轨道交通异步牵引电机无速度传感器矢量控制技
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发布日期：2019-10-29 17:06【大 中 小】
随着中国经济的快速发展，城市人口大量增加，城 市通勤运输量扩大，地铁、轻轨等大运量交通工具日益 成为解决城市拥堵和绿色发展的重要手段 。通过多年 引进消化吸收及再创新，轨道交通电气牵引系统作为车 辆系统核心子系统已经基本实现自主化。但是作为电气牵引系统核心技术之一的无速度传感器矢量控制技术却未大规模推广，速度传感器一般安装在牵引电机端 部，工作环境差、电磁干扰和振动冲击大、温升高，使 得速度传感器可靠性较低，维护困难。而无速度传感器 矢量控制技术可以显著提高系统可靠性，减小牵引电机体积、节省安装空间、节约成本及减少维护等优势，是目前国内牵引新技术开发领域的热点。
矢量控制原理
1.1 原理说明
矢量控制的原理是基于交流电机的电流控制，把交 流电流按磁场坐标轴分解为转矩分量和磁场分量，分别 进行控制。因此，矢量控制为了获得良好的快速响应性 能，需要及时高精度的检测电机转速。 为了解决速度传感器带来的问题，采用异步牵引电 机无速度传感器矢量控制方案，通过构造虚拟的速度传 感器数学模型，利用软件算法模拟电机特性，实时估计 电机转速和转子磁场位置。该方案不需要对牵引系统的 硬件设计进行更改，只需在原有电机矢量控制算法上增 加转速估计模块。
异步牵引电机无速度传感器矢量控制原理，通过电流传感器采集逆变器侧三相交 流电流 is，对其进行坐标变换分别得到电机静止坐标系 下的电流 isα、isβ 和电机旋转坐标系下的电流 isd、isq ；基 于异步电机的数学全阶模型，构造全阶磁链观测器，观 测出异步电机的转子磁链 ψ r和电机静止坐标系下的电流 si ，利用转速估计计算得到估计的电机转子角频率 ωr ， 利用异步电机数学公式进一步计算得到估计的旋转坐标 变换角ψθr及电机转矩 Tm 。通过对司机手柄给定力矩 T * 及列车速度 vt 进行再黏着优化控制后，计算得到转矩电 流分量 * sq i ，通过查表得到与电机估计转速对应的励磁电 流指令值 * sd i 。
1.2 调制模式
对于地铁牵引工况，线网电压波动较大 , 如何充分 利用直流电压，以期获得最大输出转矩，特别是牵引电 机运行在高速弱磁阶段时，为了获得足够的电压，必须 进行过调制。在低速采用异步调制，载波比较高时采用 空间矢量调制（SVPWM），能明显减少逆变器输出电流 的谐波成分。中速段采用同步调制，保持载波信号与调 制信号频率比不变，1 个周期内电压输出的脉冲个数和 相位是固定的。
1.3 基波电流提取
在低开关频率的大功率变流器设计中，中高速段开 关频率低于 300 Hz，此时电流波形畸变严重，无法直接 用于矢量控制。利用观测的基波电流作为反馈信号可以 显著提高闭环控制系统在低开关频率以及过调制区域运 行的稳定性和动态响应速度。
1.4 带速重投
当列车惰行、牵引系统出现故障或者过无电区时， 牵引变流器需要封锁控制脉冲。在上述情况下，驱动系 统需在未知速度情况下重新启动。为了满足电气牵引和 制动安全的需求，要求列车能够实现快速重投。通过观 测器反馈矩阵，可以确保估计速度在任何情况下均能 收敛至实际速度。该方案具有收敛速度快，精度高等 特点。
1.5 黏着控制
黏着控制系统是高阶、非线性、多耦合的复杂系 统，作为列车牵引控制系统的一部分，对列车安全运行 至关重要。为了保证乘坐的舒适性以及提高车轮和轨道 的使用寿命，如何提高黏着控制的快速响应和实现黏着 利用率的最大化显得格外重要。采用基于黏着斜率法的 再黏着优化控制可通过对黏着蠕滑特性曲线斜率的判别 实现道路黏着峰值点的自动搜寻，即通过对黏着系数的 估计和黏着斜率的判别，实时观测列车运行状态，以达 到最佳的黏着控制，有效地抑制车轮的空转 / 滑行现象。
2 速度估算
全阶磁链观测器实际上是 1 个估计器，它采用了异 步电机的全阶模型，并使用了 1 个含被观测对象变量的 反馈环。采用全阶观测器观测出异步牵引电机的转子磁 链，然后利用转速估计律计算得到转速。
3 仿真及试验
3.1 系统仿真 为验证无速度传感器矢量控制理论分析的正确性， 利用 MATLAB 软件搭建了牵引逆变器驱动电机进行无 速度传感器矢量控制的系统仿真模型。在 RTLAB 平台 上进行硬件在环测试（Hardware In Loop， HIL），通过基 于模型的设计方法，直接进行软件集成、下载到牵引传 动控制单元（DCU），用于实时仿真机模拟牵引传动系 统，进行仿真实验，理论进一步得到了验证，缩短了开 发周期。
3.2 系统试验
为了进一步验证本文提出的异步牵引电机无速度传 感器矢量控制策略的正确性，在牵引组合试验台上进行 了电机拖动试验。牵引逆变器拖动 4 台电机模拟 A 型车 满载（AW2）工况，从静止启动运行至弱磁方波和带速 重投实验。
4 展 望
异步牵引电机无速度传感器矢量控制技术，作为电 气牵引系统的核心技术具有广阔的应用前景。在该技术 开发过程中应用了基于模型设计方法以及基于 RTLAB 的半实物仿真，加快了研发进度，降低了研发成本。通 过地面试验，该系统能够很好地满足地铁 A 型车牵引制动特性要求，并解决了牵引系统带速重投问题，具有推广价值。
