劉國棟，余朝剛，朱文良

（上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620）

0 引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展以及中國更深度地參與世界分工，我國城市化進(jìn)程加快，城市軌道交通成為我國今后發(fā)展公共交通的主旋律，為了緩解交通壓力，急需加快地鐵車輛的研究步伐。

電力牽引系統(tǒng)是城市軌道交通列車的重要組成部分。為保證列車行車安全以及正點運營，牽引系統(tǒng)要根據(jù)速度變化、車輛載荷變化、輪軌粘著系數(shù)等對牽引力進(jìn)行精確控制。同時為保證牽引系統(tǒng)可靠性，還需要經(jīng)常對牽引及其控制系統(tǒng)進(jìn)行檢修。由于城市軌道交通列車牽引系統(tǒng)的好壞直接體現(xiàn)在列車的安全運行性能以及旅客乘坐的舒適程度、人身安全上，牽引系統(tǒng)精準(zhǔn)控制在地鐵列車中的重要性日益提高[1]。

目前我國城市軌道交通車輛多為三相交流異步電機(jī)牽引傳動[2]，主流高性能控制方案分為矢量控制技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)[3]。文獻(xiàn)[4]對成都城軌車輛直接轉(zhuǎn)矩控制方案進(jìn)行了可行性分析。文獻(xiàn)[5]采用恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬完整搭建牽引制動控制系統(tǒng)仿真模型，在實際中城軌列車運行時負(fù)載轉(zhuǎn)矩是隨速度而改變的。文獻(xiàn)[6]采用恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩搭建城軌列車牽引系統(tǒng)實時仿真模型，與列車實際運行狀況不同。本研究以MATLAB 中Simulink 仿真工具建立城市軌道交通交流電力牽引及其控制系統(tǒng)的仿真模型，以異步牽引電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法為主要原理，針對其定子磁鏈軌跡、牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速、定子電流以及轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最后得出直接轉(zhuǎn)矩控制效果簡潔高效試驗結(jié)論，將有助于我國城市軌道交通車輛牽引技術(shù)的發(fā)展。

1 軌道車輛牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

城市軌道交通車輛交流電力牽引系統(tǒng)主要包括受流裝置、牽引變流裝置、牽引電機(jī)以及制動電阻。軌道車輛交流傳動方式原理如圖1 所示，受電弓從接觸網(wǎng)受流，通過高速斷路器、線路接觸器、接地檢測裝置后，將DC 1 500V送入牽引電機(jī)控制模塊上，逆變成頻率電壓可調(diào)的三相交流電，平行供給車輛4 臺交流鼠籠式異步牽引電機(jī)，實現(xiàn)對牽引電機(jī)的調(diào)速，進(jìn)而控制列車完成牽引、電制動等操作。

圖1 軌道車輛交流傳動方式原理示意圖

2 圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制原理及建模

2.1 圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理。直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC）變頻調(diào)速是繼矢量控制技術(shù)之后一種高效簡潔變頻調(diào)速技術(shù)，省去傳統(tǒng)PWM 信號發(fā)生器，更區(qū)別于矢量控制旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的繁瑣變換及高度依賴定子與轉(zhuǎn)子參數(shù)，DTC 直接利用空間矢量分析模式，在定子坐標(biāo)系下對異步牽引電機(jī)磁鏈與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估算與控制，由滯環(huán)控制器對逆變器的開關(guān)進(jìn)行高效快速控制，故而得到高動態(tài)性能轉(zhuǎn)矩。目前DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、控制手段直接、動態(tài)性能高效等諸多優(yōu)點成為一種優(yōu)質(zhì)異步牽引電機(jī)控制策略。

將估計旋轉(zhuǎn)速度與給定旋轉(zhuǎn)速度相比得出給定轉(zhuǎn)矩；將磁鏈估計與給定磁鏈進(jìn)行比較，經(jīng)由磁滯環(huán)比較器得出磁鏈控制信號；再經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器將轉(zhuǎn)矩差作滯環(huán)處理得到轉(zhuǎn)矩控制信號；根據(jù)計算得出的轉(zhuǎn)子位移劃分扇區(qū)；根據(jù)分區(qū)以及轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號，結(jié)合搜索表以獲得空間矢量，生成PWM 波；輸出給逆變器，給電機(jī)供電。

2.2 圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制模型。采用DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制方式來控制三相異步交流牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制軌道車輛的車速。由圖2 可知整個直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型主要由主電路仿真模塊、磁鏈和轉(zhuǎn)矩估計模塊以及圓形磁鏈軌跡控制算法構(gòu)成。各部分搭建成果如圖3 所示，圖4 為磁鏈軌跡控制算法內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括磁鏈與轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制及分區(qū)選擇器。

圖2 圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖

圖3 地鐵電力牽引系統(tǒng)仿真模型

圖4 磁鏈與轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制子系統(tǒng)

對于圖3 中所示的DTC 仿真模型要求其能夠準(zhǔn)確反映出DTC 控制特性以及具有高度穩(wěn)定性，所以有必要對該模型進(jìn)行必要的仿真波形檢驗。將檢驗?zāi)Ｐ蛥?shù)設(shè)置為：測試時間1s，額定線電壓480V；目標(biāo)轉(zhuǎn)矩63N·m；目標(biāo)轉(zhuǎn)速550r/min 進(jìn)行起動測試。

由圖5 可以看出，該圓形磁鏈軌跡DTC 仿真模型中定子磁鏈無明顯畸變，圖6 是牽引電機(jī)實時轉(zhuǎn)矩迅速穩(wěn)定到目標(biāo)值，由圖7 中可以看出定子端電流正弦波在趨于穩(wěn)態(tài)過程中，波形亦無明顯變形，得證該仿真模型靜動態(tài)性能良好。

圖5 牽引電機(jī)定子電流正弦波檢驗

圖6 牽引電機(jī)實時轉(zhuǎn)矩監(jiān)測檢驗

圖7 牽引電機(jī)定子磁鏈軌跡檢驗

3 仿真方案與分析

上海在運某線路城市軌道交通車輛牽引電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。設(shè)定牽引電機(jī)在起動時的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 200r/min，牽引電機(jī)起動1.3s 后通過階梯函數(shù)向其施加一個大小為70N·m 的負(fù)載模擬載客工況，1.5s 后模擬司機(jī)控制牽引電機(jī)進(jìn)入制動工況，至此完成一次完整地直接轉(zhuǎn)矩控制牽引電機(jī)牽引加速、惰行與制動減速的軌道車輛牽引電機(jī)仿真運行過程。仿真過程得到牽引電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡、定轉(zhuǎn)子電流正弦波形、車輛模擬實時轉(zhuǎn)矩輸出以及牽引電機(jī)實時轉(zhuǎn)速等多種仿真數(shù)據(jù)，其仿真結(jié)果分別如圖8 至圖11 所示。通過多組直觀數(shù)據(jù)可觀察基于該控制方式下系統(tǒng)響應(yīng)的速度快慢與自調(diào)整效果，從而驗證該控制方式的穩(wěn)定性與可靠性。

表1 某軌道車輛牽引電機(jī)相關(guān)參數(shù)表

圖8 仿真結(jié)果-定子磁鏈軌跡

圖9 仿真結(jié)果-定子電流正弦波形

圖10 仿真結(jié)果-實時轉(zhuǎn)矩輸出曲線

圖11 仿真結(jié)果-牽引電機(jī)實時轉(zhuǎn)速

如圖8 所示，牽引電機(jī)仿真運行過程中，多種工況下空間矢量幅值的控制效果均顯良好，牽引電機(jī)磁通變化接近規(guī)整圓形軌跡，判定磁通調(diào)整效果穩(wěn)定。圖9 定子端電流變化趨勢與圖10 實時轉(zhuǎn)矩變化趨勢基本吻合，整個變化過程依照三種不同工況分為明顯的三段式，當(dāng)牽引電機(jī)空載起動時，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩迅速響應(yīng)上升并達(dá)到穩(wěn)定輸出；在1.3s 增加模擬列車負(fù)載時，轉(zhuǎn)矩再次迅速響應(yīng)調(diào)整；在1.5s 迅速響應(yīng)進(jìn)入制動工況，實時轉(zhuǎn)矩輸出也隨之變化直至2.85s 時牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速降為零時輸出轉(zhuǎn)矩也回歸零線。完整仿真過程中定子端三相電流正弦波形即逆變器輸出線電流三弦波形均呈穩(wěn)定效果。

4 結(jié)論

通過對城市軌道車輛牽引電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法的研究，基于MATLAB/Simulink 軟件搭建了一套完整的DTC 三相異步牽引電機(jī)仿真模型，并在此模型基礎(chǔ)上完成牽引電機(jī)處于牽引、惰行以及制動工況的仿真與分析。通過定子磁鏈及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)驗證了所搭建模型的可行性與穩(wěn)定性。定子端電流正弦圖形規(guī)律、定子磁鏈?zhǔn)諗繛橐?guī)整圓形、轉(zhuǎn)矩控制及時響應(yīng)，牽引電機(jī)穩(wěn)定運行等多項仿真結(jié)果表明，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式控制的牽引電機(jī)對于要求高效穩(wěn)定快速的城市軌道交通牽引制動系統(tǒng)來說既高效又快捷。