渠開發(fā)，武奇生，陳圓媛，張會欣

(1.長安大學 電子與控制工程學院，西安 710064；2. 河南交通投資集團有限公司，鄭州 450000)

0 引 言

城市軌道交通規(guī)模不斷增大，如何合理有效地研究車輛控制性能成為了亟待解決的問題。研究牽引電機傳動系統(tǒng)控制方法，需要考慮牽引電機的負載特性并建立牽引電機負載模擬系統(tǒng)，為研究方案提供接近真實的電機運行環(huán)境[1]。電動負載模擬系統(tǒng)利用交流電機或直流電機把電能轉換成轉子的機械能，通過控制轉矩的形式為承載設備進行加載來模擬負載，因此負載模擬系統(tǒng)實質是對轉矩的控制。為了使電動負載模擬系統(tǒng)的機械特性與實際機械負載相同，模擬系統(tǒng)應能夠迅速補償因承載對象速度改變而出現(xiàn)在負載電機中的反電動勢[2]。

由于電機負載在機電測試、民用以及國防各領域的巨大作用，我國已對電動負載模擬技術進行了相關研究。文獻[3]利用電流、轉矩雙閉環(huán)復合控制策略，使用內?？刂频牟呗栽O計了轉矩、電流調節(jié)器,以此設計了基于他勵直流電動機的負載模擬系統(tǒng)。在負載模擬系統(tǒng)基礎上，借助 Matlab對系統(tǒng)進行仿真研究。文獻[4]以永磁同步電機作為加載電機，分析了負載模擬器的工作原理，并推導、構建了模擬系統(tǒng)的數(shù)學模型。 使用PID 算法對電流、轉矩進行雙閉環(huán)控制，為防止加載對象主動運動而引起多余力矩，引入前饋補償。 隨著我國工業(yè)化進程的不斷加快，對電機負載模擬技術的研究將更加的深入。

國外對電動負載模擬技術的研究工作開展較早，并已取得了一系列成果。早在1998 年，英國的 Hewson C.R.等人[5]通過控制作為負載電機的直流電機，模擬了線性以及非線性機械負載特性，并比較了多種控制方案。韓國的Ryu Hyung Min 等人[6]選取普通直流電機作為負載電機，并模擬高速電梯牽引電動機負載特性的系統(tǒng)。但是這些方法都具有一定的局限性，難以在實際工程中，尤其是模擬實際城市軌道列車牽引電機負載中得到有效應用。

車輛運行負載模擬技術可以克服真車試驗成本大、可行性較低及試驗周期長等缺點，具有非常高的學術、工程運用價值。本文首先計算了列車牽引力與阻力，從力的角度構建列車牽引負載轉矩的數(shù)學建模，等效轉動慣量，建立一套由牽引電機系統(tǒng)、負載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構成的城市軌道交通車輛牽引與負載模擬半實物仿真平臺。并通過軟件編程設計來測量和采集相關數(shù)據(jù)，實現(xiàn)阻力加載系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)的轉速、轉矩的閉環(huán)控制。仿真以及實驗結果均證明所提出的系統(tǒng)控制方法合理有效，能準確模擬列車牽引電機負載。

1 仿真平臺系統(tǒng)設計

本城市軌道交通車輛牽引與負載模擬半實物仿真平臺由牽引電機及其控制系統(tǒng)、慣性負載及其加載系統(tǒng)、虛擬儀器測控設備以及工控計算機組成，仿真平臺實物如圖1所示，作品實現(xiàn)了小型化，一體化 。利用皮帶飛輪組模擬慣性負載。使用了永磁電機進行負載阻力的電模擬方式，相較于液壓模擬，磁滯模擬具有體積小、阻力模擬精度高等眾多優(yōu)點。并使用鋁型材搭建整體框架，可重塑性能強。

圖1 1仿真平臺實物圖

2 仿真平臺實現(xiàn)

2.1 理論分析

城市交通列車在運行過程中受到的運行阻力，主要包括基本阻力、曲線附加阻力、隧道附加阻力和坡道附加阻力等阻力[7]。從力的角度推導牽引電機負載轉矩數(shù)學表達式，并將軌道列車運行時的旋轉慣量和平動慣量折算成飛輪的轉動慣量，為之后的負載阻力模擬加載試驗平臺的建立提供理論基礎。

從力的角度推導出牽引電機負載轉矩數(shù)學表達式，首先分析如圖2所示的動力傳動機構的受力情況。

圖2 輪對傳動機構受力分析

圖2左側為牽引電機和傳動機構，右側則為輪對和傳動機構。細線代表傳動齒輪，粗線代表電機軸和輪對。圖中箭頭表示電機、車輪轉動方向。采用了列車阻力經驗公式推導牽引電機負載表達式[8]，并忽略部分因素。

對于牽引電機，有轉矩公式：

(1)

列車在運行時，牽引電機的主動齒輪和輪對的從動齒輪之間存在一對作用力F1和反作用力F2：

F1=F2

(2)

將F1和F2轉化為轉矩的形式，F(xiàn)1轉換為牽引電機的負載轉矩TL，F(xiàn)2轉換為傳動轉矩Tt：

TL=F1r1

(3)

Tt=F2R2

(4)

在鐵路上，定義齒輪傳動比為

(5)

由于列車在行駛過程中，鋼軌與輪對之間會出現(xiàn)蠕滑現(xiàn)象，且二者存在蛇形運動，當車輪以角速度ωw轉動時，列車以速度v行駛，理論上車輪轉動的線速度應和車輛行駛速度相等。但由于輪對與鋼軌之間出現(xiàn)的蠕滑現(xiàn)象，在利用角速度計算列車的運行速度時須加入衰減系數(shù)ε：

(6)

圖3分析了單節(jié)列車運行時的受力情況，為了便于計算，將轉向架以及車體看作為一質點，由于上述的受力公式中已考慮了部件摩擦損耗，因此可以認為列車傳動機構的各個部件之間存在作用力和反作用力，公式如下：

(7)

(8)

(9)

Fr5=N2Fr4

(10)

圖3 單節(jié)列車的受力分析

推導公式時，忽略由于車鉤力等因素而導致的阻力分配不平均的情況，假設車輛行駛時的基本阻力 平均分配給每節(jié)列車車廂，將式(5)、式(6)帶入上式，可獲得基本運行阻力F與ωm的關系：

(11)

最終推出牽引電機負載轉矩：

(12)

2.2 仿真平臺設計制作

設計制作城市軌道交通車輛牽引與負載模擬半實物仿真平臺，圖4為機械總體設計圖。仿真平臺由四部分組成。

圖4 機械總體設計圖

2.2.1 牽引傳動系統(tǒng)

牽引傳動系統(tǒng)是城市軌道列車的重要組成部分，負責為車輛運行提供動力，不同的城市軌道列車牽引系統(tǒng)雖然組成各不相同，但基本由以下幾部分組成：高速斷路器、牽引電機，受流系統(tǒng)(集電靴/受電弓)、牽引逆變器(VVVF)、牽引控制單元(DCU/UNAS)以及制動電阻等。為更加真實有效的模擬城市軌道列車的牽引系統(tǒng)，采用1.75 kW的交流異步電機和三菱的AC700變頻器，將380 V工頻交流電經過整流逆變單元的調壓、濾波、整流后模擬軌道車輛直流母線供電，經過牽引以及制動逆變電路把直流電逆變?yōu)榉岛皖l率可以調節(jié)的交流電，給三相交流異步電機供電。

2.2.2 慣性飛輪系統(tǒng)

慣性飛輪系統(tǒng)能夠模擬列車行駛時的平動、轉動慣量，通過轉動慣量可以模擬列車運行時受到的加速阻力來測試牽引加速能力。本文采用三級飛輪來模擬列車運行時的空載、滿載以及超載等三種不同工況。

2.2.3 測控系統(tǒng)

建立測控系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)通過信號調理電路再輸入數(shù)據(jù)采集卡采集到計算機，通過Labview進行處理分析并以圖形曲線形式顯示在面板中，后期通過調用Matlab代碼來輸出負載控制信號，使用驅動電路控制負載電機，從而模擬不同的工況條件?；贚abview的城市軌道交通車輛牽引與負載模擬半實物仿真平臺的測控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡、傳感器、工業(yè)控制計算機以及Labview程序構成?；贚abview軟件，通過數(shù)據(jù)采集卡等硬件設備能夠實現(xiàn)對交流異步電機運行狀態(tài)進行快速無誤地檢測，采集并顯示電機轉矩、轉速等基本參數(shù)。

基于LabVIEW的城市軌道交通車輛牽引與負載模擬半實物仿真平臺系統(tǒng)軟件主要包括了6個模塊：參數(shù)初始化模塊、串口通信模塊、牽引電機控制模塊、負載阻力加載模塊、實驗數(shù)據(jù)處理模塊以及運行線路設計模塊。牽引電機的控制模塊是系統(tǒng)軟件的核心，包含牽引電機轉速的控制以及牽引電機負載轉矩的計算。通過串口與變頻器進行通信來控制牽引電機轉速來完成對牽引電機的控制。牽引電機負載轉矩的計算是實現(xiàn)模擬實際列車的數(shù)學建模過程。負載阻力加載模塊主要包括手動和自動加載區(qū)域。手動加載區(qū)域可以方便使用者進行研究調試，而自動加載區(qū)域則是通過給定相關參數(shù)，直接繪出速度曲線和負載曲線，實現(xiàn)對牽引電機和負載電機的自動控制，使系統(tǒng)更加智能化。軟件主界面如圖5所示。

圖5 軟件主界面圖

2.2.4 負載模擬系統(tǒng)

負載模擬系統(tǒng)能夠模擬列車行駛時受到的阻力，通過模擬負載的加載可以使牽引傳動系統(tǒng)與實際運行工況更加接近。由于城市軌道列車運行時通常由6到8輛列車編為一組，每列車有4到6節(jié)動車組成，每節(jié)車有4臺牽引電機，實驗中系統(tǒng)不足以模擬整列車的運行阻力，所以系統(tǒng)將列車的運行阻力分別平均分配到各臺牽引電機，通過負載轉矩的形式加載到牽引電機上來模擬列車運行時的阻力。

3 結果分析

城市軌道交通車輛牽引與負載模擬半實物仿真平臺就是根據(jù)采集的牽引電機轉速來計算列車運行受到的基本阻力，并且根據(jù)實際城市軌道交通車輛參數(shù)算出列車運行的各種附加阻力，使用Labview軟件計算出每臺牽引電機的負載轉矩，并通過負載測功機的轉矩閉環(huán)控制加載到牽引電機上。以此能在平臺的虛擬儀器端顯示列車運行時的負載變化曲線以及轉矩變化曲線。

研究所得的城市軌道交通車輛牽引與負載模擬半實物仿真平臺負載加載有手動加載和自動加載兩種模式。

(1)手動加載

手動加載是依據(jù)電機運行的速度來控制負載電機轉矩的加載，可以通過手動操作加載任意數(shù)值，使系統(tǒng)調試更加方便。

(2)自動加載

圖6為自動加載時采集的牽引電機電流、電壓的曲線，由圖可以看出，牽引電機在起動時，起動電流很大，之后逐漸減小，并最終趨于穩(wěn)定值。而牽引電機的電壓則隨著時間一直增大，逐漸趨于穩(wěn)定，并保持不變。

圖6 自動加載下牽引電機電流電壓曲線

如圖7所示，為系統(tǒng)運行時，牽引電機的轉速以及負載轉矩曲線顯示，隨著電機的運行，牽引電機轉速逐漸增大，負載轉矩也逐漸增大，這和自動加載設定有關。

圖7 牽引電機的轉速和負載轉矩曲線圖

圖8為牽引特性的運行特性曲線顯示：

圖8 運行特性曲線顯示

由以上所測牽引電機各項數(shù)據(jù)可以看出，電動負載模擬系統(tǒng)的機械特性與實際機械負載相符合，故城市軌道交通車輛牽引與負載模擬半實物仿真平臺能準確模擬列車牽引電機負載。

4 結 語

該文通過對列車運行進行受力分析，建立一套由牽引電機系統(tǒng)、負載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構成的城市軌道交通車輛牽引與負載模擬半實物仿真平臺。并通過軟件編程設計來測量和采集相關數(shù)據(jù)，實現(xiàn)阻力加載系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)的轉速、轉矩的閉環(huán)控制。仿真以及實驗結果均證明所提出的系統(tǒng)控制方法合理有效，能準確模擬列車牽引電機負載。后期與列車自動控制系統(tǒng)(ATC)結合，在不同行車工況下，顯示牽引電機數(shù)據(jù)，調控動力分配，具有一定的學術價值與工程運用價值。