CN1010644B

CN1010644B - 感应马达驱动的电动车的控制系统

Info

Publication number: CN1010644B
Application number: CN87107660A
Authority: CN
Inventors: 野崎吉雄; 岡松茂俊; 高岡征
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-11-05
Filing date: 1987-11-04
Publication date: 1990-11-28
Also published as: CN87107660A; JP2555038B2; AU593150B2; US4825131A; DE3737633C2; DE3737633A1; AU8061487A; KR950015169B1; ZA878279B; KR880006834A; JPS63117605A

Abstract

电动车架线上的直流电压输送到一个变压、变频PWM(脉宽调制)变换器，转换成供给多个三相感应电动机的三相交流电。这些电动机连接到不同的车轮以驱动电动车。变换器受工作频率控制信号的控制，此工作频率控制信号通过将正比于工作频率信号的电动机速度和电压控制信号加上或减去一个差频控制信号而得到。另一方面：设定了一个电动机电流控制信号并将它与各个电动机的最大电流值相比较，按照其中的差值来校正差频控制信号。然后在电动车的恒转动力矩区域内，在电动机电流控制信号上加上一个随速度成正比增大的校正值。因此，除了最大电流所流经的一个电动机外的其他电动机的转动力矩补偿了随速度增大而引起的转动力矩的减少。从而提高了恒定转动力矩的特性。

Description

本发明涉及到由感应电动机驱动的电动车的控制系统性能的改进。

感应电动机驱动的电动车装备有一个接收直流电并将之转换成电压和频率可变的三相交流电的变换器，以及多个由变换器供电、驱动电动车的三相感应电动机。

一般，变换器的输出（工作）频率fINV是通过将对应于感应电动机的转速（相当于电动车速度）的频率fr加上或减去一个差频fs而得到的。变换器通过一个与变换器频率控制信号fINV成正比的控制信号设定它的输出电压V。

关于差频fs，预置了一个相应于所需转动力矩的基本控制信号fsp并且此控制信号由电流控制系统的输出信号加以修正。施加于电流控制系统的电流控制信号至少在变换器的变压和变频（VVVF）范围内保持为常数，并且在常压、变频（CVVF）范围内有两个模式，这将在后面描述。与电流控制信号不同，反馈的电动机电流值取多个电动机电流的平均值或最大值。

特别当互随（re-adhering）特性很重要时，往往采用最大电流控制系统。在这个系统中，测出的是最大电流，因此，即使在部分驱动轮打滑并且流向连接到空转传动轴的电动机的电流减小时，这种部分打滑也不影响其他车轮。从而，不用增大电流以增大转动力矩就能使空转传动轴恢复紧随（adhering）状态。例如，在日本铁路控制论研讨会第十八届有关铁路控制论应用的国内讨论会（1981年11月）的论文集423号245～249页，“电动机车的PWM（脉宽调制）控制系统的改进”一文，特别是图6和它的说明中，揭示了这样一种控制系统。

但是，在采用众所周知的最大电流控制系统的感应电动机驱动的电动车中，却不能达到所需要的转动力矩水平。

本发明的一个目的是为采用最大电流控制系统的感应电动机驱动的电动车提供一种能改进转动力矩控制特性以实现所要求的电动车特性的控制系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种至少在变换器的VVVF区域内能随代表变换器工作频率或电动车速度的变化而增大电动机电流控制信号的装置。

根据本发明的另一个方面，提供了一种至少在变换器的VVVF区域内能随变换器工作频率的变化而修正变换器输出电压控制信号的装置。

连接到各感应电动机上的车轮，其直径不可避免地有某种程度的差异。车轮直径的差异导致了各电动机的旋转频率的差别，而这种旋转频率的差别随电动车速度的增大而增大。另一方面，由同一变换器供电的各个感应电机的同步速度的形成是一样的，随着电动车速度的增加，各电动机间差频的差异也随之增大而使得转动力矩的不平衡加大。在这时，最大电流控制系统进行控制使得分担最大转动力矩的一个电动机的电流被控制在一个所需要的值上，结果是电动车速度越高，其余的电动机的转动力矩减小得越多，从而减少总的转动力矩。

为克服这个困难，按照本发明，电动机电流随变换器工作频率或电动车速度的增大而增大，以防止因车轮直径不同而造成的总转动力矩的减小，并且改进了恒定转动力矩特性。

另一种对付办法是，以一预定百分比修正随变换器工作频率变化的变换器输出电压控制信号，从而在变换器的VVVF区域内改进恒转动力矩特性。

图1是根据本发明的用于感应电动机驱动的电动车的控制系统的一个实施例的框图。

图2和图3是用于解释由图1所示的控制系统控制的电动车性能的特性图。

图4是控制系统的另一实施例的框图。

现在将参照图1描述根据本发明的、用于感应电动机驱动的电动车的控制系统的一个实施例。图1中有一条直流架线1、一个导电弓2、一个线路断路器3、一个滤波电抗线圈4、一个滤波电容器5、一个VVVF变换器6和三相感应电动机7及8。速度传感器9和10用于检测感应电动机的转速而电流互感器11和12用于探测感应电动机的主电流。图1中还有一个速度计算电路13、基波探测器14和15及一个较高灵敏度的最大值探测器16。电流控制信号发生器17用于控制（command）感应电动机的主电流而比较器18将电流控制信号I_p与最大电动机电流值I_max相比较从而计算出差值△I。电流控制器19连接其后以接受差值△I。修正电路20用电流控制系统的输出信号△fs修正预置的差频值fsp从而产生一个差频fs。加法/减法电路21将电动机的旋转频率fr加上或减去差频fs，当电源工作（power run-ning）时它作为一个加法器，而当再生制动（regenerative braking）时，则作为一个减法器。百分数调制率γ控制电路22接收fr±fs，即变换器频率fINV，并产生电动机电压V。电流控制信号修正电路23接收表示电动车速度的电动机旋转频率fr、各驱动轮之间的车轮直径差值△WD、电源工作控制信号24和再生制动控制信号25，并计算出一个电流控制信号校正值△I_p。

现在将描述如图1所示的控制系统的动作。运转控制信号由一图中未画出的主控制器发出。当电源工作触点闭合后，电流控制信号发生器17产生一个电流控制信号I_p，驱动电流控制器19，使其产生一个差频校正值△fs。然后，变换器6向电动机提供一个电动机电压V，使变换器输出电压V（电动机电压）与变换器输出频率f之比V/f保持不变，从而使电动机产生转动力矩。如前所述，电动机电流通过基波探测器14和15以及高灵敏度的最大值探测器16而反馈。当电动车加速时，产生一个相应于速度fr的电流控制信号或模式I_p以执行给定的转动力矩控制。电流控制信号修正电路23是本发明的重要部分，将在下面加以描述。因为控制VVVF变换器6需要高度精确的工作，所以采用一个微处理器作为控制中心，通过它能比较方便地执行各种动作。因此，基于电动车滑行过程中（触点跳开）各驱动轮滑动面的速度（各个驱动轮的圆周速度）彼此相等，通过读出并解出各单个传动轴的转速能很方便地定出与各电动机传动轴相连的车轮之间的轮径差。这样，各车轮的直径差△WD在电动车滑行过程中在速度计算电路13中定出。修正电路23根据车轮直径差△WD定出修正系数K，然后修正电路23在旋转频率fr低于预定旋转频率fr或fr≤fr₁成立的区域内计算出△I_p＝Kfr，而在旋转速度fr大于预定旋转速度fr或fr＞fr₁成立的区域内计算出△Ip＝Kfr₁，并把算出的△I_p值输出到电路控制信号发生器17。由于上述功能，最大值探测系统能够与防止总转动力矩的减少相一致。

图2和图3示出了存在车轮直径差时电压、电流和转动力矩的特性曲线。图2表示在达到处于CVVF区域内的速度fr之前恒定转动力矩控制继续进行，同时，在离开VVVF区域后，电流I被控制得与速度fr成正比地增大。

在各驱动轮之间存在车轮直径差的情况下，如果电动机电流I的最大值被控制沿着用虚线画的曲线I变化，那么，当速度fr增加时，总转动力矩将如用虚线画的曲线T0所示那样下降。

更具体地说，如果一个电动机，例如，连接到具有较小直径的车轮的电动机8的转速是fr（8），而一个电动机，例如连接到具有最大直径的车轮的电动机7的转速为fr（7），那么，fr（8）-fr（7）的差值随速度增大而增大。因此，与电动机7的差频fr（7）＝f-fr（7）基本上保持为常数的情况不同，电动机8的差聚fs（8）＝f-fr（8）随速度的增大而减小。这就说明了这样一个事实，即除了该电动机，例如，接到具有最大直径的车轮并由最大电流供电的电动机7以外，其余各个电动机的转动力矩都是下降的。

当通过加上先前描述的、与由车轮直径差△WD决定的修正系数K有关的电流控制信号校正值△Ip，控制最大电动机电流使沿实线I变化时，总的转动力矩终于如实线T所示那样保持为恒量。

图3表示了从恒转动力矩区域到恒输出区域然后到电动机特性区域的控制状况。

在这种情况下，如同前一情况一样，也能进行修正并且能获得如图3所示的电动车转动力矩特性曲线T。

在前一实施例中，尽管为了便于控制低于速度fr的电流校正值△Ip仅按照△Ip＝Kfr线性地变化，最好还是使电流校正值当速度fr增加时略微饱和，这就是说，当速度fr增加时，修正系数K本身略微减小，从而提供一个中间略凸的电流曲线I。

图4是按照本发明的另一个用于感应电动机驱动的电动车的控制系统的实施例。这个实施例除了用电压控制信号修正电路26代替电流控制信号修正电路23外其余都与图1的实施例相同。在这个实施例中，只有当变换器6在VVVF范围内工作时才能获得修正效果。

如上所述，按照本发明，即使在具有高互随性能的最大电流控制系统中也能修正伴随速度增加而产生的总转动力矩的减少，从而能够获得一种用于感应电动机驱动的电动车的高度加速的控制系统。

Claims

1、一种用于感应电动机驱动的电动车的控制系统，它包括：

一个变压、变频变换器；

多个由所述变换器供电并连接不同车轮的感应电动机；和

一个电流控制系统，它包括：用于产生电动机电流控制信号的装置；用于分别探测电动机电流的装置；用于探测所述电动机电流的最大值的装置；用于使电动机电流的最大值跟随所述电流控制信号的装置，

其特征在于，还包括利用对应于变换器频率或电动车速度的信号将电动机电流控制信号朝增加方向修正的装置。

2、如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述电动机电流控制信号产生装置是在从变换器的变速区域和具有恒定输出电压的速度区域之间的边界上的速度到变换器具有恒定输出电压的速度区域中一个预定速度为止的区域中，与变换器预率或电动车速度成正比地增大电动机电流控制信号的装置。

3、如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述电动机电流控制信号产生装置是用于使电动机电流控制信号在直到处于变换器具有恒定输出电压的速度区域内一个预定速度为止的区域中保持恒定的装置。

4、如权利要求1、2和3中任一项所述的控制系统，其特征在于，它还包括用于探测代表所述感应电动机转速或电动车速度的速度频率的装置;用于设定所述感应电动机的差频控制信号的装置;和用于通过根据速度频率增大或减小差频控制信号来控制变换器频率的装置，所述电流控制系统包括根据电动机电流控制信号与电动机电流最大值之间的差异修正差频控制信号的装置。

5、一种用于感应电动机驱动的电动车的控制系统，它包括：

一个变压、变频变换器;

多个由所述变换器供电并连接不同车轮的感应电动机;和

一个电流控制系统，它包括：

用于产生电动机电流控制信号的装置;

用于分别探测电动机电流的装置;

用于探测所述电动机电流的最大值的装置;和

用于使电动机电流的最大值跟随所述电流控制信号的装置;

用于根据所述电流控制系统的输出调节差频的装置;

用于通过根据代表感应电动机转速或电动车速度的速度频率增大或减小差频信号来控制变换器频率的装置;和

用于产生随变换器频率控制信号而变的变换器输出电压控制信号的装置，

其特征在于，还具有用于随变换器频率控制信号变化而修正变换器输出电压控制信号的装置。

6、如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述电动机电流控制信号产生装置是用于在从变换器的可变速度区域和变换器具有恒定输出电压的速度区域之间边界上的速度到处于变换器具有恒定输出电压的速度区域中的一个预定速度为止的区域中，使电动机电流控制信号与变换器频率或电动车速度成正比地增大的装置。

7、如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述电动机电流控制信号产生装置是用于在直到处于变换器具有恒定输出电压的速度区域中的一个预定速度为止的区域中使电动机电流控制信号保持恒定的装置。

8、如权利要求5、6和7中任一项所述的控制系统，其特征在于，所述电流控制系统包括用于根据电动机电流控制信号与电动机电流最大值之间的差异来修正所述差频的装置。