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列车牵引电机低速运行优化控制研究

作　者: 文晓燕
导　师: 郑琼林
学　校: 北京交通大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 列车牵引电机低速运行优化控制器磁链观测转速测量
分类号: TM922.71
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

摘要：一方面,社会生活和经济发展对交通运输能力的要求不断提高,列车运行速度越来越高,另一方面人们越来越重视列车乘坐舒适性,这就要求列车控制在起动、制动等各个运行过程中做到既快又稳。同时,能源和环境问题是全球化重要课题,而列车牵引电机功率非常大,所以效率优化对于列车牵引电机控制具有重要意义。为此,本文针对列车起动、制停过程等低速运行工况下牵引电机优化控制问题进行了研究。首先,本文分析了列车运行性能与牵引电机控制之间的关系,从而明确如何改进电机控制才能提高列车运行性能。具体来说,列车运行舒适度主要受牵引力／制动力曲线影响；平稳制动、准确停车要依靠先进的制动技术；而提高牵引电机运行效率是实现节能减排的重要途径之一。在此基础上,本文对提高牵引电机控制精度的关键技术及现有研究成果进行了总结和讨论。接着,本文根据列车运行要求对牵引电机控制器进行了优化设计,主要包括牵引力曲线优化设计、制动力优化设计和效率优化控制3个部分。(a)牵引力曲线优化设计：根据列车起动过程快速性和舒适度两方面的要求,本文采用脉冲基3次多项式S曲线作为牵引力曲线,根据列车速度实时计算牵引力参考值,并且进行列车运行阻力计算误差校正。(b)制动力优化设计：在对比各种列车制动方式优缺点的基础上,论文选择再生电制动作为主要制动方式；列车制停过程制动力参考值计算方法与起动过程相似；此外,论文还讨论了行车制动和驻车制动之间的切换配合问题。(c)效率优化控制：矢量控制方式下,根据电机工作点调整励磁电流和转矩电流、合理分配电机的铁损和铜损可以提高其运行效率。在此过程中,等效铁损电阻计算是重要一环,只有准确估算出铁损电阻效率优化控制才能发挥出应有效果。由于牵引电机测速编码器分辨率比较低,列车低速运行时速度测量采样率进一步降低容易导致磁场定向准确度下降。为了提高电机低速运行时磁场定向准确度,本文对磁链观测器做了进一步研究,在分析各种磁链观测器模型特点的基础上,提出了一种改进电压型磁链观测器。电压模型磁链观测器精度主要受反电动势零漂、定子电阻误差和定子电压计算误差影响,本文围绕反电动势零漂和定子电阻误差的辨识和校正对电压型磁链观测器做了改进。根据磁链观测结果直流分量与反电动势零漂之间的关系,以磁链观测值直流分量作为反馈进行反电动势零漂估计和校正,通过闭环控制达到去零漂的效果。在分析定子电阻误差对磁链观测影响的基础上,本文构造了一个以两相同步旋转坐标系下电流分量为自变量、能够反映定子电阻误差大小和符号的变量,通过闭环控制使该中间变量趋近于0从而消除定子电阻误差。针对列车速度测量编码器分辨率低的实际情况,论文提出了一种连续中断T法速度测量方法：利用DSP捕获单元检测编码器脉冲上升沿和下降沿(双沿检测),通过软件方法实现每次捕获都触发捕获中断并在中断子程序中进行速度计算,从而提高速度采样率、减小测速时间延迟；同时,通过合理计算方法规避了编码器非50%占空比对双沿检测速度测量的影响。该方法能够最大程度地利用编码器脉冲的有效信息,而且不需要增加或改动硬件设施,只需合理设置和使用DSP捕获单元即可实现。对有两路输出脉冲的编码器而言,采用这种测速方式后测速延时比通常方法减小一半,电机低速运行动态性能和稳态性能有明显提高。目前,大多数交流牵引列车制停过程中会在速度较低时从电制动切换为空气制动,空气制动方式虽然可靠但缺点也很明显,如精确控制难度大,制动盘磨损、定期更换增加人力、财力成本,并且制动盘粉尘、噪音也会造成环境污染。如果能够完全利用电制动实现列车制停、空气制动仅作为驻车制动,就能很好地解决这些问题。电制动制停的关键在于低速区制动力输出能力、制停过程平稳和列车到达零速时电制动、空气制动的平滑切换。因为列车质量和系统惯性非常大,所以列车速度变化缓慢,可以认为速度是连续变化的。根据这一特点和魏尔斯特拉斯(Weierstrass)定理,本文利用多项式曲线拟合进行列车速度估算,并且采用最小二乘法确定多项式系数进一步提高拟合和估算精度。仿真结果表明根据曲线拟合估算值进行零速判断更加准确。本论文研究内容的相关实验在交流传动互馈试验系统上进行,所以本文还对试验系统稳定性进行了分析,主要包括试验系统主电路结构稳定性和电机控制扰动对系统稳定性的影响两部分。在分析试验系统主电路结构稳定性时,假设逆变器-电机处于理想控制,并把它们等效为一个由直流电压和电机工作点决定的受控电流源,进而利用小信号模型分析系统参数对稳定性的影响。然后,通过理论推导得到逆变器直流母线电压/电流变化量与电机控制扰动之间的传递函数,根据各传递函数的频率特性分析了电机控制扰动对直流母线电压/电流的影响。理论分析和实验验结果都表明直流母线电感越大、阻尼电阻越小、直流母线电容越小、电机速度越低、直流母线电压越低、负载转矩越大,系统稳定性越差。图93幅,表3个,参考文献104篇。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
1 绪论  13-29
  1.1 列车运行性能与牵引电机控制技术  13-17
    1.1.1 舒适度与牵引力/制动力控制  13-15
    1.1.2 准确停车与制动技术  15-16
    1.1.3 列车节能与牵引电机运行效率  16-17
  1.2 牵引电机低速运行关键控制技术及研究现状  17-26
    1.2.1 牵引力/制动力参考值计算  17-21
    1.2.2 高精度牵引电机控制  21-25
    1.2.3 电机效率优化  25-26
  1.3 论文内容和研究方法  26-29
    1.3.1 研究方法和实验系统  26-27
    1.3.2 论文内容  27-29
2 列车牵引电机控制器优化设计  29-49
  2.1 牵引力曲线优化设计  29-35
    2.1.1 起动过程性能要求  29
    2.1.2 列车运行阻力计算  29-32
    2.1.3 牵引力参考值计算  32-35
  2.2 列车制动力优化设计  35-39
    2.2.1 列车制动性能要求  35
    2.2.2 制动方式对比  35-38
    2.2.3 制动力选择及参考值计算  38-39
  2.3 牵引电机效率优化控制  39-43
    2.3.1 异步电机损耗模型  40-41
    2.3.2 效率优化原理  41-43
  2.4 列车牵引电机优化控制器  43-49
    2.4.1 列车牵引电机优化控制器结构  43-44
    2.4.2 列车牵引电机优化控制性能仿真研究  44-49
3 反电动势零漂和定子电阻自校正磁链观测器  49-71
  3.1 磁场定向误差对电机控制性能的影响  49-51
    3.1.1 估算转子磁链超前于实际磁链的情况  50
    3.1.2 估算转子磁链滞后于实际磁链的情况  50-51
  3.2 磁链观测器模型选择  51-57
    3.2.1 磁链观测器的基本类型  51-56
    3.2.2 磁链观测器结构选择  56-57
  3.3 电压模型磁链观测器应用的技术难点及现有问题  57-62
    3.3.1 影响磁链观测精度的因素  57-58
    3.3.2 反电动势零漂抑制方法现状  58-61
    3.3.3 定子电阻误差校正研究现状  61-62
  3.4 改进反电动势零漂和定子电阻自校正磁链观测器的提出  62-71
    3.4.1 新型磁链观测器设计  62-64
    3.4.2 仿真和实验研究  64-71
4 增量式编码器测速问题研究  71-91
  4.1 速度测量误差对控制性能的影响  71-76
    4.1.1 速度测量原理  71-72
    4.1.2 速度测量对转矩控制的影响  72-74
    4.1.3 速度测量对速度环控制性能的影响  74-76
  4.2 增量式编码器与测速精度  76-78
    4.2.1 编码器分辨率  76-77
    4.2.2 编码器加工精度  77
    4.2.3 编码器安装精度  77-78
    4.2.4 测速程序软件实现方式  78
  4.3 低分辨率编码器与连续中断T法测速  78-81
    4.3.1 连续中断T法测速原理  78-80
    4.3.2 连续中断T法测速对控制性能的提高  80-81
  4.4 高分辨率编码器应用中的问题  81-86
    4.4.1 编码器安装精度与测速误差  81-83
    4.4.2 测速方法选择  83
    4.4.3 高分辨率编码器实验结果  83-86
  4.5 列车牵引电机转速的最小二乘法曲线拟合估算  86-91
    4.5.1 电机转速估算原理  86-87
    4.5.2 曲线拟合速度估算仿真验证  87-91
5 交流传动互馈试验系统稳定性分析  91-113
  5.1 交流传动互馈试验系统结构和工作原理  91-92
  5.2 馈试验系统主电路结构稳定性  92-99
    5.2.1 交-直-交系统直流母线稳定性  92-94
    5.2.2 互馈试验系统直流母线稳定性  94-96
    5.2.3 实验验证  96-99
  5.3 电机控制扰动对直流母线稳定性的影响  99-113
    5.3.1 逆变器-电机在直流母线侧等效输入阻抗  99-101
    5.3.2 互馈试验系统的小信号模型  101-104
    5.3.3 直流母线稳定性分析  104-113
6 结论  113-117
  6.1 论文研究成果  113-114
  6.2 后续工作展望  114-117
参考文献  117-123
作者简历  123-127
学位论文数据集  127

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