地铁牵引系统无速度传感器带速重投控制策略研究.pdf
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1、Vol.43 No.52023Oct.第 43 卷第 5 期2023 年 10 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CAR地铁牵引系统无速度传感器带速重投控制策略研究赵雷廷1,2,3,刘衎2,3,李瑮冉1,2,3,王永翔1,2,3(1 动车组和机车牵引与控制国家重点实验室,北京 100081;2 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所,北京 100081;3 北京纵横机电科技有限公司,北京 100094)摘 要 文章研究了适用于地铁牵引系统的异步电机无速度传感器矢量控制方法,在闭环全阶转子磁链观测器基础上推导出转速自适应辨识算法,重点针对无速度传感器控制技术在
2、工程实践应用中的难题带速重投,提出了一种直流脉冲注入结合磁链锁相环以及零转矩修正的两段式带速重投策略。最后通过硬件在环仿真测试以及地面对拖试验证明该无速度传感器控制系统具有良好的动静态性能,并且可以在较小电流、转矩冲击下快速地完成带速重投过程。关键词 无速度传感器控制;带速重投;磁链锁相环;硬件在环中图分类号:U239.5 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1008-7842.2023.05.01交流传动技术是实现地铁舒适稳定运行的基础。在现有牵引传动系统中常用的异步电机控制策略如磁场定向控制1、直接转矩控制2等皆依赖于电机高精度的速度实时采集。但是,由于速度传感器安装位置
3、以及工作环境恶劣,再加上行车过程中振动带来的机械应力,其已成为车辆故障的主要根源之一。因此,针对无速度传感器控制技术的研究已逐渐成为电机控制理论和应用研究的 热 点 方 向3-6,该 技 术 不 仅 可 减 小 牵 引 电 机 体积,提升电机输出功率,还可以提高整个牵引传动系统的可靠性并节约维修维护成本。然而在轨道牵引系统运行过程中,由于变流器瞬时过流、过压或长期惰行会出现变流器封锁后重新启动工况,而车辆具有大惯性特点,这就要求牵引系统可在较高初速度下平稳投入工作,即带速重投。如果初始辨识速度与实际速度偏差过大,则会触发系统过流、倒行等故障,既而无法正常工作7。因此,带速重投一直以来都是无速度
4、传感器控制技术工程实现的关键技术难题。目前,地铁部分车型网络协议中牵引系统可以通过车辆网络接收到其他系统例如制动控制系统(Brake Control Unit,BCU)检测的车辆速度从而作为初始速度进行重投,初始误差较小,重投相对简单;但是亦有部分车型网络协议中没有其他系统检测的车辆速度发送至牵引系统,或者当前车辆正处于应急牵引工况即没有网络时,就需要研究如何快速准确地推算电机初始速度的方法。近几年,国内外众多科研院所及高校针对上述问题提出了相应解决措施,其中文献 3 直接利用全阶转子磁链观测器进行重投,初始速度偏差大,系统易发生震荡;文献8利用优化自搜索方法估计出断电后的电机转速,通过重复搜
5、索使估算转速越来越接近实际转 速,进 而 提 高 了 重 投 的 成 功 率,但 搜 索 时 间 较长,对系统动态响应有一定影响;文献9提出了一种基于转子反电动势非线性模型的输入输出线性化方法,重投过程中可以准确快速地辨识电机综合技术研究基金项目:中国铁道科学研究院集团有限公司院基金项目青年课题(2020YJ126)第一作者:赵雷廷(1987-)男,副研究员(修回日期:2021-12-21)通信作者:王永翔(1980-)男,研究员文章编号:1008-7842(2023)05-0001-10引用格式:赵雷廷,刘 衎,李瑮冉,等.地铁牵引系统无速度传感器带速重投控制策略研究J.铁道机车车辆,202
6、3,43(5):1-10.铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 转速,但由于非线性模型建立忽略定子电流变化导致辨识转速不准确,最终使得重投失败。文中以闭环全阶转子磁链观测器为基础,在确保初始速度辨识精度的条件下,提升系统启动工况下的动态响应性能,提出一种直流脉冲注入结合磁链锁相环以及零转矩修正的两段式带速重投策略,最终通过硬件在环仿真与地面对拖试验验证证明该策略的有效性。1 异步电机无速度传感器控制策略 文中采用数字信号处理器(Digital Signal Processing,DSP)+现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的系统构架实现基于无
7、速度传感器控制技术的高性能异步电机矢量控制算法,如图 1 所示。控制系统中 DSP 接收车辆网络系统发送的转矩指令Te_ref,结合磁链给定值ref计算得到转矩电流给定值iq_ref;励磁电流给定值id_ref则直接利用磁链给定模块获取;转矩与励磁电流经过双电流 PI调节器输出电机电压补偿量udpi、uqpi,与前馈电压计算模块输出的电压ud_ref、uq_ref相加之后,通过电压矢量计算模块输出电压矢量在 dq 旋转坐标系下的矢量角度dq以及调制度m;其中 dq 旋转坐标系下的电压矢量角度与观测器估算的解耦角度ob相加得到静止坐标系下的实际电压矢量角度s,其与FPGA 中角度积分模块输出的电
8、压矢量积分角f一同作为相角 PI 调节器的输入,进而通过输出频率实时对定子给定频率值e进行补偿,既而弥补系统数字延时误差,最终得到的定子频率给定值发送给 FPGA 完成角度积分以及 PWM 脉冲生成功能;同时调制度m发送给 FPGA 完成电压重构以及 PWM 脉冲生成功能。控制算法中定子频率计算模块、前馈电压计算模块所用的观测频率以及相角调节器、电流变化模块所用的观测解耦角度都来源于磁链观测器及速度辨识模块,该模块的输入为静止坐标系下电机电流与电机电压。其中电机电流为传感器采集后经过 Clark 变化得到,电机电压则通过 FPGA中电压重构模块计算得到。为实现无速度传感器控制技术,磁链观测器及
9、速度辨识模块首先面向感应电机进行建模,根据等效电路得到异步电机两相静止坐标系下状态方程为式(1)式(6):ddt isr=A11A12A21A22 isr+B10us(1)y=C isr T(2)B1=1LsIC=I(3)I=1001J=0-110(4)图 1基于无速度传感器控制技术的电机矢量控制算法框图2第 5 期地铁牵引系统无速度传感器带速重投控制策略研究A11=-(RsLs+1-r)IA12=LmLsLr(1rI-rJ)A21=LmrIA22=-1rI+rJ(5)r=LrRr=1-L2mLrLs(6)式 中:is=isisT为 异 步 电 机 定 子 电 流;r=rrT为 转 子 磁 链
10、;us=ususT为 定 子 电压;Rs、Rr、Ls、Lr、Lm、r分别为电机定子电阻、转子电阻、定子电感、转子电感、励磁电感、转子角频率。在上述状态方程变量中,实际应用场合只有定子电流可直接测量,因此通过定子电流实际值与观测值之间误差ei=is-is构成转速自适应率及反馈增益矩阵来获取转速观测值并修正转子磁链观测值,最终构建闭环全阶转子磁链观测器方程为式(7)式(8):ddt isr=A11A12A21A22 isr+B10us+G1G2ei(7)G1=g1-g2g2g1G2=g3-g4g4g3(8)其结构如图 2 所示。由于电机模型的极点本身是稳定极点,因此为提高观测器收敛速度,设计观测器
11、极点为电机模 型 极 点 的 k 倍,从 而 得 到 反 馈 增 益 矩 阵 系 数为式(9):g1=(k-1)(-RsLs-1-r)g2=(k-1)rg3=(k2-1)(Lmr-LrRsLm-(1-)LsLrLmr)+(k-1)LsLrLm(RsLs+1r)g4=(1-k)LsLrrLm(9)文 章 采 用 PI 自 适 应 率 完 成 转 速 估 算 为式(10):r=kp(eisr-eisr)+ki(eisr-eisr)dt(10)2 基于磁链锁相环的带速重投策略 为实现基于无速度传感器控制技术的牵引变流器可以在车辆运行过程中随时激活投入,文中提出一种基于两段式的带速重投策略,实现快速准
12、确的推算电机初始速度。首先通过发送特定的 PWM 脉冲进行直流预励磁,从而初步推算出当前车辆速度值,并将其作为第 2 阶段的输入,在第 2 阶段中将给定转矩设置为 0,既而利用实际观测转矩与给定转矩之间的误差来进一步微调转速推算值,并将结果作为正常转速观测算法的初始值,即闭环全阶转子磁链观测器开始发挥作用,最后通过上文设计的转速自适 应 率 快 速、准 确、实 时 地 观 测 车 辆 当 前 实 际转速。2.1直流预励磁阶段在惯性行驶的感应电机中通入直流电流时,得到的转子磁链将画出一个圆轨迹,其转动角频率与感应电动机的转动角频率相同。通过设定静止坐标系下定子电流 轴分量为 0 即is=0,从而
13、得到简化后的电机状态方程为式(11):drdtdrdt=LmRrLr00LmRrLr-RrLrr-r-RrLris0rr(11)式中:is和is分别为、轴定子电流;r和r分别为、轴转子磁链。通过求解方程得到该模式下磁链表达式为式(12):图 2闭环全阶转子磁链观测器结构3铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 r=isLmR2rL2r2r+R2r+isLmRre-RrtLr(Lrrsin(rt)-Rrcos(rt)L2r2r+R2rr=isLmRrLrrL2r2r+R2r-isLmRre-RrtLr(Lrrcos(rt)+Rrsin(rt)L2r2r+R2r(12)可以看出转子磁链实际上是由直流分
14、量加上一个逐渐衰减的交流分量得到,而其中的交流分量角频率与电机实际旋转频率一致。在转速未知的情况下,无法通过减去直流分量得到交流分量。鉴于此,文中采用无需转速信息的电压模型磁链观测方法获取这个阶段的转子磁链信息,然后以转子磁链定位于旋转坐标系 d 轴为基础,通过设计软件锁相环得到转速初始值。具体实现方式如图 3 所示。第 1 阶段首先将反馈转速即实际电机转速默认为 0,此外,转矩电流给定值维持 0,励磁电流给定值为常量,固定解耦角度恒为 30,实现双电流PI 闭环控制,输出调制度和定子频率给定值,FPGA 计算得到 PWM 驱动脉冲,变流器在驱动脉冲的控制下实现向电机进行直流电流注入。此时,D
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