趙雷廷，劉 衎，張自強(qiáng)，許文中

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100094；2. 天津一號(hào)線軌道交通運(yùn)營有限公司，天津 300350）

1 引言

近年來，我國城市軌道交通（以下簡(jiǎn)稱“城軌”）行業(yè)快速發(fā)展，前景廣闊。2020年由中國城軌協(xié)會(huì)正式發(fā)布的《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[1]明確提出要以信息化、智能化促進(jìn)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，其中關(guān)鍵工作之一就是建立城軌車輛健康保障體系[2]。異步電機(jī)作為牽引系統(tǒng)關(guān)鍵部件，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響行車安全。由于城軌車輛頻繁啟/停、加/減速度大，同時(shí)還存在坡道救援、大功率電制、輪徑差等工況，加之電機(jī)工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常承受沖擊振動(dòng)及大電流沖擊，因此，極易引起電機(jī)溫升過高，導(dǎo)致絕緣壽命降低[3]。為避免嚴(yán)重故障發(fā)生并為車載級(jí)或地面級(jí)故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostics Health Management，PHM）系統(tǒng)提供電機(jī)健康管理有效數(shù)據(jù)，針對(duì)電機(jī)溫度的實(shí)時(shí)辨識(shí)將發(fā)揮巨大作用。然而，為減小電機(jī)體積，同時(shí)提高整個(gè)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性并節(jié)約維修維護(hù)成本，目前部分城軌用異步電機(jī)已不再安裝速度傳感器和溫度傳感器[4-6]，鑒于此，如何在這種情況下實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲得電機(jī)溫度尤其是轉(zhuǎn)子溫度，已成為城軌牽引傳動(dòng)領(lǐng)域的技術(shù)難題。

目前已有大量學(xué)者展開相關(guān)研究，文獻(xiàn)[7-8]提出一種高頻信號(hào)注入法，對(duì)高頻下轉(zhuǎn)子電阻進(jìn)行估計(jì)，再利用電阻與繞組溫度的函數(shù)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度值，該方法雖然簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但會(huì)產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；文獻(xiàn)[9-11]采用全階自適應(yīng)觀測(cè)器同時(shí)在線辨識(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速和定子電阻，但該方法不能直接辨識(shí)轉(zhuǎn)子電阻阻值，獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)溫度；文獻(xiàn)[12]應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將電壓模型輸出的轉(zhuǎn)子磁鏈作為參考值，通過反向傳播算法使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)值跟隨參考值，既而間接辨識(shí)轉(zhuǎn)子電阻，然而，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的辨識(shí)方法結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，難于工程實(shí)現(xiàn)。針對(duì)上述問題，本文提出一種多模式電機(jī)溫度實(shí)時(shí)辨識(shí)方法，當(dāng)牽引變流器處于激活狀態(tài)時(shí)，以矢量+標(biāo)量電機(jī)控制策略為基礎(chǔ)，研究溫度變化對(duì)控制性能的影響，利用電機(jī)矢量控制模式下矢量相角跟隨器輸出的補(bǔ)償頻率或者標(biāo)量控制模式下轉(zhuǎn)矩電流分量調(diào)節(jié)器輸出的補(bǔ)償頻率來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電阻，之后利用電阻與繞組溫度的函數(shù)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度值；當(dāng)牽引變流器處于封鎖狀態(tài)時(shí)，建立異步電機(jī)等效熱模型，綜合考慮車輛運(yùn)行速度對(duì)電機(jī)溫度的影響，構(gòu)建溫度調(diào)節(jié)器，直接針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度進(jìn)行辨識(shí)。最后以額定功率180 kW的異步電機(jī)為例，在半實(shí)物仿真平臺(tái)以及實(shí)際地鐵運(yùn)行線路上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 城軌牽引控制系統(tǒng)

本文所述城軌牽引控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）+數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processing，DSP）的系統(tǒng)構(gòu)架實(shí)現(xiàn)基于無速度傳感器控制技術(shù)的高性能異步電機(jī)控制算法。電機(jī)溫度的實(shí)時(shí)變化使轉(zhuǎn)子電阻阻值發(fā)生實(shí)時(shí)變化，如果控制用阻值與實(shí)際阻值相差過大則使電機(jī)控制算法中轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向不準(zhǔn)，轉(zhuǎn)矩實(shí)際發(fā)揮與指令值不一致，因此，控制系統(tǒng)通過分別在矢量控制模式和標(biāo)量控制模式下設(shè)計(jì)矢量相角跟隨器和轉(zhuǎn)矩電流分量調(diào)節(jié)器補(bǔ)償定子頻率給定值，最終彌補(bǔ)因溫度變化導(dǎo)致參數(shù)誤差帶來的影響。

2.1 電機(jī)溫度對(duì)控制性能的影響

城軌異步電機(jī)的溫度受外界環(huán)境溫度以及車輛運(yùn)行工況變化影響，在一定范圍內(nèi)實(shí)時(shí)發(fā)生變化，通常由于電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組散熱困難，既而發(fā)熱較為嚴(yán)重[13]。因此，在車輛啟動(dòng)后轉(zhuǎn)子電阻變化范圍較大。然而，異步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制策略中磁鏈觀測(cè)器、轉(zhuǎn)差頻率計(jì)算皆依賴于電機(jī)參數(shù)，如果控制用參數(shù)與實(shí)際參數(shù)偏差過大，則實(shí)際磁鏈的角度和幅值均會(huì)與指令出現(xiàn)偏差，造成電機(jī)過勵(lì)磁或者欠勵(lì)磁，最終降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)揮的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

牽引控制系統(tǒng)一般將磁鏈給定值設(shè)置為額定磁鏈，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)弱磁曲線，因此，勵(lì)磁電感和轉(zhuǎn)子電感控制用參數(shù)與實(shí)際值通常偏差較小，本文在分析電機(jī)溫度對(duì)控制性能影響時(shí)忽略上述偏差，從而得到控制系統(tǒng)觀測(cè)磁鏈 與實(shí)際磁鏈 的比值[14]：

式（1）中， 為轉(zhuǎn)差頻率；tr=Lr/Rr為實(shí)際轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)； 為控制用轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)；Lr為實(shí)際轉(zhuǎn)子電感；Rr為實(shí)際轉(zhuǎn)子電阻； 為控制用轉(zhuǎn)子電阻。根據(jù)式（1）分析電機(jī)溫度變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電阻正負(fù)偏差50%情況下，觀測(cè)磁鏈與實(shí)際磁鏈之間的幅值和相位誤差，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子電阻偏差情況下的磁鏈幅值與相位誤差

當(dāng)控制用轉(zhuǎn)子電阻 大于實(shí)際轉(zhuǎn)子電阻Rr時(shí)，觀測(cè)磁鏈幅值大于實(shí)際磁鏈，相位超前實(shí)際磁鏈，且磁鏈偏差與轉(zhuǎn)差頻率無關(guān)，此時(shí)，控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩電流給定值將在實(shí)際磁鏈的反方向上產(chǎn)生一個(gè)分量導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行于欠勵(lì)磁狀態(tài)；當(dāng)控制用轉(zhuǎn)子電阻 小于實(shí)際轉(zhuǎn)子電阻Rr時(shí)，情況相反，觀測(cè)磁鏈幅值小于實(shí)際磁鏈，相位滯后實(shí)際磁鏈，且磁鏈的偏差與轉(zhuǎn)差頻率無關(guān)，此時(shí)，控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩電流給定值將在實(shí)際磁鏈的正方向上產(chǎn)生一個(gè)分量導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行于過勵(lì)磁狀態(tài)。

綜上所述，電阻的偏差一定會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)定向不準(zhǔn)確，使得轉(zhuǎn)矩電流分量和勵(lì)磁電流分量錯(cuò)誤解耦，電機(jī)轉(zhuǎn)矩?zé)o法實(shí)時(shí)跟蹤給定值，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能下降。

2.2 電機(jī)控制策略

基于上述電機(jī)溫度對(duì)控制性能的影響分析，為達(dá)到電機(jī)溫度辨識(shí)的目的，文章以無速度傳感器電機(jī)控制策略為基礎(chǔ)提取相關(guān)特征量，用于補(bǔ)償定子頻率給定值，從而彌補(bǔ)電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)偏差導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向誤差。其后，根據(jù)不同工況采用不同模式來調(diào)節(jié)控制用轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)，使上述補(bǔ)償量逐漸趨近于零，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電阻的在線辨識(shí)，進(jìn)而推算電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前溫度。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于額定頻率以下時(shí)，控制系統(tǒng)采用矢量控制模式，如圖2所示，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送的轉(zhuǎn)矩指令，綜合考慮電機(jī)額定磁鏈，計(jì)算得到轉(zhuǎn)矩電流給定值以及勵(lì)磁電流給定值；通過A/D采集和坐標(biāo)變化獲取旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)矩電流反饋值和勵(lì)磁電流反饋值，既而構(gòu)建雙電流比例積分（Proportional integral，PI）調(diào)節(jié)器從而輸出電機(jī)電壓補(bǔ)償量，其與前饋電壓相加后結(jié)合直流側(cè)電壓采樣值計(jì)算得到調(diào)制度。

圖2 基于無速度傳感器控制技術(shù)的電機(jī)矢量控制算法框圖

DSP中設(shè)計(jì)磁鏈觀測(cè)器及轉(zhuǎn)速自適應(yīng)率用以完成解耦角度觀測(cè)和電機(jī)轉(zhuǎn)速辨識(shí)，其中解耦角度觀測(cè)值與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓矢量角度相加得到靜止坐標(biāo)系下電壓矢量角度，該角度與FPGA輸出的電壓矢量積分角度一同作為矢量相角跟隨器的輸入，從而輸出頻率實(shí)時(shí)對(duì)定子頻率給定值進(jìn)行補(bǔ)償。

FPGA則利用DSP計(jì)算的調(diào)制度、電機(jī)定子頻率給定值最終完成脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM），以及電壓矢量角度積分和電機(jī)電壓重構(gòu)功能。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于額定頻率以上時(shí)，電壓達(dá)到額定值，調(diào)制度恒為1.0，PWM脈沖進(jìn)入方波模式，此時(shí)電機(jī)電壓幅值無法再進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，控制系統(tǒng)將由矢量控制模式切換至標(biāo)量控制模式，如圖3所示。該模式下雙電流PI調(diào)節(jié)器以及矢量相角跟隨器被取消，設(shè)計(jì)新的轉(zhuǎn)矩電流分量調(diào)節(jié)器輸出頻率實(shí)時(shí)補(bǔ)償定子頻率給定值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓相位的調(diào)節(jié)以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)揮的目的。

圖3 基于無速度傳感器控制技術(shù)的電機(jī)標(biāo)量控制算法框圖

3 電機(jī)溫度實(shí)時(shí)辨識(shí)

在城軌牽引變流器激活狀態(tài)下，異步電機(jī)工作過程中必然存在損耗，損耗轉(zhuǎn)換為熱量從而使電機(jī)溫度升高，而控制系統(tǒng)中除電機(jī)溫度變化導(dǎo)致的電機(jī)參數(shù)偏差之外，模擬量采樣周期、離散控制周期、PWM脈沖比較值加載周期以及轉(zhuǎn)速辨識(shí)精度都對(duì)磁場(chǎng)準(zhǔn)確定向有一定影響。本文所述控制系統(tǒng)采用高性能A/D采樣芯片及DSP芯片，實(shí)現(xiàn)高頻采樣和控制計(jì)算，大幅度減小了控制延時(shí)和離散誤差；通過FPGA實(shí)現(xiàn)PWM脈沖生成，實(shí)現(xiàn)比較值實(shí)時(shí)加載；同時(shí)，利用閉環(huán)磁鏈觀測(cè)器和轉(zhuǎn)速自適應(yīng)率將轉(zhuǎn)速辨識(shí)誤差控制在0.5%之內(nèi)。因此，如果矢量控制模式下矢量相角跟隨器輸出的補(bǔ)償頻率或者標(biāo)量控制模式下轉(zhuǎn)矩電流分量調(diào)節(jié)器輸出的補(bǔ)償頻率過大，超過既定閾值，則可以認(rèn)為是由于電機(jī)參數(shù)偏差所引起。

鑒于此，將補(bǔ)償頻率、當(dāng)前控制模式、牽引/制動(dòng)狀態(tài)、電機(jī)轉(zhuǎn)速作為輸入，設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻調(diào)節(jié)器，以控制補(bǔ)償頻率逐漸趨向于零為目標(biāo)，實(shí)時(shí)修正控制用電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻阻值，從而間接估算電機(jī)溫度。

當(dāng)牽引變流器封鎖時(shí)，電機(jī)電壓和電流為0，無損耗產(chǎn)生。此時(shí)電機(jī)溫度主要受車輛走行風(fēng)以及封鎖時(shí)間影響逐漸降低。因此，基于異步電機(jī)等效熱模型，建立溫度調(diào)節(jié)器直接估算電機(jī)溫度。

3.1 變流器激活狀態(tài)下電機(jī)溫度辨識(shí)

當(dāng)城軌牽引變流器處于激活狀態(tài)時(shí)，異步電機(jī)正常工作，其溫度的辨識(shí)策略構(gòu)架如圖4所示。

由于異步電機(jī)運(yùn)行全速度范圍內(nèi)，電機(jī)控制模式、PWM脈沖模式、牽引/制動(dòng)力級(jí)位都可能實(shí)時(shí)切換或變化，因此將補(bǔ)償頻率作為輸入設(shè)計(jì)電阻調(diào)節(jié)器需要根據(jù)當(dāng)前牽引控制系統(tǒng)所處狀態(tài)設(shè)計(jì)不同的調(diào)節(jié)方法以及關(guān)鍵系數(shù)。以車輛向前行駛為例，調(diào)節(jié)模式及對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)方法如表1所示。

表中參數(shù)調(diào)節(jié)閾值主要與控制系統(tǒng)延時(shí)和轉(zhuǎn)速辨識(shí)誤差相關(guān)，本文認(rèn)為補(bǔ)償頻率如果小于參數(shù)調(diào)節(jié)閾值時(shí)，并不是由于電機(jī)參數(shù)偏差導(dǎo)致的，因此，轉(zhuǎn)子電阻調(diào)節(jié)值維持不變。調(diào)節(jié)方法中系數(shù)k需要根據(jù)仿真結(jié)果以及實(shí)際車輛運(yùn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相應(yīng)設(shè)置調(diào)整；fa、fi分別為矢量控制模式下矢量相角跟隨器輸出的補(bǔ)償頻率和標(biāo)量控制模式下轉(zhuǎn)矩電流分量調(diào)節(jié)器輸出的補(bǔ)償頻率；Rrr為轉(zhuǎn)子電阻的調(diào)節(jié)量；Rr0為上一控制周期轉(zhuǎn)子電阻的調(diào)節(jié)量；定義控制用轉(zhuǎn)子電阻初始值為Rri，則可以得到最終的轉(zhuǎn)子電阻辨識(shí)值Rrf為：

利用式（3）得到對(duì)應(yīng)電阻阻值的電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度：

式（3）中，kT為電阻材料對(duì)應(yīng)的溫變常量；R0為T0溫度下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子電阻阻值；通?？梢赃x定電機(jī)設(shè)計(jì)文件中150 ℃對(duì)應(yīng)阻值，由此可以實(shí)時(shí)辨識(shí)出電機(jī)溫度值Tt。

3.2 變流器激活封鎖下電機(jī)溫度辨識(shí)

當(dāng)城軌牽引變流器處于封鎖狀態(tài)后，電機(jī)定/轉(zhuǎn)子側(cè)的損耗變?yōu)榱?，定子?cè)剩余熱量將從2個(gè)途徑散出：其一是由定子繞組經(jīng)機(jī)殼表面直接傳播到外界；其二是經(jīng)過氣隙傳至轉(zhuǎn)子鐵芯，再經(jīng)過電機(jī)軸承傳播至外界。同理，轉(zhuǎn)子側(cè)剩余熱量亦有2個(gè)途徑：其一是由轉(zhuǎn)子鐵芯經(jīng)電機(jī)軸承之間傳播到外界；其二是經(jīng)過氣隙傳至定子繞組，再經(jīng)過機(jī)殼表面?zhèn)鞑ブ镣獠縖15]。與此同時(shí)，實(shí)際車輛用異步電機(jī)都配有散熱系統(tǒng)，通常利用電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的風(fēng)扇或者車輛運(yùn)行產(chǎn)生的走行風(fēng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行散熱，因此，可建立等效熱模型如圖5所示。

圖5中Ts、Tq、Tr、T0分別為定子側(cè)溫度、氣隙溫度、轉(zhuǎn)子側(cè)溫度以及外界環(huán)境溫度；Gs和Gr分別為定子側(cè)傳熱系數(shù)和轉(zhuǎn)子側(cè)傳熱系數(shù)；Gs，0為定子側(cè)與外界環(huán)境之間的傳熱系數(shù)；Gs，q為考慮散熱系統(tǒng)影響的定子側(cè)與氣隙之間的傳熱系數(shù)；Gr，q為考慮散熱系統(tǒng)影響的轉(zhuǎn)子側(cè)與氣隙之間的傳熱系數(shù)；Gs為定子側(cè)熱熔；Gr為轉(zhuǎn)子側(cè)熱熔；n為當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速。根據(jù)能量守恒原理，固定時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，一個(gè)無損耗系統(tǒng)內(nèi)的物體凈能量得流失會(huì)以溫度的形式體現(xiàn)，如式（4）所示為針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)溫度的描述：

圖5 異步電機(jī)等效熱模型

通常氣隙溫度可以取定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)溫度的平均值，設(shè)置控制系統(tǒng)離散計(jì)算周期為Δt，經(jīng)過離散化之后可以得到轉(zhuǎn)子溫度調(diào)節(jié)器：

式（5）中，Tr，s為轉(zhuǎn)子側(cè)與定子側(cè)的溫度差，實(shí)際工程應(yīng)用中可以通過地面實(shí)驗(yàn)在牽引變流器激活狀態(tài)下測(cè)試擬合得到。最終利用式（5）得到電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度值。該溫度值還將作為牽引變流器下次激活時(shí)刻控制用轉(zhuǎn)子電阻初始值計(jì)算的輸入。

4 半實(shí)物仿真及車輛運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

文章針對(duì)研究?jī)?nèi)容首先搭建半實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，如圖6所示。其采用基于以太網(wǎng)的分布式構(gòu)架，由模擬顯示系統(tǒng)、城軌牽引控制單元（Traction Control Unit，TCU）、實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

圖6 城軌牽引傳動(dòng)系統(tǒng)整車半實(shí)物仿真平臺(tái)

其中，模擬顯示系統(tǒng)用于模擬車輛司控臺(tái)及車輛網(wǎng)絡(luò)控制功能，向TCU發(fā)出指令信息；實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)建立異步電機(jī)、牽引變流器、直流回路等電氣模型；信號(hào)處理系統(tǒng)完成仿真機(jī)與TCU之間信號(hào)轉(zhuǎn)換；最后利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取仿真結(jié)果，并發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存和顯示。異步電機(jī)模型參數(shù)如表2所示，并且在變流器激活狀態(tài)下電阻參數(shù)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)，在變流器封鎖狀態(tài)下，電阻參數(shù)根據(jù)等效熱模型自動(dòng)變化。

表2 電機(jī)參數(shù)

如圖7所示為基于無速度傳感器控制技術(shù)的異步電機(jī)在20 km/h穩(wěn)態(tài)速度點(diǎn)下，系統(tǒng)處于矢量控制模式，電機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)揮滿轉(zhuǎn)矩工況。通過手動(dòng)修改模型中電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻阻值在40 s內(nèi)從0.018 Ω增加至0.03 Ω，從而模擬實(shí)際電機(jī)運(yùn)行過程中溫度變化。實(shí)際上電機(jī)溫度是大慣性變量，變化較為緩慢而仿真測(cè)試為了節(jié)約測(cè)試時(shí)間，同時(shí)最大限度測(cè)試辨識(shí)算法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，因此，模型中電阻變化速度的設(shè)置遠(yuǎn)快于實(shí)際情況。

圖7 矢量控制模式下電機(jī)溫度升高辨識(shí)結(jié)果

分析可知，當(dāng)模型修改實(shí)際轉(zhuǎn)子電阻阻值之后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩仍發(fā)揮穩(wěn)定，電阻調(diào)節(jié)器實(shí)時(shí)針對(duì)轉(zhuǎn)子電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，過程中矢量相角跟隨器輸出頻率先增大后減小，最終逐漸收斂于0 Hz附近，轉(zhuǎn)子電阻最終穩(wěn)定在0.029Ω，與模型設(shè)置的0.03Ω相比穩(wěn)態(tài)誤差約為3.3%，電機(jī)辨識(shí)溫度在40 s左右時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定并達(dá)到178.3℃，動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好。

如圖8所示在20 km/h穩(wěn)態(tài)速度點(diǎn)下，TCU控制牽引變流器模型處于封鎖狀態(tài)，2 min后激活，并將轉(zhuǎn)矩發(fā)揮至100%，再經(jīng)過15 s后手動(dòng)修改模型中電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻在40 s內(nèi)從0.025Ω減小至0.018Ω。

圖8 矢量控制模式下電機(jī)溫度降低辨識(shí)結(jié)果

分析可知，當(dāng)變流器封鎖時(shí)，電機(jī)辨識(shí)溫度在2 min之內(nèi)從130.9 ℃緩慢下降至125.1℃，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子電阻阻值從0.0256 Ω緩慢下降至0.0253 Ω；激活之后轉(zhuǎn)子電阻調(diào)節(jié)器開始發(fā)揮作用，輸出電機(jī)辨識(shí)轉(zhuǎn)子電阻0.0255Ω，隨著仿真機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子阻值變化，矢量相角跟隨器輸出補(bǔ)償頻率先增大后減小，逐漸收斂于0 Hz附近，轉(zhuǎn)子電阻阻值最終穩(wěn)定在0.0185Ω，與模型設(shè)置的0.018Ω相比穩(wěn)態(tài)誤差約為2.7%，電機(jī)辨識(shí)溫度在40 s左右時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定并達(dá)到41.8℃，動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好。

同理，如圖9所示為60 km/h穩(wěn)態(tài)速度點(diǎn)，系統(tǒng)處于標(biāo)量控制模式下測(cè)試結(jié)果，電機(jī)轉(zhuǎn)矩仍發(fā)揮滿轉(zhuǎn)矩。通過手動(dòng)修改模型中電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻在40 s內(nèi)從0.018Ω分6次逐漸增加至0.03Ω。

圖9 標(biāo)量控制模式下電機(jī)溫度升高辨識(shí)結(jié)果

由此可見，每次模型修改實(shí)際轉(zhuǎn)子電阻阻值時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩可保持穩(wěn)定發(fā)揮，轉(zhuǎn)矩電流分量調(diào)節(jié)器輸出補(bǔ)償頻率會(huì)有明顯的突變，然后逐漸減小收斂于0 Hz附近。電阻調(diào)節(jié)器實(shí)時(shí)針對(duì)轉(zhuǎn)子電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)子電阻阻值最終穩(wěn)定在0.0283Ω，與模型設(shè)置的0.03Ω相比穩(wěn)態(tài)誤差約為5.6%，電機(jī)辨識(shí)溫度在40 s左右時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定并達(dá)到168.1℃，動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好。

如圖10所示為60 km/h穩(wěn)態(tài)速度點(diǎn)下，TCU控制牽引變流器模型處于封鎖狀態(tài)，90 s之后激活，并將轉(zhuǎn)矩發(fā)揮至100%，手動(dòng)修改模型中電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻阻值在40 s內(nèi)從0.0256Ω減小至0.018Ω。

圖10 標(biāo)量控制模式下電機(jī)溫度降低辨識(shí)結(jié)果

分析可知，當(dāng)牽引變流器封鎖時(shí)，溫度調(diào)節(jié)器輸出電機(jī)辨識(shí)溫度從129.6℃緩慢下降至120.5℃，對(duì)應(yīng)阻值從0.0256Ω緩慢下降至0.0249Ω；激活之后轉(zhuǎn)子電阻調(diào)節(jié)器開始發(fā)揮，輸出電機(jī)辨識(shí)轉(zhuǎn)子電阻0.025Ω，隨著仿真機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子阻值變化，轉(zhuǎn)矩電流分量調(diào)節(jié)器輸出補(bǔ)償頻率先增大后減小，逐漸收斂于0附近，轉(zhuǎn)子電阻阻值最終穩(wěn)定在0.019Ω，與模型設(shè)置的0.018Ω相比穩(wěn)態(tài)誤差約為5.5%，電機(jī)辨識(shí)溫度響應(yīng)在40 s左右時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定達(dá)到40.5℃動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好。半實(shí)物仿真測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 半實(shí)物測(cè)試結(jié)果

圖11所示為實(shí)際車輛工作于自動(dòng)駕駛模式（Automatic Train Operation，ATO），在接近8 min時(shí)間內(nèi)經(jīng)過3站正常啟停的測(cè)試結(jié)果。過程中在信號(hào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)下電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨運(yùn)行速度實(shí)時(shí)變化。電機(jī)溫度辨識(shí)值基本穩(wěn)定在110～130 ℃之間，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子電阻阻值在0.024 ～0.0255Ω變化?？梢钥闯霎?dāng)車輛在加減速運(yùn)行過程中，牽引變流器激活狀態(tài)下，電機(jī)溫度在實(shí)時(shí)快速的調(diào)節(jié)；而當(dāng)車輛運(yùn)行速度為零時(shí)即到站停車，牽引變流器封鎖脈沖，電機(jī)溫度則按照一定的規(guī)律緩慢下降。

圖11 實(shí)際車輛ATO模式下辨識(shí)結(jié)果

綜上所述，結(jié)合半實(shí)物仿真測(cè)試結(jié)果和車輛實(shí)際運(yùn)行測(cè)試結(jié)果，本文研究的多模式電機(jī)溫度實(shí)時(shí)辨識(shí)方法在牽引系統(tǒng)各工況下辨識(shí)誤差較小且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快。

5 結(jié)束語

基于城軌車輛安全運(yùn)營以及健康管理的需求，文章以無速度傳感器電機(jī)控制策略以及異步電機(jī)等效熱模型為基礎(chǔ)，提出一種多模式電機(jī)溫度實(shí)時(shí)辨識(shí)方法。當(dāng)牽引變流器處于激活狀態(tài)時(shí)，通過辨識(shí)轉(zhuǎn)子電阻值結(jié)合電阻與繞組溫度的函數(shù)關(guān)系，從而獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度值；當(dāng)牽引變流器處于封鎖狀態(tài)時(shí)，通過建立異步電機(jī)等效熱模型，直接針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度進(jìn)行辨識(shí)。實(shí)現(xiàn)了在不新增任何傳感器的基礎(chǔ)上，車輛運(yùn)行全工況針對(duì)異步電機(jī)溫度的實(shí)時(shí)辨識(shí)，且文章所述方法的輸入皆為電信號(hào)及電機(jī)本體設(shè)計(jì)參數(shù)，當(dāng)電機(jī)由于其他機(jī)械故障導(dǎo)致溫度異常升高時(shí)，并不影響溫度辨識(shí)的有效性。最終通過半實(shí)物仿真平臺(tái)及車輛運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明了該溫度辨識(shí)方法誤差小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快且工程應(yīng)用效果良好，可為電機(jī)過溫預(yù)警、保護(hù)控制以及電機(jī)健康管理提供有效數(shù)據(jù)。