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無(wú)速度傳感器矢量系統在車(chē)輛上的應用
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時(shí)間：2011-03-17
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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0 引言
隨著(zhù)人們對地鐵列車(chē)乘坐舒適性的要求越來(lái)越高,作為地鐵列車(chē)核心組成的牽引系統就必須有越來(lái)越高的動(dòng)態(tài)調速性能。廣州地鐵 3 號線(xiàn)是國內第一條快速( 120 km/h) 運營(yíng)的地鐵線(xiàn)路，試運營(yíng)半年多以來(lái)其列車(chē)優(yōu)良的牽引性能得到了乘客的好評，穩定而可靠的牽引系統減少了車(chē)輛的維護工作量。本文詳細介紹了該車(chē)輛采用的 SITRAC 牽引控制系統的控制結構、算法，并結合該系統在廣州地鐵 3 號線(xiàn)列車(chē)上的實(shí)際應用證明了無(wú)速度傳感器控制系統的可靠性和穩定性。
1 無(wú)速度傳感器矢量控制的基本原理
所謂無(wú)速度傳感器變頻調速控制系統就是取消了變壓變頻調速系統的速度檢測裝置，通過(guò)間接計算法求出列車(chē)運行中牽引電機的實(shí)際轉速值作為轉速的反饋信號。我們把計算轉速實(shí)際值的這一模型稱(chēng)之為轉速推算器。它的基本組成原理是: 在電機的定子側裝設電壓傳感器和電流傳感器，通過(guò)檢測三相電壓 uA，uB，uC 和三相電流 iA，iB，iC。根據 3/2 變換( 矢量控制中三相軸系到二相軸系的變換) 靜止軸系中的兩相電壓 usα，usβ 及兩相電流isα，isβ，由定子靜止軸系( α- β) 中的兩相電壓、電流可以推算定子磁鏈，估算電機的實(shí)際轉速。轉速推算器的結構如圖 1 所示。 
由于轉速推算器受轉子參數的影響，因而基于轉子磁鏈定向的轉速推算器還需要考慮轉子參數的改變。此外，轉速推算器的實(shí)用性還取決于其精度和快速性。隨著(zhù)計算機運算性能和運算速度的不斷提高，現代矢量控制方法已經(jīng)能夠非常精確地以高度的動(dòng)態(tài)性控制感性設備中的磁通和力矩。同時(shí)為了抑制高頻的機械振動(dòng)，優(yōu)化牽引系統部件的電磁噪聲并能夠獲得盡可能低的可預見(jiàn)的諧波電流，就有必要使用校準并且優(yōu)化過(guò)的 IGBT 控制脈沖。西門(mén)子公司新推出的牽引控制系統 SITRAC 不但滿(mǎn)足了這一尖端的要求，更重要的是實(shí)現了無(wú)速度傳感器的控制。這一新的控制特點(diǎn)減小了驅動(dòng)器的復雜性并且增強了系統的可靠性。SITRAC 的控制特點(diǎn)有:
1) 無(wú)速度傳感器運作增強了系統可靠性;
2) 高度動(dòng)態(tài)性的設定值有效衰減了電氣和機械影響;
3) 高度的擾動(dòng)動(dòng)態(tài)性: 通過(guò)抵抗由軌道和電源系統引起的擾動(dòng)，增強了牽引系統的穩定性;
4) 先進(jìn)的優(yōu)化脈沖模式: 較高的轉換利用，限制了對電源系統和機械的反應;
5) 脈沖模式中連續的交叉點(diǎn): 高的轉換利用率，連續的無(wú)沖擊工作;
6) 自我調節，自動(dòng)參數識別，自動(dòng)牽引系統自檢: 簡(jiǎn)化調試，改善了診斷和維護;
7) 高級編程語(yǔ)言“Ansi- C”: 獨立硬件;
8) 集成的軟件模擬，較短的開(kāi)發(fā)時(shí)間，完善的軟件設計增強了軟件的質(zhì)量。
2 系統的控制結構
圖 2 是 SITRAC 無(wú)速度傳感器控制系統的框圖。此控制模型圖解了一個(gè)完整的逆變器模型，圖中的電機模型是用來(lái)為電流控制器計算機械設備模型的定子電流和磁通空間矢量。電機模型的輸入僅僅是定子電壓空間矢量和估算速度以及同樣是估算值的機械參數。在這個(gè)系統中電機電壓不是由測量得到而是通過(guò)逆變器門(mén)控信號、直流電壓測量值、電機電流和相關(guān)的 IGBT 參數重新構建。電機速度是通過(guò)電流空間矢量測量值和模型定子電流空間矢量進(jìn)行比較而估算得到。 
3 無(wú)速度傳感器牽引系統速度估算的策略
在無(wú)速度傳感器的牽引系統中，為了識別速度必須建立一個(gè)電感設備的精確模型，這個(gè)模型依靠計算所得的定子電壓和估算所得的電機參數來(lái)估算電機磁通和定子電流空間矢量。由于這個(gè)電機模型必須準確地用相關(guān)的模塊來(lái)描述，因此這個(gè)電機的模型參數也就必須隨著(zhù)飽和度及定子繞組和轉子繞組的溫度變化而得到調整。在穩態(tài)的情況下，定子電流空間矢量測量值和估算值之間的差值能獨立地用來(lái)估算電機的參數。定子頻率接近零時(shí)，只是理論上可以估算出穩定的速度。實(shí)際上，模型參數和實(shí)際系統之間的差值是不可避免的，為了進(jìn)行速度估計有必要設一最小定子頻率 fsmin。為了使這一定子頻率 fsmin 最小化，電機模型與實(shí)際電機( 見(jiàn)圖 3) 之間的定子阻抗及定子電壓差值必須保持盡可能的小。在低頻情況下，基本的定子電壓空間矢量的幅值相對比較小，所以定子阻抗或逆變器電子管建摸的誤差對速度的估算有很大的影響。 
通過(guò)各種離線(xiàn)測量，就可以確定逆變器的特性。在低頻情況下定子阻抗必須作為二次側模型參數在線(xiàn)進(jìn)行確定。由于轉子阻抗是隨著(zhù)定子繞組溫度變化的，要估算速度，就必須在線(xiàn)對定子繞組的參數進(jìn)行精確測量。
在每一次停站( 速度為零) 時(shí)，通過(guò)一個(gè)短時(shí)的測量來(lái)進(jìn)行定子和轉子阻抗的識別，這樣就有可能以精確的電機參數來(lái)對列車(chē)進(jìn)行下一次的啟動(dòng)。這里，定子阻抗的估算是通過(guò)勵磁之后( 圖 4 中: 0.2 s
無(wú)速度傳感器牽引控制的一種嚴重運行情況是所謂的飛速起動(dòng)，也就是不知道實(shí)際電機速度進(jìn)行驅動(dòng)的起動(dòng)運行，而 SITRAC 系統能夠處理這種嚴重的運行。
需要注意的是，只有在牽引逆變器工作，如逆變器沒(méi)有被封鎖時(shí)估算的速度才有效。因此有必要在列車(chē)上至少安裝 2 個(gè)速度傳感器，目的主要是進(jìn)行零速檢測( 門(mén)釋放功能) 、后溜保護及給司機速度信息。額外增加的這一速度測量確保了在任何牽引逆變器封鎖的情況下列車(chē)有高度的冗余和可靠性。
4 低頻時(shí)無(wú)速度傳感器系統的運行
無(wú)速度傳感器的牽引系統也可以工作在低速和列車(chē)倒行模式下。在此工作點(diǎn)上逆變器輸出頻率跨越“0”值,控制模式難以辨識感應電機中磁通的方向。圖 5 證實(shí)了SITRAC 能夠應付這一嚴酷的工作狀態(tài): 在 2 s 時(shí)列車(chē)在有坡度的軌道上倒行，通過(guò)施加一個(gè)合適的向前的牽引力，車(chē)輛停住并且頻率在過(guò)零時(shí)調整牽引力矩保持頻率為零而沒(méi)有不穩定的磁通定向，這就可認為計算速度等于測量速度。 
5 動(dòng)態(tài)性能
以下利用 SITRAC 牽引控制系統的優(yōu)良動(dòng)態(tài)性能對典型測量進(jìn)行了處理。圖 6 說(shuō)明了在力矩參考值階躍( 較小階躍: 15% 正常力矩; 較大階躍: 100% 正常力矩) 改變的情況下 SITRAC 的力矩控制品質(zhì); 此外它還說(shuō)明了即使直流線(xiàn)電壓快速改變，SITRAC 也能夠精確控制力矩,這也是鐵路應用中滿(mǎn)足運行的基本特征。 
6 系統實(shí)際運行情況
至今，廣州地鐵 3 號線(xiàn)車(chē)輛牽引系統在 9 個(gè)月的運行中共出現 3 次故障，分析如下:
1) 第一次故障是一塊模擬 / 數字轉換器故障造成逆變器不工作。
2) 第二次故障是一臺逆變器不運轉造成了整列車(chē)不牽引。廣州地鐵 3 號線(xiàn)每列車(chē)共安裝了 2 個(gè)電機速度傳感器( A，C 車(chē)各一個(gè)) ，該信號提供給 ICU( 逆變器控制單元) 作為參考速度。正常情況下，如果在 A 車(chē)的逆變器控制單元不能再運轉了，來(lái)自于動(dòng)車(chē)速度傳感器的相關(guān)信號也會(huì )丟失，因此其它的速度傳感器( 來(lái)自于 C 車(chē)) 應該被使用。但是，出現故障時(shí)安裝在列車(chē)上的列車(chē)控制單元( VCU) 軟件沒(méi)有執行所描述的以上功能。該問(wèn)題后來(lái)通過(guò)修改 VCU 軟件得到了解決。
3) 第三次故障是由于一個(gè)速度傳感器出現故障造成，故障時(shí)以上第
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