夏 猛，馬法運，張春磊，曾凡飛，蔡紀衛(wèi)，李 華

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

0 引 言

近年來，由于功率密度高、效率高、體積小、維護成本低的特點，永磁同步電機在國內外軌道交通牽引領域逐漸被廣泛關注[1]。永磁同步電機作為機車牽引電機已成為一個新的研究方向[2-3]。日本、法國和德國等國經過十幾年的努力，已取得很大的進展。日本研發(fā)的永磁同步電機已在低地板輕軌車輛、軌距可變電動車組和新干線商速電動車組上完成了試驗與運行[4-5]。德國和法國也都在城軌列車和高速動車組上應用了永磁同步牽引電機[6-7]。

制動系統(tǒng)作為軌道牽引傳動系統(tǒng)中非常重要的一部分，其性能的好壞直接決定了運行中的列車能否安全停車，因此對于制動的研究非常重要。目前，世界上軌道車輛大多采用電-空聯(lián)合制動方式，即在高速采用電制動，列車制動減速到5 km/h時，需要切除電制動而實施空氣制動，該制動方式在電、空制動切換時可能會引起加速度的突變，使乘客感覺不適，同時，會造成停車位置不準[8]。

針對電-空聯(lián)合制動存在的問題，日本東京大學的曾根悟教授提出純電制動的概念，該制動方式在低速停車時不進行電-空切換，直接由電磁力來承擔列車制動所需的制動力。采用純電制動相應動作時間快、制動減速度平穩(wěn)，同時也減少了使用空氣制動時帶來的機械部件的維護工作量及維護成本。文獻[9]針對直線電機軌道交通系統(tǒng)，討論了直線電機純電制動過程中再生制動到反接制動的切換方式,及反接制動后為防止列車反向運行的制動切除問題。文獻[10]研究了高速列車異步牽引純電制動的實現(xiàn)方式，針對低速情況下，現(xiàn)有速度傳感器無法合理判斷列車零速度的狀態(tài)，通過改變對速度傳感器脈沖信號的處理方法，提高測速精度。

以上文獻都是針對于牽引電機為直線電機或者異步電機的系統(tǒng)，而針對于永磁同步牽引系統(tǒng)，純電制動策略研究的很少。針對于此，本文首先研究了永磁同步電機控制策略，在此基礎上對永磁同步電機制動方式進行了分析，并提出一種適合永磁同步電機的零速電制動策略，通過仿真和試驗驗證所提控制策略的可行性與有效性。

1 永磁同步電機矢量控制原理

根據永磁體的位置不同，永磁同步電機可分為表貼式和內置式兩種。表貼式永磁同步電機交直軸磁阻近似相等，交直軸電感也近似相等，其屬于隱極式電機。內置式永磁同步電機交直軸磁阻相差較大，對應的交直軸電感差異也很大，屬于凸極式電機，其中內置式永磁同步電機在軌道交通領域應用較多，因此，本文以內置式永磁同步電機為研究的對象展開討論。

1.1 永磁同步電機數(shù)學模型

永磁同步電機在穩(wěn)態(tài)時于dq坐標系下的電壓方程如下：

式中，ud和uq為電機在dq軸電壓；id和iq為dq軸電流；Rs和ωr為電機定子內阻和電機電角速度；Ld和Lq為電機dq軸電感；ψf為永磁體磁鏈。

電磁轉矩方程為

Te=1.5np[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]

(2)

式中，np為電機的極對數(shù)。

電機的運動方程為

(3)

式中，J為電機轉子與系統(tǒng)的轉動慣量；Ωr為電機機械角速度；RΩ為阻尼系數(shù)；RΩΩr為阻尼轉矩；TL為負載轉矩。

1.2 基于磁場定向的矢量控制

通過解耦實現(xiàn)轉矩和磁鏈獨立控制的磁場定向矢量控制在軌道牽引傳動系統(tǒng)中得到廣泛的應用。目前，我國引進以及自主研發(fā)生產的高速列車動車組普遍采用轉子磁場定向矢量控制[11]。

在永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)中，電機在恒轉矩區(qū)運行時，永磁同步電機的主要損耗為永磁同步電機的銅耗。為減少系統(tǒng)損耗，采用最大轉矩電流比(MPTA)控制。即在永磁同步電機給定轉矩條件下，永磁同步電機定子電流矢量的幅值最小。永磁同步電機定子電流矢量幅值最小不僅使電機銅耗最小，也減小了逆變器和整流器的損耗，降低了系統(tǒng)的整體損耗。

對于內置式永磁同步電機，在MPTA控制下，其d軸電流可以根據q軸電流計算的到：

由式(4)可知，當牽引電機轉矩給定為固定值時，d、q軸電流為唯一確定的值。

基于以上理論，可得永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的控制原理圖，如圖1所示。

如圖1所示，當給定電機牽引轉矩指令確定后，根據式(2)和式(4)，可唯一確定采用MPTA控制下電機dq軸電流的指令值。為了能夠獨立的控制電機的交直軸電流，消除電機交直軸電流耦合對電機控制性能的影響，提高電流響應速度，采用前饋解耦控制，圖1中解耦項usd_fb、usq_fb根據式(1)計算得到。同時，為了提高dq軸電流的瞬態(tài)響應能力，在電壓前饋的基礎上，增加dq軸電流控制器，進而得到dq軸電壓指令，如式(5)所示。

式中，isd_PI和isq_PI為dq軸PI控制器的輸出，其大小如式(6)所示。

2 永磁同步電機零速電制動控制策略

圖2為異步電機純電制動過程，通過改變電機轉差頻率，使電機定子頻率小于轉子頻率，電機輸出反向制動力，當電機定子頻率小于零時，必須改變旋轉磁場的方向，進入反接制動過程，通過產生反向的牽引力矩來實現(xiàn)列車的制動。

圖2 異步電機純電制動過程

由上圖可知，異步電機在實現(xiàn)純電制動過程中存在以下問題。首先，異步電機牽引控制系統(tǒng)通過安裝在軸箱蓋上的傳感器探頭產生脈沖信號，處理后獲得輪軸轉速，該測速方法在低速下，存在很大誤差，如果測速不準，可能導致電機停車不穩(wěn)，甚至發(fā)生抖動；其次，電機在定子頻率小于零時，進行反接制動，此時，如果制動力沒有及時撤出，會導致列車反向旋轉而不能停車。相比異步電機，永磁同步電機在純電制動過程中則不存以上問題，可實現(xiàn)電制動到零平穩(wěn)停車。

永磁同步電機在整個制動過程中電機轉速與定子頻率成正比例，如式(7)所示。電機速度為零時，電機定子頻率也等于零，因此，永磁同步電機電制動過程不存在反接制動。

同時，永磁同步電機控制系統(tǒng)中，采用旋轉變壓器測量轉子位置，旋轉變壓器具有耐高溫、耐濕度、抗沖擊性好、抗干擾能力強等突出優(yōu)點，可以精確可靠的產生轉子絕對位置信息，因此，永磁同步電機在低速下仍可實現(xiàn)精確速度控制，保證列車準確停車。

基于以上分析，本文針對永磁同步牽引傳動系統(tǒng)，提出一種適合于永磁同步電機的零速電制動策略，其制動過程如圖3所示。

圖3 永磁同步電機零速電制動過程

通過施加反向電制動力，使定子頻率不斷減小，相應的電機速度也在不斷減小，由于永磁同步電機轉速與定子頻率成正比例，通過再生制動可實現(xiàn)電制動到零。在電機轉速減小到零時，為了保證電機不出現(xiàn)反向轉動，使機械制動裝置作用，閘瓦抱閘，即施加機械制動力。電機停止轉動后，電制動力線性減小到零。列車需要再次啟動時，解除閘瓦抱閘，即可正常加速運行。

3 仿真和實驗驗證

3.1 仿真結果與分析

為了驗證本文所提永磁同步電機零速電制動策略的正確性和可行性，基于永磁同步電機對拖試驗平臺參數(shù)，利用Matlab/Simulink中S-function搭建永磁同步電機磁場定向矢量控制模型，進行仿真驗證，仿真所用主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真和實驗所用電機參數(shù)

采用圖1所示永磁同步電機矢量控制策略進行Matlab仿真。仿真過程為：牽引級位為10級，加速到5 s，電機轉速到1800 r/min，恒速運行2.5 s，8 s時開始制動，仍采用最大級位制動，12.3 s時電機轉速為零，16 s時采用10級牽引加速。仿真結果如圖4和圖5所示。

圖4 Matlab仿真結果(一)

圖4為整個仿真過程電機輸出轉矩、機械轉矩、電機轉速和電機三相電流的仿真結果。

圖5 Matlab仿真結果(二)

圖5為整個仿真過程電機dq軸電流和dq軸電壓的仿真結果。

由上仿真結果可知，電機在經過加速啟動和惰行運行后，在8 s后施加電制動力，電機轉速減小，在12.3 s時，電機轉速減小到零速，此時開始施加機械制動力，保證電機不反向轉動。在經過一段延時后，減小電機電制動力到零，電制動到零后，撤去機械制動力。由圖5仿真結果可知，在電機整個加減速過程中，dq軸電流和dq軸電壓都可保持精確控制，沒有沖擊，且該制動策略在電機轉速減小到零前不要施加空氣制動，而且停車后不影響再次啟動。

3.2 實驗結果與分析

實驗系統(tǒng)如圖6所示，主要包括母線高斷箱、斷路器箱、電抗器箱、VVVF逆變器箱、制動電阻和永磁同步牽引電機?？刂撇糠植捎肈SP+FPGA框架。

圖6 永磁牽引系統(tǒng)試驗平臺

圖7 實驗結果

基于圖6所示永磁牽引系統(tǒng)實驗平臺，采用MPTA控制，牽引加速7 s，惰行5 s后，進行電制動減速，電機在17.5 s時，轉速減小到零速，施加機械抱閘。延時一段時間，減小電制動力到零，同時緩解機械抱閘，在32 s時，重新牽引電機加速，電機可正常啟動運行，實驗結果如圖7所示。

由實驗結果可知，采用本文所提出的零速電制動策略，可實現(xiàn)電機在減速到零前僅施加電制動力，在需要空氣制動力，如圖7所示，電機轉速在17.5 s時減小到零時，施加機械抱閘后，可使電機轉速保持為零，此時電機定子頻率為零，電機相電流為直流分量。在電機停穩(wěn)后，減小電制動力到零，之后解除機械抱閘。在整個加減速過程中，電機電流可實現(xiàn)精確控制，且沒有電流沖擊。

4 結 語

本文針對軌道牽引傳動系統(tǒng)中永磁同步電機控制策略進行了研究，提出一種適合于永磁同步牽引系統(tǒng)的零速電制動控制策略，并通過仿真和實驗進行驗證。該方法可實現(xiàn)在列車制動到零速前完全采用電制動，不需要施加空氣制動力，從而實現(xiàn)列車精準停車。同時，該方法結構簡單，易于實現(xiàn)，具有一定的工程實用價值。