列車牽引電機(jī)低速運行優(yōu)化控制研究.pdf

1、一方面，社會生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對交通運輸能力的要求不斷提高，列車運行速度越來越高，另一方面人們越來越重視列車乘坐舒適性，這就要求列車控制在起動、制動等各個運行過程中做到既快又穩(wěn)。同時，能源和環(huán)境問題是全球化重要課題，而列車牽引電機(jī)功率非常大，所以效率優(yōu)化對于列車牽引電機(jī)控制具有重要意義。為此，本文針對列車起動、制停過程等低速運行工況下牽引電機(jī)優(yōu)化控制問題進(jìn)行了研究。
　　首先，本文分析了列車運行性能與牽引電機(jī)控制之間的關(guān)系，從而明確如

2、何改進(jìn)電機(jī)控制才能提高列車運行性能。具體來說，列車運行舒適度主要受牽引力/制動力曲線影響；平穩(wěn)制動、準(zhǔn)確停車要依靠先進(jìn)的制動技術(shù)；而提高牽引電機(jī)運行效率是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑之一。在此基礎(chǔ)上，本文對提高牽引電機(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)列車運行要求對牽引電機(jī)控制器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，主要包括牽引力曲線優(yōu)化設(shè)計、制動力優(yōu)化設(shè)計和效率優(yōu)化控制3個部分。(a)牽引力曲線優(yōu)化設(shè)計：根據(jù)列車起動過程

3、快速性和舒適度兩方面的要求，本文采用脈沖基3次多項式S曲線作為牽引力曲線，根據(jù)列車速度實時計算牽引力參考值，并且進(jìn)行列車運行阻力計算誤差校正。(b)制動力優(yōu)化設(shè)計：在對比各種列車制動方式優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，論文選擇再生電制動作為主要制動方式；列車制停過程制動力參考值計算方法與起動過程相似；此外，論文還討論了行車制動和駐車制動之間的切換配合問題。(c)效率優(yōu)化控制：矢量控制方式下，根據(jù)電機(jī)工作點調(diào)整勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流、合理分配電機(jī)的鐵損和銅損

4、可以提高其運行效率。在此過程中，等效鐵損電阻計算是重要一環(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)測速編碼器分辨率比較低，列車低速運行時速度測量采樣率進(jìn)一步降低容易導(dǎo)致磁場定向準(zhǔn)確度下降。為了提高電機(jī)低速運行時磁場定向準(zhǔn)確度，本文對磁鏈觀測器做了進(jìn)一步研究，在分析各種磁鏈觀測器模型特點的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)電壓型磁鏈觀測器。電壓模型磁鏈觀測器精度主要受反電動勢零漂、定子電阻誤差和定子電壓計算誤差

5、影響，本文圍繞反電動勢零漂和定子電阻誤差的辨識和校正對電壓型磁鏈觀測器做了改進(jìn)。根據(jù)磁鏈觀測結(jié)果直流分量與反電動勢零漂之間的關(guān)系，以磁鏈觀測值直流分量作為反饋進(jìn)行反電動勢零漂估計和校正，通過閉環(huán)控制達(dá)到去零漂的效果。在分析定子電阻誤差對磁鏈觀測影響的基礎(chǔ)上，本文構(gòu)造了一個以兩相同步旋轉(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的變量，通過閉環(huán)控制使該中間變量趨近于0從而消除定子電阻誤差。
　　針對列車速度測量編碼器分

6、辨率低的實際情況，論文提出了一種連續(xù)中斷T法速度測量方法：利用DSP捕獲單元檢測編碼器脈沖上升沿和下降沿(雙沿檢測)，通過軟件方法實現(xiàn)每次捕獲都觸發(fā)捕獲中斷并在中斷子程序中進(jìn)行速度計算，從而提高速度采樣率、減小測速時間延遲；同時，通過合理計算方法規(guī)避了編碼器非50％占空比對雙沿檢測速度測量的影響。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硬件設(shè)施，只需合理設(shè)置和使用。DSP捕獲單元即可實現(xiàn)。對有兩路輸出脈沖的編碼

7、器而言，采用這種測速方式后測速延時比通常方法減小一半，電機(jī)低速運行動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能有明顯提高。
　　目前，大多數(shù)交流牽引列車制停過程中會在速度較低時從電制動切換為空氣制動，空氣制動方式雖然可靠但缺點也很明顯，如精確控制難度大，制動盤磨損、定期更換增加人力、財力成本，并且制動盤粉塵、噪音也會造成環(huán)境污染。如果能夠完全利用電制動實現(xiàn)列車制停、空氣制動僅作為駐車制動，就能很好地解決這些問題。電制動制停的關(guān)鍵在于低速區(qū)制動力輸出能力、制

8、停過程平穩(wěn)和列車到達(dá)零速時電制動、空氣制動的平滑切換。因為列車質(zhì)量和系統(tǒng)慣性非常大，所以列車速度變化緩慢，可以認(rèn)為速度是連續(xù)變化的。根據(jù)這一特點和魏爾斯特拉斯(Weierstrass)定理，本文利用多項式曲線擬合進(jìn)行列車速度估算，并且采用最小二乘法確定多項式系數(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。
　　本論文研究內(nèi)容的相關(guān)實驗在交流傳動互饋試驗系統(tǒng)上進(jìn)行，所以本文還對試驗系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分

9、析，主要包括試驗系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電機(jī)控制擾動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響兩部分。在分析試驗系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時，假設(shè)逆變器-電機(jī)處于理想控制，并把它們等效為一個由直流電壓和電機(jī)工作點決定的受控電流源，進(jìn)而利用小信號模型分析系統(tǒng)參數(shù)對穩(wěn)定性的影響。然后，通過理論推導(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)控制擾動對直流母線電壓/電流的影響。理論分析和實驗驗結(jié)果都表明直流母線電感越大、