趙雷廷，劉 衎，李瑮冉，王永 翔

（1 動車組和機(jī)車牽引與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；3 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094）

交流傳動技術(shù)是實(shí)現(xiàn)地鐵舒適穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。在現(xiàn)有牽引傳動系統(tǒng)中常用的異步電機(jī)控制策略如磁場定向控制［1］、直接轉(zhuǎn)矩控制［2］等皆依賴于電機(jī)高精度的速度實(shí)時(shí)采集。但是，由于速度傳感器安裝位置以及工作環(huán)境惡劣，再加上行車過程中振動帶來的機(jī)械應(yīng)力，其已成為車輛故障的主要根源之一。因此，針對無速度傳感器控制技術(shù)的研究已逐漸成為電機(jī)控制理論和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)方向［3-6］，該技術(shù)不僅可減小牽引電機(jī)體積，提升電機(jī)輸出功率，還可以提高整個(gè)牽引傳動系統(tǒng)的可靠性并節(jié)約維修維護(hù)成本。然而在軌道牽引系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于變流器瞬時(shí)過流、過壓或長期惰行會出現(xiàn)變流器封鎖后重新啟動工況，而車輛具有大慣性特點(diǎn)，這就要求牽引系統(tǒng)可在較高初速度下平穩(wěn)投入工作，即帶速重投。如果初始辨識速度與實(shí)際速度偏差過大，則會觸發(fā)系統(tǒng)過流、倒行等故障，既而無法正常工作［7］。

因此，帶速重投一直以來都是無速度傳感器控制技術(shù)工程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)難題。目前，地鐵部分車型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中牽引系統(tǒng)可以通過車輛網(wǎng)絡(luò)接收到其他系統(tǒng)例如制動控制系統(tǒng)（Brake Control Unit，BCU）檢測的車輛速度從而作為初始速度進(jìn)行重投，初始誤差較小，重投相對簡單；但是亦有部分車型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中沒有其他系統(tǒng)檢測的車輛速度發(fā)送至牽引系統(tǒng)，或者當(dāng)前車輛正處于應(yīng)急牽引工況即沒有網(wǎng)絡(luò)時(shí)，就需要研究如何快速準(zhǔn)確地推算電機(jī)初始速度的方法。近幾年，國內(nèi)外眾多科研院所及高校針對上述問題提出了相應(yīng)解決措施，其中文獻(xiàn)［3］直接利用全階轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器進(jìn)行重投，初始速度偏差大，系統(tǒng)易發(fā)生震蕩；文獻(xiàn)［8］利用優(yōu)化自搜索方法估計(jì)出斷電后的電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過重復(fù)搜索使估算轉(zhuǎn)速越來越接近實(shí)際轉(zhuǎn)速，進(jìn)而提高了重投的成功率，但搜索時(shí)間較長，對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)有一定影響；文獻(xiàn)［9］提出了一種基于轉(zhuǎn)子反電動勢非線性模型的輸入輸出線性化方法，重投過程中可以準(zhǔn)確快速地辨識電機(jī)轉(zhuǎn)速，但由于非線性模型建立忽略定子電流變化導(dǎo)致辨識轉(zhuǎn)速不準(zhǔn)確，最終使得重投失敗。

文中以閉環(huán)全階轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器為基礎(chǔ)，在確保初始速度辨識精度的條件下，提升系統(tǒng)啟動工況下的動態(tài)響應(yīng)性能，提出一種直流脈沖注入結(jié)合磁鏈鎖相環(huán)以及零轉(zhuǎn)矩修正的兩段式帶速重投策略，最終通過硬件在環(huán)仿真與地面對拖試驗(yàn)驗(yàn)證證明該策略的有效性。

1 異步電機(jī)無速度傳感器控制策略

文中采用數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processing，DSP）+現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）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)矢量控制算法，如圖1 所示。

圖1 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

控制系統(tǒng)中DSP 接收車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送的轉(zhuǎn)矩指令Te_ref，結(jié)合磁鏈給定值?ref計(jì)算得到轉(zhuǎn)矩電流給定值iq_ref；勵(lì)磁電流給定值id_ref則直接利用磁鏈給定模塊獲取；轉(zhuǎn)矩與勵(lì)磁電流經(jīng)過雙電流PI調(diào)節(jié)器輸出電機(jī)電壓補(bǔ)償量udpi、uqpi，與前饋電壓計(jì)算模塊輸出的電壓ud_ref、uq_ref相加之后，通過電壓矢量計(jì)算模塊輸出電壓矢量在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量角度θdq以及調(diào)制度m；其中dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓矢量角度與觀測器估算的解耦角度θob相加得到靜止坐標(biāo)系下的實(shí)際電壓矢量角度θs，其與FPGA 中角度積分模塊輸出的電壓矢量積分角θf一同作為相角PI 調(diào)節(jié)器的輸入，進(jìn)而通過輸出頻率ωθ實(shí)時(shí)對定子給定頻率值ωe進(jìn)行補(bǔ)償，既而彌補(bǔ)系統(tǒng)數(shù)字延時(shí)誤差，最終得到的定子頻率給定值發(fā)送給FPGA 完成角度積分以及PWM 脈沖生成功能；同時(shí)調(diào)制度m發(fā)送給FPGA 完成電壓重構(gòu)以及PWM 脈沖生成功能。

控制算法中定子頻率計(jì)算模塊、前饋電壓計(jì)算模塊所用的觀測頻率以及相角調(diào)節(jié)器、電流變化模塊所用的觀測解耦角度都來源于磁鏈觀測器及速度辨識模塊，該模塊的輸入為靜止坐標(biāo)系下電機(jī)電流與電機(jī)電壓。其中電機(jī)電流為傳感器采集后經(jīng)過Clark 變化得到，電機(jī)電壓則通過FPGA中電壓重構(gòu)模塊計(jì)算得到。

為實(shí)現(xiàn)無速度傳感器控制技術(shù)，磁鏈觀測器及速度辨識模塊首先面向感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行建模，根據(jù)等效電路得到異步電機(jī)兩相靜止坐標(biāo)系下狀態(tài)方程為式（1）~式（6）：

式 中：is=[isα isβ]T為異步電機(jī)定子電流；?r=[?rα ?rβ]T為轉(zhuǎn)子磁鏈；us=[usα usβ]T為定子電壓；Rs、Rr、Ls、Lr、Lm、ωr分 別 為 電 機(jī) 定 子 電 阻、轉(zhuǎn)子電阻、定子電感、轉(zhuǎn)子電感、勵(lì)磁電感、轉(zhuǎn)子角頻率。

在上述狀態(tài)方程變量中，實(shí)際應(yīng)用場合只有定子電流可直接測量，因此通過定子電流實(shí)際值與觀測值之間誤差構(gòu)成轉(zhuǎn)速自適應(yīng)率及反饋增益矩陣來獲取轉(zhuǎn)速觀測值并修正轉(zhuǎn)子磁鏈觀測值，最終構(gòu)建閉環(huán)全階轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器方程為式（7）~式（8）：

其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 閉環(huán)全階轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器結(jié)構(gòu)

由于電機(jī)模型的極點(diǎn)本身是穩(wěn)定極點(diǎn)，因此為提高觀測器收斂速度，設(shè)計(jì)觀測器極點(diǎn)為電機(jī)模型極點(diǎn)的k倍，從而得到反饋增益矩陣系數(shù)為式（9）：

文章采用PI 自適應(yīng)率完成轉(zhuǎn)速估算為式（10）：

2 基于磁鏈鎖相環(huán)的帶速重投策略

為實(shí)現(xiàn)基于無速度傳感器控制技術(shù)的牽引變流器可以在車輛運(yùn)行過程中隨時(shí)激活投入，文中提出一種基于兩段式的帶速重投策略，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的推算電機(jī)初始速度。

首先通過發(fā)送特定的PWM 脈沖進(jìn)行直流預(yù)勵(lì)磁，從而初步推算出當(dāng)前車輛速度值，并將其作為第2 階段的輸入，在第2 階段中將給定轉(zhuǎn)矩設(shè)置為0，既而利用實(shí)際觀測轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩之間的誤差來進(jìn)一步微調(diào)轉(zhuǎn)速推算值，并將結(jié)果作為正常轉(zhuǎn)速觀測算法的初始值，即閉環(huán)全階轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器開始發(fā)揮作用，最后通過上文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速自適應(yīng)率快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地觀測車輛當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速。

2.1 直流預(yù)勵(lì)磁階段

在慣性行駛的感應(yīng)電機(jī)中通入直流電流時(shí)，得到的轉(zhuǎn)子磁鏈將畫出一個(gè)圓軌跡，其轉(zhuǎn)動角頻率與感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動角頻率相同。通過設(shè)定靜止坐標(biāo)系下定子電流β軸分量為0 即isβ=0，從而得到簡化后的電機(jī)狀態(tài)方程為式（11）：

式 中：isα和isβ分 別 為α、β軸 定 子 電 流；?rα和?rβ分別為α、β軸轉(zhuǎn)子磁鏈。通過求解方程得到該模式下磁鏈表達(dá)式為式（12）：

可以看出轉(zhuǎn)子磁鏈實(shí)際上是由直流分量加上一個(gè)逐漸衰減的交流分量得到，而其中的交流分量角頻率與電機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)頻率一致。在轉(zhuǎn)速未知的情況下，無法通過減去直流分量得到交流分量。

鑒于此，文中采用無需轉(zhuǎn)速信息的電壓模型磁鏈觀測方法獲取這個(gè)階段的轉(zhuǎn)子磁鏈信息，然后以轉(zhuǎn)子磁鏈定位于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸為基礎(chǔ)，通過設(shè)計(jì)軟件鎖相環(huán)得到轉(zhuǎn)速初始值。具體實(shí)現(xiàn)方式如圖3 所示。

圖3 直流注入轉(zhuǎn)速觀測控制框圖

第1 階段首先將反饋轉(zhuǎn)速即實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速默認(rèn)為0，此外，轉(zhuǎn)矩電流給定值維持0，勵(lì)磁電流給定值為常量，固定解耦角度恒為30°，實(shí)現(xiàn)雙電流PI 閉環(huán)控制，輸出調(diào)制度和定子頻率給定值，F(xiàn)PGA 計(jì)算得到PWM 驅(qū)動脈沖，變流器在驅(qū)動脈沖的控制下實(shí)現(xiàn)向電機(jī)進(jìn)行直流電流注入。

此時(shí)，DSP 內(nèi)部采用電壓型磁鏈觀測器獲取當(dāng)前階段的轉(zhuǎn)子磁鏈并將其作為磁鏈鎖相環(huán)的輸入。

磁鏈鎖相環(huán)基于磁場定向原則，通過PI 調(diào)節(jié)將q軸磁鏈調(diào)至0，從而最終獲取當(dāng)前階段觀測轉(zhuǎn)速，并將其作為第2 階段的輸入。

2.2 零轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)階段

在第1 階段的基礎(chǔ)上，第2 階段通過設(shè)置轉(zhuǎn)矩指令值為0 進(jìn)行修正初始轉(zhuǎn)速，該階段采用基于圖1 的無速度傳感器矢量控制構(gòu)架，同時(shí)根據(jù)電壓型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器輸出的轉(zhuǎn)子磁鏈以及實(shí)際定子電流推算出當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)矩為式（13）：

如果當(dāng)前觀測轉(zhuǎn)速大于實(shí)際轉(zhuǎn)速，將處于牽引狀態(tài)，那么產(chǎn)生的實(shí)際轉(zhuǎn)矩大于0；如果觀測轉(zhuǎn)速小于實(shí)際轉(zhuǎn)速，將處于制動狀態(tài)，產(chǎn)生的實(shí)際轉(zhuǎn)矩將會小于0。因此，文中利用公式推算出的轉(zhuǎn)矩誤差來修正觀測轉(zhuǎn)速，原理如圖4 所示。

圖4 零轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速觀測控制框圖

至此，通過2 種模式的組合，實(shí)現(xiàn)高精度且短時(shí)間的速度推算，為后續(xù)基于無速度傳感器控制的矢量控制算法提供轉(zhuǎn)速初始值，確保了短時(shí)間內(nèi)帶速重投的成功。

3 硬件在環(huán)仿真測試

針對上述研究內(nèi)容首先通過搭建硬件在環(huán)半實(shí)物平臺進(jìn)行仿真測試。

4 動2 拖的地鐵牽引傳動系統(tǒng)整車硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)如圖5 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)、地鐵車輛實(shí)際牽引控制單元（Traction Control Unit，TCU）、實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

圖5 地鐵牽引傳動系統(tǒng)整車硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)

其中，模擬顯示系統(tǒng)用于模擬車輛司控臺及車輛網(wǎng)絡(luò)控制功能。實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)則包括：4 臺運(yùn)行電機(jī)、變流器、直流回路模型的仿真機(jī)以及2 臺運(yùn)行弓網(wǎng)及輪軌關(guān)系模型的仿真機(jī)，并通過反射內(nèi)存實(shí)現(xiàn)仿真機(jī)之間數(shù)據(jù)傳遞和時(shí)間同步。此外，設(shè)計(jì)信號處理系統(tǒng)完成仿真機(jī)與TCU 之間信號轉(zhuǎn)換。利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取系統(tǒng)數(shù)字量和模擬量，并發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行儲存和顯示。

仿真異步電機(jī)參數(shù)見表1。

表1 電機(jī)參數(shù)

基于無速度傳感器控制技術(shù)的異步電機(jī)啟動-牽引-制動-停止全過程電機(jī)三相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)轉(zhuǎn)速波形如圖6 所示。在電機(jī)啟動時(shí)刻相當(dāng)于0 速度點(diǎn)的帶速重投，可見觀測轉(zhuǎn)速可以快速跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速，且偏差隨速度增加而逐漸減小，同時(shí)，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩可以跟隨指令轉(zhuǎn)矩，全過程電機(jī)電流平穩(wěn)，無異常突變。

圖6 無速度傳感器控制下電機(jī)動態(tài)運(yùn)行工況

電機(jī)分別運(yùn)行于5 Hz 以及45 Hz 穩(wěn)態(tài)下，電機(jī)三相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)轉(zhuǎn)速波形如圖7 所示?？梢钥闯鏊俣缺孀R誤差均可控制在0.05 Hz之內(nèi)，實(shí)際轉(zhuǎn)矩準(zhǔn)確跟蹤指令轉(zhuǎn)矩，電流平穩(wěn)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能良好。

圖7 無速度傳感器控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能

電機(jī)運(yùn)行于60 Hz 速度點(diǎn)，分別進(jìn)行牽引和制動工況下的帶速重投如圖8 所示。仿真結(jié)果從上至下分別為電機(jī)三相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、第1 階段鎖相環(huán)輸出轉(zhuǎn)速以及系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志（0 表示系統(tǒng)封鎖狀態(tài)、1 表示帶速重投第1 階段、2 表示帶速重投第2 階段、3 表示正常運(yùn)行狀態(tài)）。

圖8 無速度傳感器帶速重投性能

可以看出系統(tǒng)從封鎖狀態(tài)進(jìn)入第1 階段之后，電機(jī)三相電流為直流，經(jīng)過100 ms 之后輸出初始轉(zhuǎn)速作為第2 階段的輸入。第2 階段維持300 ms，轉(zhuǎn)矩指令值為0，辨識轉(zhuǎn)速經(jīng)過進(jìn)一步調(diào)整之后，系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)帶速重投過程約400 ms 完成，電流及轉(zhuǎn)矩?zé)o明顯沖擊，動態(tài)性能良好。

4 地面對拖試驗(yàn)驗(yàn)證

文中搭建的地面對拖試驗(yàn)平臺如圖9 所示，整流器為牽引變流器（Tractor inverter，INV1）和牽引變流器（Tractor inverter，INV2）提供直流電源，牽引電機(jī)作為被試電機(jī)工作于無速度傳感器控制模式，負(fù)載電機(jī)作為陪試電機(jī)工作于有速度傳感器下控制模式，電機(jī)間通過聯(lián)軸直接相連，并利用轉(zhuǎn)矩測量儀獲取實(shí)際轉(zhuǎn)矩信息。最后通過控制負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)差大小，從而調(diào)整負(fù)載轉(zhuǎn)矩。試驗(yàn)用電機(jī)參數(shù)與仿真用電機(jī)參數(shù)一致。

圖9 對拖試驗(yàn)系統(tǒng)

基于無速度傳感器控制技術(shù)的牽引變流器同時(shí)驅(qū)動4 臺異步電機(jī)分別進(jìn)行牽引和制動工況下的速度掃描波形如圖10 所示。整個(gè)過程電機(jī)電流平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩發(fā)揮正常，速度穩(wěn)定。

圖10 無速度傳感器控制模式下速度掃描波形

電機(jī)分別運(yùn)行于312 r/min（10.4 Hz）和3 124 r/min（104 Hz）左右下波形如圖11 所示?？梢婋姍C(jī)電流、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)無異常波動，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能良好。

圖11 無速度傳感器控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)

為驗(yàn)證帶速重投控制策略在全速度范圍內(nèi)的有效性，分別進(jìn)行了電機(jī)運(yùn)行于低速區(qū)段312 r/min（10.4 Hz）、中速區(qū)段1 564 r/min（52.1 Hz）以及高速區(qū)段3 747 r/min（124.9 Hz）的帶速重投試驗(yàn)，如圖12 所示。

圖12 無速度傳感器穩(wěn)態(tài)帶速重投試驗(yàn)

可以看出系統(tǒng)在各速度區(qū)段性能優(yōu)異，效果與仿真測試基本一致，帶速重投算法在約400 ms內(nèi)完成初速度估算使系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行模式，整個(gè)過程電流及轉(zhuǎn)矩沖擊在較小的許可范圍內(nèi)。

在電機(jī)加速過程中的帶速重投試驗(yàn)結(jié)果如圖13 所示，可以看出系統(tǒng)依然可以在較小的電流與轉(zhuǎn)矩沖擊下完成激活過程進(jìn)入正常無速度傳感器運(yùn)行模式。

5 結(jié) 論

文中以閉環(huán)全階轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了基于無速度傳感器控制技術(shù)的電機(jī)矢量控制策略，并提出了一種直流脈沖注入結(jié)合磁鏈鎖相環(huán)以及零轉(zhuǎn)矩修正的兩段式帶速重投策略。通過硬件在環(huán)仿真以及地面對拖試驗(yàn)完成了針對該系統(tǒng)的速度掃描、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、動靜態(tài)重投等仿真測試及試驗(yàn)驗(yàn)證，從而證明該無速度傳感器控制系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能，并且可以在較小電流、轉(zhuǎn)矩沖擊下快速完成帶速重投過程，已達(dá)到工程化應(yīng)用要求。