòng)過(guò)程相似；此外，論文還討論了行車(chē)制動(dòng)和駐車(chē)制動(dòng)之間的切換配合問(wèn)題。(c)效率優(yōu)化控制：矢量控制方式下，根據(jù)電機(jī)工作點(diǎn)調(diào)整勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流、合理分配電機(jī)的鐵損和銅損

4、可以提高其運(yùn)行效率。在此過(guò)程中，等效鐵損電阻計(jì)算是重要一環(huán)，只有準(zhǔn)確估算出鐵損電阻效率優(yōu)化控制才能發(fā)揮出應(yīng)有效果。
　　由于牽引電機(jī)測(cè)速編碼器分辨率比較低，列車(chē)低速運(yùn)行時(shí)速度測(cè)量采樣率進(jìn)一步降低容易導(dǎo)致磁場(chǎng)定向準(zhǔn)確度下降。為了提高電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)磁場(chǎng)定向準(zhǔn)確度，本文對(duì)磁鏈觀測(cè)器做了進(jìn)一步研究，在分析各種磁鏈觀測(cè)器模型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)電壓型磁鏈觀測(cè)器。電壓模型磁鏈觀測(cè)器精度主要受反電動(dòng)勢(shì)零漂、定子電阻誤差和定子電壓計(jì)算誤差

5、影響，本文圍繞反電動(dòng)勢(shì)零漂和定子電阻誤差的辨識(shí)和校正對(duì)電壓型磁鏈觀測(cè)器做了改進(jìn)。根據(jù)磁鏈觀測(cè)結(jié)果直流分量與反電動(dòng)勢(shì)零漂之間的關(guān)系，以磁鏈觀測(cè)值直流分量作為反饋進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)零漂估計(jì)和校正，通過(guò)閉環(huán)控制達(dá)到去零漂的效果。在分析定子電阻誤差對(duì)磁鏈觀測(cè)影響的基礎(chǔ)上，本文構(gòu)造了一個(gè)以?xún)上嗤叫D(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流分量為自變量、能夠反映定子電阻誤差大小和符號(hào)的變量，通過(guò)閉環(huán)控制使該中間變量趨近于0從而消除定子電阻誤差。
　　針對(duì)列車(chē)速度測(cè)量編碼器分

6、辨率低的實(shí)際情況，論文提出了一種連續(xù)中斷T法速度測(cè)量方法：利用DSP捕獲單元檢測(cè)編碼器脈沖上升沿和下降沿(雙沿檢測(cè))，通過(guò)軟件方法實(shí)現(xiàn)每次捕獲都觸發(fā)捕獲中斷并在中斷子程序中進(jìn)行速度計(jì)算，從而提高速度采樣率、減小測(cè)速時(shí)間延遲；同時(shí)，通過(guò)合理計(jì)算方法規(guī)避了編碼器非50％占空比對(duì)雙沿檢測(cè)速度測(cè)量的影響。該方法能夠最大程度地利用編碼器脈沖的有效信息，而且不需要增加或改動(dòng)硬件設(shè)施，只需合理設(shè)置和使用。DSP捕獲單元即可實(shí)現(xiàn)。對(duì)有兩路輸出脈沖的編碼

7、器而言，采用這種測(cè)速方式后測(cè)速延時(shí)比通常方法減小一半，電機(jī)低速運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能有明顯提高。
　　目前，大多數(shù)交流牽引列車(chē)制停過(guò)程中會(huì)在速度較低時(shí)從電制動(dòng)切換為空氣制動(dòng)，空氣制動(dòng)方式雖然可靠但缺點(diǎn)也很明顯，如精確控制難度大，制動(dòng)盤(pán)磨損、定期更換增加人力、財(cái)力成本，并且制動(dòng)盤(pán)粉塵、噪音也會(huì)造成環(huán)境污染。如果能夠完全利用電制動(dòng)實(shí)現(xiàn)列車(chē)制停、空氣制動(dòng)僅作為駐車(chē)制動(dòng)，就能很好地解決這些問(wèn)題。電制動(dòng)制停的關(guān)鍵在于低速區(qū)制動(dòng)力輸出能力、制

8、停過(guò)程平穩(wěn)和列車(chē)到達(dá)零速時(shí)電制動(dòng)、空氣制動(dòng)的平滑切換。因?yàn)榱熊?chē)質(zhì)量和系統(tǒng)慣性非常大，所以列車(chē)速度變化緩慢，可以認(rèn)為速度是連續(xù)變化的。根據(jù)這一特點(diǎn)和魏爾斯特拉斯(Weierstrass)定理，本文利用多項(xiàng)式曲線擬合進(jìn)行列車(chē)速度估算，并且采用最小二乘法確定多項(xiàng)式系數(shù)進(jìn)一步提高擬合和估算精度。仿真結(jié)果表明根據(jù)曲線擬合估算值進(jìn)行零速判斷更加準(zhǔn)確。
　　本論文研究?jī)?nèi)容的相關(guān)實(shí)驗(yàn)在交流傳動(dòng)互饋試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，所以本文還對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分

9、析，主要包括試驗(yàn)系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電機(jī)控制擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響兩部分。在分析試驗(yàn)系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時(shí)，假設(shè)逆變器-電機(jī)處于理想控制，并把它們等效為一個(gè)由直流電壓和電機(jī)工作點(diǎn)決定的受控電流源，進(jìn)而利用小信號(hào)模型分析系統(tǒng)參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。然后，通過(guò)理論推導(dǎo)得到逆變器直流母線電壓/電流變化量與電機(jī)控制擾動(dòng)之間的傳遞函數(shù)，根據(jù)各傳遞函數(shù)的頻率特性分析了電機(jī)控制擾動(dòng)對(duì)直流母線電壓/電流的影響。理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果都表明直流母線電感越大、