城轨交通制动系统技巧互换会

演讲题目

轨道交通异步牵引机电无速率传感器矢量掌握技巧剖析

演讲贵客

杨北辉深圳市英威腾交通技巧有限公司

我国经过量年引进消化汲取及再改变，轨道交通电气牵引系统做为车辆系统中枢子系统曾经基础实行自决化。不过做为电气牵引系统中枢技巧之一的无速率传感器矢量掌握技巧却未大范围推行，速率传感器通常装配在牵引机电端部，劳动处境差、电磁扰乱和震荡攻击大、温抬高，使得速率传感器牢靠性较低，保护痛苦。而无速率传感器矢量掌握技巧也许显著升高系统牢靠性，减小牵引机电体积、俭约装配空间、节省成本及淘汰保护等上风，是方今国内牵引新技巧开辟周围的热门。

01

矢量掌握旨趣

1.1旨趣阐述

矢量掌握的旨趣是基于互换机电的电流掌握，把互换电流按磁场坐标轴分解为转矩份量和磁场份量，离别举行掌握。是以，矢量掌握为了取得优越的迅速反应功用，需求准时高精度的探测机电转速。

为知道决速率传感器带来的题目，采取异步牵引机电无速率传感器矢量掌握计划，经过构造虚构的速率传感器数学模子，行使软件算法摹拟机电个性，准时约莫机电转速和转子磁场场所。该计划不需求对牵引系统的硬件计较举行更换，只要在原有机电矢量掌握算法上增多转速约莫模块。异步牵引机电无速率传感器矢量掌握旨趣以下图所示。

1.2调制形式

关于地铁牵引工况，线网电压摇动较大，何如充足行使直流电压，以期取得最大输出转矩，独特是牵引机电运转在高速弱磁阶段时，为了取得充满的电压，务必举行过调制。在低速采取异步调制，载波对比高时采取空间矢量调制（SVPWM），能显然淘汰逆变器输出电流的谐波成份。中速段采取同步调制，坚持载波记号与调制记号频次比稳固，1个周期内电压输出的脉冲个数和相位是稳固的，结尾过渡到方波。逆变器调制形式以下所示。

调轨制界说公式为：

式中，Udc代表逆变器母线电压，lual代表相电压峰值。

保守的分段同步调制计划采取三相离别切换的办法，保证不同调制战术之间的腻滑切换。该计划存在切换时候长以及也许引发脉冲混乱等题目，不合适在无速率传感器计划中运用。此处经过严刻地舆论剖析，计较了基于输出电压角度赔偿的迅速切换计划，保证在无速率传感器掌握时不同调制计划之间切换的迅速性安宁顺性。其它，计较了简明的PWM周期赔偿办法，保证在采取同步PWM调制时输出脉冲在动静态经过中的对称性。

1.3基波电流索取

在低开关频次的大功率变流器计较中，中高速段开关频次低于Hz，此时电流波形畸变严峻，没法直接用于矢量掌握。行使观察的基波电流做为反应记号也许显著升高闭环掌握系统在低开关频次以及过调制地域运转的波动性和动态反应速率。

行使异步牵引机电数学模子，采选基波电流和转子磁链做为形态变量，构造观察器：

上式中，τσ为定子模子时候常数，τr为转子模子时候常数，kr为互感Lm和转子电感之间的比值，Rσ为定子模子等效电阻，is1为基波电流的约莫值，ωr为机电转子角频次，Gs、Gr离别为定子、转子模子反应增益矩阵。基波电流观察器框图以下图所示。

公道配置反应增益矩阵Gs、Gr，也许使观察基波电流在全速域含蓄。

1.4带速重投

当列车惰行、牵引系统涌现阻碍也许过无电区时，牵引变流器需求封闭掌握脉冲。在上述情形下，启动系统需在未知速率情形下从新启动。为了知足电气牵引和制动平安的需求，请求列车也许实行迅速重投。经过观察器反应矩阵，也许保证约莫速率在职何情形下均能含蓄至理论速率。该计划具备含蓄速率快，精度高级特色。

1.5黏着掌握

黏着掌握系统是高阶、非线性、多耦合的繁杂系统，做为列车牵引掌握系统的一部份，对列车平安运转相当严重。为了保证乘坐的安逸性以及升高车轮和轨道的哄骗寿命，何如升高黏着掌握的迅速响反应实行黏着行使率的最大化显得独特严重。采取基于黏着斜率法的再黏着优化掌握可经过对黏着蠕滑个性弧线斜率的推断实行道路黏着峰值点的主动搜查，即经过对黏着系数的约莫和黏着斜率的推断，准时观察列车运转形态，以到达最好的黏着掌握，灵验地抵御车轮的空转/滑行局面。

采取滤波算法和形态约莫理论实行对黏着个性弧线斜率的在线区别，再黏着优化转矩掌握办法旨趣以下图所示。

依照上述剖析可知，要想实行黏着掌握的迅速反应，需求准时和的确的猎取机电转矩和机电角速率。当采取速率传感器探测机电转速时存在约ms的推迟，而采取无速率传感器方法时探测推迟可淘汰至20～25ms。是以，采取无速率传感器矢量掌握可知足升高列车黏着掌握的迅速反应性。

02

速率预算

全阶磁链观察器理论上是1个约莫器，它采取了异步机电的全阶模子，并哄骗了1个含被观察目标变量的反应环。采取全阶观察器观察出异步牵引机电的转子磁链，尔后行使转速约莫律计较取得转速。

异步牵引机电定子/转子电压方程、异步牵引机电定子/转子磁链方程、空间形态方程详见文末参考文件华文中实质。

采取高精度观察器离别化计划，尽管在低采样率下也也许保证观察器在全速率范畴内具备优越的波动性和较高的观察精度。其它，基于该观察器计划实行了无推迟高功用基波电流约莫。

03

仿真及实验

3.1系统仿真

为考证无速率传感器矢量掌握理论剖析的的确性，行使MATLAB软件搭建了牵引逆变器启动机电举行无速率传感器矢量掌握的系统仿真模子。在RTLAB平台长举行硬件在环测试（HardwareInLoop，HIL），经过基于模子的计较办法，直接举行软件集成、下载到牵引传动掌握单位（DCU），用于准时仿真机摹拟牵引传动系统，举行仿实在验，理论进一步取得了考证，淘汰了开辟周期。系统仿真参数以下表所示。

异步牵引机电从停止启动运转到高速封闭脉冲再制动，用于摹拟牵引机电无速率传感器矢量掌握以及高速带速重投工况，系统仿真波形以下图所示。

仿真结局阐述，此处提议的异步牵引机电无速率传感器矢量掌握的转子频次能实行快捷跟踪且精度高，PWM调制方法切换腻滑无攻击，机电电流和转子磁链的观察速率快、精度高，机电三相电流均衡，周全系统具备优越的动静态功用。

3.2系统实验

为了进一步考证本文提议的异步牵引机电无速率传感器矢量掌握战术的的确性，在牵引组合实验台长举行了机电拖动实验。牵引逆变器拖动4台机电摹拟A型车满载（AW2）工况，从停止启动运转至弱磁方波和带速重投实践，结局离别以下图所示。

由图可知，机电三相定子电流正弦；转矩掌握成绩好；在调制方法切换时，机电三相定子电流和机电转矩反应快、跟踪好。在系统惰行转运转工况时，机电转子频次也许实行迅速跟踪，电流切换平顺，很好地实行带速重投。系统仿真和实践结局均考证了本文提议的异步机电无速率传感器矢量掌握战术的的确性和灵验性。

04

收场语

异步牵引机电无速率传感器矢量掌握技巧，做为电气牵引系统的中枢技巧具备广漠的运用前程。在该技巧开辟经过中运用了基于模子计较办法以及基于RTLAB的半什物仿真，加速了研发进度，低落了研发成本。经过大地实验，该系统也许很好地知足地铁A型车牵引制动个性请求，并处理了牵引系统领速重投题目，具备推行价格。

参考文件

杨北辉，钟立群，朱龙胜.轨道交通异步牵引机电无速率传感器矢量掌握技巧剖析[J].当代都邑轨道交通，（9）：29-35.

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