CN103895520B - 一种牵引用直线感应电机制动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种牵引用直线感应电机制动控制方法，其步骤为：（1）在接收到制动指令后，得到此时牵引直线感应电机实际的供电频率f和供电转差率s；（2）获得车辆此时需要的制动减速度，并依据制动减速度、直线感应电机工作气隙等实时变化信息，得到对应的牵引直线感应电机所需要的最佳供电频率f₂、对应的最佳供电转差频率sf₂值；（3）调整直线感应电机实际供电频率f₁，使满足：f₁=f₂且f₁≥f_min，如一直满足式f₁≥f_min，则按此阶段继续电制动；否则，转入步骤（4）；（4）当直线感应电机实际供电频率f₁满足：f₁<f_min时，调整电机供电频率，使电机实际供电频率f₁=f_min，达到产生电机电制动力的目的。本发明具有控制方便、能够节省列车运行能耗、抑制电机法向力波动、减少车辆机械制动刹车片磨损等优点。

Description

一种牵引用直线感应电机制动控制方法

技术领域

本发明主要涉及到车辆牵引技术领域，特指一种用于车辆牵引的直线感应电机的制动控制方法，尤其适用于采用直线感应电机牵引的中低速磁浮列车领域。

背景技术

直线感应电机，也称直线异步电机、直线异步电动机、直线感应电动机、牵引直线感应电机等等；其中直线，有时也称线性，如线性感应电机。目前，直线感应电机已被作为牵引动力广泛应用于各种车辆领域，例如：中低速磁浮列车领域；磁浮列车也称为磁悬浮列车、磁浮车辆、磁浮交通等。

磁浮列车作为一种有着广泛应用前景的未来绿色交通工具，越来越引起人们的关注。按速度划分，磁浮列车分为高速和中低速磁浮列车，其中中低速磁浮列车是指速度≤150km/h，尤其适用于城市或城郊的交通工具。

中低速磁浮列车一般均是采用U型悬浮电磁铁悬浮车体、直线感应电机牵引方式。直线感应电机初级安装于车体上，通过初级三相绕组施加三相电流，产生沿轨道方向运动的行波磁场，该磁场在轨道次级感应板上感应涡流，次级涡流磁场与初级产生的行波磁场相互作用，产生列车所需要的电制动力。

作为磁浮列车牵引用的直线感应电机，在产生列车电制动力的同时，会产生车辆与轨道之间的法向作用力，该法向力对车辆悬浮是一种附加的干扰力，故此，怎样在保证列车电制动力大小的同时，抑制电机的法向力，是磁浮列车用直线感应电机电制动控制的关键。

磁浮列车在正常运行过程中，存在一定的上下波动，从而引起直线感应电机工作气隙的不断变化；实际测试表明，这种波动通常达到3mm。故此，现有磁浮列车牵引直线感应电机控制中，采用传统恒气隙工作的旋转感应电机控制方法，控制误差大，一方面导致电机自身电制动能力没有发挥出来，列车在制动过程中，过多依赖机械制动，造成机械刹车片磨损快，需要更换刹车片的时间周期短；另一方面不能得到准确的控制效果，电机法向力对车辆的稳定悬浮干扰大。

有从业者提出“一种中低速磁悬浮列车制动控制方法及装置”（申请公布号：CN103241135A）提出了一种通过调整列车悬浮间隙来调节电制动力的控制方法，该方法由于悬浮间隙需要不断调整，而考虑列车是由多个悬浮电磁铁支撑，由于车辆的动态上下波动，其悬浮气隙也不断变化，故此通过调整悬浮气隙来满足电制动力要求在实际中很难做到；同时由于不考虑气隙变化对电机参数的影响，也会对车辆稳定悬浮造成负面影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种控制方便、能够节省列车运行能耗、抑制电机法向力波动、有利于车辆稳定悬浮、减少车辆机械制动刹车片磨损的牵引用直线感应电机制动控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种牵引用直线感应电机制动控制方法，其步骤为：

（1）在车辆运行控制系统接收到制动指令后，得到此时牵引直线感应电机实际的供电频率f和供电转差率s；

（2）收集车辆运行速度、运行位置，以及电机工作气隙、工作电压、工作电流等实时变化信息，通过仿真模块计算得到电机最优供电频率f₂、对应的最佳供电转差频率sf₂值以及车辆需要的制动减速度；

（3）调整直线感应电机实际供电频率f₁，使满足：f₁=f₂且f₁≥f_min，式中f_min为预先设定的电机实际供电最小频率基值；在制动过程中，车辆速度不断降低，如一直满足式f₁≥f_min，则按此阶段继续电制动；即：由列车运行位置检测，得到列车需要的制动减速度预设要求值，并判断车辆是否满足此时需要的制动减速度要求，如果满足，则维持现状；如果不满足，则增大电机供电电流，直至满足需要的制动减速度要求；否则，转入步骤（4）进行电制动控制；

（4）当直线感应电机实际供电频率f₁满足：f₁<f_min时，调整电机供电频率，使电机实际供电频率f₁=f_min，此时通过改变输出电机三相电流相序，达到产生电机电制动力的目的；在直线感应电机实际供电频率f₁等于f_min情况下，判断车辆是否满足此时需要的制动减速度要求，如果满足，则维持现状；如果不满足，则增大直线感应电机供电电流，直至电机供电电流达到限定的最大值。

作为本发明的进一步改进：在步骤（3）中，电制动控制可以执行以下流程：

（3.1）列车速度较高，根据检测得到的列车运动速度逐步减小牵引逆变器输出频率，使行波磁场速度小于列车运行速度，即v₀<v，此时电机的转差率s<0；

（3.2）选择：

f=f₀+kv

式中k为常数，f₀为预设频率基值；从而：

$\mathrm{sf}=f_0+(k-\frac{1}{2\mathrm{\&tau;}})v$

上式中，τ为电机的极距，f为初级三相绕组的供电电流频率；

（3.3）取：从而在列车运行过程中，可达到转差频率恒定的目的，即sf=f₀为常值；

（3.4）实际的电机供电频率f>0，而sf=f₀<0，故此，由上式知：|kv|>|f₀|；即在上述情况下，列车运行速度满足：v>2τ·|f₀|。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤（1）中是通过车载采样模块，收集车辆运行速度、运行位置，以及直线感应电机工作气隙、工作电压、工作电流的实时信息，用来计算得到此时牵引直线感应电机需要的最佳供电频率f₂和最佳转差频率sf₂。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤（2）中是借助仿真模块来获得车辆此时需要的制动减速度，以及牵引直线感应电机需要的最佳供电频率f₂和最佳转差频率sf₂。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明可以在保证安全运行的前提下，充分利用车辆的电制动能力，减少机械制动次数，从而减少列车机械制动带来的刹车片磨损，延长机械刹车片的使用寿命。

（2）本发明可以在保证必要的电制动力条件下，最大限度地将车辆动能回馈至供电电网，达到列车运行节能的目的。

（3）本发明可以在保证必要的电制动力条件下，最大限度地抑制电机法向力对悬浮系统的影响，为列车稳定悬浮提供一个好的条件。

附图说明

图1是本发明执行控制模式一时的流程示意图。

图2是本发明执行控制模式二时的流程示意图。

图3是传统直接力矩控制系统原理框图。

图4是本发明与直接力矩控制相结合来实现磁浮列车用牵引直线感应电机的制动控制实施系统的原理示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

直线感应电机初级放置于车上，与列车一起运动，列车运动速度即等于电机运动速度。在车载短初级的三相绕组中施加三相电流时，将产生沿轨道方向（即纵向、列车运动方向）的行波磁场，该行波磁场的运动速度v₀为：

v₀=2τf

上式中，τ为电机的极距，f为初级三相绕组的供电电流频率。

假定列车运动速度为v，则电机运行的转差率为：

s=(v₀-v)/v₀

对应转差频率：

$\mathrm{sf}=f-\frac{v}{2\mathrm{\&tau;}}$

当牵引直线感应电机三相绕组产生的行波磁场运动速度v₀小于列车运动速度v，或者行波磁场运动方向与列车运动方向相反，都将产生电制动力，车辆处于电制动状态。

本发明通过理论分析实践证明，在恒定工作气隙下，存在最佳转差频率，在最佳转差频率，电机牵引力最大；同时，当维持电机转差频率sf为常值时，电机法向力基本不变，这样基本消除了电机法向力波动对列车悬浮的干扰。对于不同的工作气隙，由于电机参数不同，存在不同的最佳转差频率。

基于上述原理，本发明的牵引用直线感应电机制动控制方法，其步骤为：

（1）在车辆运行控制系统接收到制动指令后，得到此时牵引直线感应电机实际的供电频率f和供电转差率s。本实施例中，是通过车载采样模块，收集车辆运行速度、运行位置，以及直线感应电机工作气隙、工作电压、工作电流等实时变化信息，用来计算得到电机最优供电频率f₂、对应的最佳供电转差频率sf₂值以及车辆需要的制动减速度。

（2）通过采样模块，计算获得车辆此时需要的制动减速度；依据计算选择此时牵引直线感应电机的最佳供电频率f₂、以及对应的最佳供电转差频率sf₂值。在具体应用实例中，可以借助仿真模块来计算。

（3）控制模式一：调整直线感应电机实际供电频率f₁，使满足：

f₁=f₂且f₁≥f_min

式中f_min为预先设定的电机实际供电最小频率基值。例如，根据实际应用需要可以选取为0.2Hz。

在制动过程中，车辆速度不断降低，如一直满足式f₁≥f_min，则按此阶段继续电制动；即：由列车运行位置检测，得到列车需要的制动减速度预设要求值，并判断车辆是否满足此时需要的制动减速度要求，如果满足，则维持现状；如果不满足，则增大电机供电电流，直至满足需要的制动减速度要求。否则，转入步骤（4）进行电制动控制。

（4）控制模式二：当直线感应电机实际供电频率f₁满足：f₁<f_min时，调整电机供电频率，使电机实际供电频率f₁=f_min，此时通过改变输出电机三相电流相序，达到产生电机电制动力的目的。在直线感应电机实际供电频率f₁等于f_min情况下，判断车辆是否满足此时需要的制动减速度要求，如果满足，则维持现状；如果不满足，则增大直线感应电机供电电流，直至电机供电电流达到限定的最大值。

本实施例中，在步骤（3）中，电制动控制可以执行以下流程：

列车速度较高，根据检测得到的列车运动速度逐步减小牵引逆变器输出频率，使行波磁场速度小于列车运行速度，即v₀<v，此时电机的转差率s<0。

在本发明中，选择：

f=f₀+kv

式中k为常数，f₀为预设频率基值；从而：

$\mathrm{sf}=f_0+(k-\frac{1}{2\mathrm{\&tau;}})v$

在本发明中，取：从而在列车运行过程中，可达到转差频率恒定的目的，即sf=f₀为常值。

实际的电机供电频率f>0，而sf=f₀<0，故此，由上式知：

|kv|>|f₀|

即在上述情况下，列车运行速度满足：

v>2τ·|f₀|

在具体应用时，基于本发明的上述方法，还可以与其他电机控制算法配合使用。如图3所示，为传统直接力矩控制系统原理框图，而如图4所示为本发明与直接力矩控制相结合来实现磁浮列车用牵引直线感应电机的制动控制实施系统。

如图4所示的系统中，v/a变换环节为车辆速度信号变换成减速度信号，由下式得到：

$a=\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}$

a/F变换环节为车辆需要的制动减速度变换为车辆需要的制动力，由下式确定：

F=ma+F_阻

其中m为车辆总质量，F_阻为车辆运行阻力。

在图4所示的具体应用实例中，本发明所采用的仿真模块是一种综合考虑电机工作气隙、车辆运行位置的实时变化后，预先通过理论分析建立的数学仿真计算模块。即：

f₂=F(g,u,i)

通过实时检测采样的电机工作电压、工作电流，以及工作气隙由上式仿真数学模型选择出相应的最佳供电频率f₂。

本发明在该应用实例中，电机供电电压、供电电流、工作气隙，以及运行速度、车辆位置信息经检测、采样后进入本发明的仿真模块，计算得到车辆需要的实时减速度预设值、电机定子磁链反馈值、以及电机需要的最佳供电频率。在最佳供电频率情况下，电机运行在最佳转差频率点；这样确保电机在该工作气隙下，发挥最佳的电制动能力。

与传统直接力矩控制方法不同，在图4本发明实施系统实例中，电机数学模型除了考虑电压、电流等传统定子电气参数以外，同样考虑电机初级、次级之间的距离，即直线感应电机工作气隙g的大小及变化。

其中制动减速度反馈信号a_f通过速度检测信号v经v/a变换环节得到。在实际实施中，如果有车载加速度传感器，也可直接取自车载加速度传感器输出信号。需要的车辆减速度预设值根据位置检测信息，通过本发明中仿真模块得到。a/F变换环节，将需要的减速度值a_g与反馈得到的减速度值a_f比较后，考虑车辆运动惯量和运行阻力，得到需要的列车电制动力预设值F_eig。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种牵引用直线感应电机制动控制方法，其特征在于，步骤为：

(1)在列车运行控制系统接收到制动指令后，得到此时牵引直线感应电机实际的供电频率f和供电转差率s；

(2)收集列车运行速度、运行位置，以及电机工作气隙、工作电压、工作电流实时变化信息，计算得到电机最优供电频率f₂、对应的最佳供电转差频率sf₂值以及列车需要的制动减速度；

(3)调整直线感应电机实际供电频率f₁，使满足：f₁＝f₂且f₁≥f_min，式中f_min为预先设定的电机实际供电最小频率基值；在制动过程中，列车速度不断降低，如一直满足式f₁≥f_min，则按此阶段继续电制动；即：由列车运行位置检测，得到列车需要的制动减速度预设要求值，并判断列车是否满足此时需要的制动减速度要求，如果满足，则维持现状；如果不满足，则增大电机供电电流，直至满足需要的制动减速度要求；否则，转入步骤(4)进行电制动控制；

(4)当直线感应电机实际供电频率f₁满足：f₁<f_min时，调整电机供电频率，使电机实际供电频率f₁＝f_min，此时通过改变输出电机三相电流相序，达到产生电机电制动力的目的；在直线感应电机实际供电频率f₁等于f_min情况下，判断列车是否满足此时需要的制动减速度要求，如果满足，则维持现状；如果不满足，则增大直线感应电机供电电流，直至电机供电电流达到限定的最大值。

2.根据权利要求1所述的牵引用直线感应电机制动控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，电制动控制执行以下流程：

(3.1)列车速度较高，根据检测得到的列车运动速度逐步减小牵引逆变器输出频率，使行波磁场速度小于列车运行速度，即v₀<v，此时电机的转差率s<0；

(3.2)选择：

f＝f₀+kv

式中k为常数，f₀为预设频率基值；从而：

$sf=f_0+(k-\frac{1}{2\mathrm{\&tau;}})v$

上式中，τ为电机的极距，f为初级三相绕组的供电电流频率；

(3.3)取：从而在列车运行过程中，可达到转差频率恒定的目的，即sf＝f₀为常值；

(3.4)实际的电机供电频率f>0，而sf＝f₀<0，故此，由上式知：|kv|>|f₀|；即在上述情况下，列车运行速度满足：v>2τ·|f₀|。

3.根据权利要求1或2所述的牵引用直线感应电机制动控制方法，其特征在于，在所述步骤(1)中是通过车载采样模块，收集车辆运行速度、运行位置，以及直线感应电机工作气隙、工作电压、工作电流的实时信息，用来计算得到此时牵引直线感应电机需要的最佳供电频率f₂和最佳转差频率sf₂。

4.根据权利要求1或2所述的牵引用直线感应电机制动控制方法，其特征在于，在所述步骤(2)中是借助仿真模块来获得车辆此时需要的制动减速度，以及牵引直线感应电机需要的最佳供电频率f₂和最佳转差频率sf₂。