CN105711444B - 一种轨道车辆蛇形失稳抑制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种轨道车辆蛇形失稳抑制系统和方法，包括蛇形预警与控制模块，用于判断转向架是否处于蛇形失稳状态；牵引电机速度控制系统，用于根据所述蛇形预警与控制模块的判断控制牵引电机的转速；所述蛇形预警与控制模块的信号输出端连接所述牵引电机速度控制系统。本发明根据转向架横向加速度提取蛇形运动特征波，并根据提取的蛇形非线性特征计算振动非线性指标判断转向架是否处于蛇形失稳状态，并通过DTC控制模块对牵引系统的直接转矩进行控制，现有的列车横向控制仅能减小列车的横向振动，不能消除蛇形失稳，而本发明能对牵引电机进行控制，从而降低速度消除蛇形失稳。

Description

一种轨道车辆蛇形失稳抑制系统和方法
技术领域
本发明涉及一种抑制系统和方法，特别涉及一种轨道车辆蛇形失稳抑制系统和方法。
背景技术
列车安全性是列车运行首要考虑的因素，因此国内外厂商设计了不同的监测系统和设备对列车运行状态进行监测。这些检测系统和设备广泛采用加速度计和应变仪对关键部位进行监测，包括对列车安全指标和稳定指标的监测。但是，目前国内还没有判断列车蛇形失稳的国家标准，通常采用这样的处理方法：对列车转向架横向振动加速度进行0.5-10Hz带通滤波，若滤波后的信号连续6个波峰值大于8-10m/s^2，则认为列车横向不稳定(蛇形失稳)。然而此方法滤波范围较大，滤波后信号可能存在蛇形波之外的信号，六个连续波的峰值定义无理论依据，对蛇形失稳可能存在误判。
随着列车运行速度的提高，对运输安全要求越来越高，对列车蛇形失稳进行预警和控制尤为重要。因此，运用检测技术对动车组运行状态进行实时监测，提出新方法对可能出现的蛇形失稳进行准确预警，具有重要意义。
发明内容
本发明主要目的在于解决如何在蛇形失稳后消除蛇形失稳的技术问题，提供一种通过控制牵引系统扭矩实现抑制蛇形失稳的系统。
本发明还提供一种通过控制牵引系统扭矩实现抑制蛇形失稳的方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种轨道车辆蛇形失稳抑制系统，包括蛇形预警与控制模块，用于判断转向架是否处于蛇形失稳状态；
牵引电机速度控制系统，用于根据所述蛇形预警与控制模块的判断控制牵引电机的转速；
所述蛇形预警与控制模块的信号输出端连接所述牵引电机速度控制系统。
进一步，还包括横向加速度测量模块，用于测量转向架的横向振动加速度；
所述横向加速度测量模块的信号输出端与蛇形预警与控制模块的信号输入端连接；
所述蛇形预警与控制模块根据横向加速度测量模块传输的数据判断转向架是否处于蛇形失稳状态。
进一步，所述牵引电机速度控制系统包括给定速度控制模块，用于根据所述蛇形预警与控制模块传输的控制信号k和调整后的给定转速sp2，选择采用原给定转速sp1或调整后的给定转速sp2传输至速度控制器模块；
速度控制器模块，用于接收给定转速和实际转速，向DTC控制模块传输给定磁链Flux*和给定转矩Torque*；
DTC控制模块，用于接收牵引电机测量模块传输的电流I_ab和电压V_abc、速度控制器模块传输的给定磁链Flux*和给定转矩Torque*，向牵引电机逆变器的开关器件发送驱动信号g；
所述蛇形预警与控制模块的控制信号输出端、给定转速输出端分别与给定速度控制模块的控制信号输入端、给定转速输入端连接，所述给定速度控制模块的给定转速输出端与速度控制器模块的给定转速输入端连接，所述速度控制器模块的实际转速输入端与牵引电机转速输出端连接，所述速度控制器模块的给定磁链输出端、给定转矩输出端分别与DTC控制模块的给定磁链输入端、给定转矩输入端连接，所述DTC控制模块的电压、电流输入端分别与牵引电机测量模块的电压、电流输出端连接，所述DTC控制模块的驱动信号输出端与牵引电机逆变器连接。
进一步，还包括显示模块，用于显示轨道车辆蛇形失稳抑制系统的参数变化；
所述显示模块信号输入端分别与速度控制器模块、牵引电机转速输出端、蛇形预警与控制模块连接。
进一步，所述横向加速度测量模块包括传感器模块、GPS模块、数据采集模块、主控单元MCU模块、数据处理与分析模块；
所述数据采集模块分别与传感器模块和GPS模块连接，所述主控单元MCU模块分别与所述数据采集模块、数据处理与分析模块连接。
本发明的另一个技术方案是：
一种利用上述轨道车辆蛇形失稳抑制系统的抑制方法，包括如下步骤：
步骤1、判断转向架是否处于蛇形失稳状态；
步骤2、若转向架处于蛇形失稳状态，则给出比当前牵引电机转速更低的参考转速，控制牵引电机减少转速，降低轨道车辆运行速度。
进一步，在所述步骤1中，所述蛇形预警与控制模块根据所测转向架的横向振动加速度，计算振动非线性指标判断转向架是否处于蛇形失稳状态；
所述振动非线性指的计算包括如下步骤，
(1)对转向架一端传感器横向加速度信号进行噪声辅助EEMD经验模态分解，得到多个模态分量ci；
(2)对每个IMF计算平均频率并逐个与理论蛇形频率fci进行比较，计算
ε为误差允许量；
若Δfci＞ε，认为没有蛇形频率成分，动车组没有蛇形失稳；
反之，选Δfci最小的模态分量cj作为蛇形特征波；
(3)对蛇形特征波cj计算瞬时频率IF(t)、过零点平均频率IFzc(t)和幅值Azc(t)；
(4)计算蛇形特征波cj的非线性指标INL：
(5)对转向架对角一端另一个传感器的横向振动加速度重复第(1)到(4)；
(6)若转向架两对角端横向加速度蛇形特征波频率一致且两者的非线性指标均大于阈值，则认为动车组发生蛇形失稳。
进一步，在所述步骤2中，若转向架处于蛇形失稳状态，蛇形预警与控制模块将控制信号k和调整后的给定转速sp2传输给给定速度控制模块，给定速度控制模块将调整后的给定转速sp2传输至速度控制器模块。
进一步，速度控制器模块根据给定转速sp2，经过磁链查表输出给定磁链Flux*至DTC控制模块，速度控制器模块将给定转速sp2与牵引电机实际转速比较后经过PI调节器输出给定转矩Torque*至DTC控制模块。
进一步，DTC控制模块根据接收的牵引电机测量模块传输的电流I_ab和电压V_abc计算实际磁链和实际转矩，将给定磁链Flux*和给定转矩Torque*与实际磁链和实际转矩取差值，分别经过转矩和磁链滞环比较器，与磁链扇区一起输入到电压开关矢量表中，选择合适的电压矢量，通过发送驱动信号g控制牵引电机逆变器的开关器件。
综上内容，本发明所述的一种轨道车辆蛇形失稳抑制系统和方法，具有如下优点：
1、本发明根据转向架横向加速度提取蛇形运动特征波，并根据提取的蛇形非线性特征计算振动非线性指标判断转向架是否处于蛇形失稳状态，并通过DTC控制模块对牵引系统的直接转矩进行控制，现有的列车横向控制仅能减小列车的横向振动，不能消除蛇形失稳，而本发明能对牵引电机进行控制，从而降低速度消除蛇形失稳。
2、本发明还提供了一种新的蛇形失稳判定方法，计算瞬时频率、瞬时幅值和非线性指标，并根据非线性指标判断蛇形失稳与否，解决了现有技术判定方法不可靠的缺点。
附图说明
图1是本发明蛇形失稳直接转矩控制图；
图2是本发明横向加速度测量模块结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明所述的一种轨道车辆蛇形失稳抑制系统和方法，致力于消除轨道车辆的蛇形失稳。
一种轨道车辆蛇形失稳抑制系统，包括蛇形预警与控制模块、牵引电机速度控制系统，蛇形预警与控制模块的信号输出端连接所述牵引电机速度控制系统。蛇形预警与控制模块用于判断转向架是否处于蛇形失稳状态，牵引电机速度控制系统用于根据所述蛇形预警与控制模块的判断控制牵引电机的转速。通过蛇形预警与控制模块判断转向架是否处于蛇形失稳状态，若处于蛇形失稳状态，则控制牵引电机转速降低，可有效消除轨道车辆的蛇形失稳。
在本实施例中，蛇形预警与控制模块采用计算振动非线性指标方法来判断转向架是否处于蛇形失稳；通过直接转矩控制(DTC)理论来实现对牵引电机转速的直接控制。
具体的，如图1所示，轨道车辆蛇形失稳抑制系统，包括蛇形预警与控制模块、横向加速度测量模块、给定速度控制模块、速度控制器模块、DTC控制模块。蛇形预警与控制模块的控制信号输出端、给定转速输出端分别与给定速度控制模块的控制信号输入端、给定转速输入端连接，给定速度控制模块的给定转速输出端与速度控制器模块的给定转速输入端连接，速度控制器模块的实际转速输入端与牵引电机转速输出端连接，速度控制器模块的给定磁链输出端、给定转矩输出端分别与DTC控制模块的给定磁链输入端、给定转矩输入端连接，DTC控制模块的电压、电流输入端分别与牵引电机测量模块的电压、电流输出端连接，DTC控制模块的驱动信号输出端与牵引电机逆变器连接。
如图2所示，横向加速度测量模块用于测量转向架的横向振动加速度，横向加速度测量模块的信号输出端与蛇形预警与控制模块的信号输入端连接。横向加速度测量模块包括传感器模块、GPS模块、数据采集模块、主控单元MCU模块、数据处理与分析模块、数据存储单元，数据采集模块分别与传感器模块和GPS模块连接，主控单元MCU模块分别与所述数据采集模块、数据处理与分析模块、数据存储单元连接。
在转向架构架的弹簧筒上方对角安装两个加速度传感器，用于测量转向架的横向加速度。GPS模块与主控单元MCU模块之间通过RS-232串口进行数据通讯，通过GPS模块可确定列车非线性指标是在什么速度、什么位置等工况下得到的。数据采集模块利用A/D转换芯片实现转向架加速度模拟信号的采集。数据处理与分析模块用于对蛇形失稳特征分析与处理。
数据采集模块和GPS模块被封装在一个铁盒中，固定在动车组车下设备仓中。加速度传感器采用应变加速度传感器，其采样频率默认定为1000Hz，GPS测试参数为列车的速度与位置，其采样频率默认定在10Hz。
横向加速度测量模块的两个测点输出端(ydd1、ydd2)输出端分别与蛇形预警与控制模块的两个输入端连接，两个测点的横向振动加速度ydd1、ydd2传输至蛇形预警与控制模块进行下一步计算。
蛇形预警与控制模块采用计算振动非线性指标方法来判断转向架是否处于蛇形失稳，振动非线性指的计算包括如下步骤：
(1)对转向架一端传感器横向加速度信号进行噪声辅助EEMD经验模态分解，得到多个模态分量ci；
(2)对每个IMF计算平均频率并逐个与理论蛇形频率fci进行比较，计算
ε为误差允许量；
若Δfci＞ε，认为没有蛇形频率成分，动车组没有蛇形失稳；
反之，选Δfci最小的模态分量cj作为蛇形特征波；
(3)对蛇形特征波cj计算瞬时频率IF(t)、广义过零点频率Zero-crossing(GZC)频率IFzc(t)和幅值Azc(t)；
(4)计算蛇形特征波cj的非线性指标INL：
(5)对转向架对角一端另一个传感器的横向振动加速度重复第(1)到(4)；
(6)若转向架两对角端横向加速度蛇形特征波频率一致且两者的非线性指标均大于阈值，则认为动车组发生蛇形失稳。
上述新的蛇形失稳判定方法，计算瞬时频率、瞬时幅值和非线性指标，并根据非线性指标判断蛇形失稳与否，解决了现有技术判定方法不可靠的缺点。
蛇形预警与控制模块的控制信号输出端、给定转速输出端分别与给定速度控制模块的控制信号输入端、给定转速输入端连接。蛇形预警与控制模块在通过上述步骤计算判断后，若转向架处于蛇形失稳状态，发送控制信号k和调整后的给定转速sp2至给定速度控制模块。
给定速度控制模块用于原给定转速sp1和调整后的给定转速sp2之间的切换选择。若列车处于稳定运行，则将原定给定转速sp1传输至速度控制器模块；若列车处于蛇形失稳状态，在接收到控制信号k后，给定速度控制模块将调整后的给定转速sp2传输至速度控制器模块，作为给定转速N*。
速度控制器模块用于接收给定转速和实际转速，向DTC控制模块传输给定磁链Flux*和给定转矩Torque*。速度控制器模块根据调整后的给定转速sp2(给定转速N*)，经过磁链查表输出给定磁链Flux*至DTC控制模块，速度控制器模块将给定转速sp2与牵引电机实际转速(N)比较后(N*-N)经过PI调节器输出给定转矩Torque*至DTC控制模块。
DTC控制模块用于接收牵引电机测量模块传输的电流I_ab和电压V_abc、速度控制器模块传输的给定磁链Flux*和给定转矩Torque*，向牵引电机逆变器的开关器件发送驱动信号g。
DTC控制模块根据接收的牵引电机测量模块传输的电流I_ab和电压V_abc计算实际磁链和实际转矩，将给定磁链Flux*和给定转矩Torque*与实际磁链和实际转矩取差值，分别经过转矩和磁链滞环比较器，与磁链扇区一起输入到电压开关矢量表中，选择合适的电压矢量，通过发送驱动信号g控制牵引电机逆变器的开关器件。
本发明通过直接转矩控制(DTC)理论来实现对牵引电机转速的直接控制，与现有技术仅能减小列车的横向振动相比，本发明降低了列车运行速度，能够消除蛇形失稳。
本轨道车辆蛇形失稳抑制系统还包括显示模块，显示系统用于显示轨道车辆蛇形失稳抑制系统的参数变化，包括电流、转速、磁链、电磁转矩、参考转矩、测量加速度、非线性指标等。显示模块信号输入端分别与速度控制器模块、牵引电机转速输出端、蛇形预警与控制模块连接。
本发明还提供一种利用上述装置的轨道车辆蛇形失稳抑制方法，包括如下步骤：
步骤1、蛇形预警与控制模块根据所测转向架的横向振动加速度，计算振动非线性指标判断转向架是否处于蛇形失稳状态。
步骤2、若转向架处于蛇形失稳状态，则给出比当前牵引电机转速更低的参考转速，控制牵引电机减少转速，降低轨道车辆运行速度。
具体的，若转向架处于蛇形失稳状态，蛇形预警与控制模块将控制信号k和调整后的给定转速sp2传输给给定速度控制模块，给定速度控制模块将调整后的给定转速sp2传输至速度控制器模块。
速度控制器模块根据给定转速sp2，经过磁链查表输出给定磁链Flux*至DTC控制模块，速度控制器模块将给定转速sp2与牵引电机实际转速比较后经过PI调节器输出给定转矩Torque*至DTC控制模块。
DTC控制模块根据接收的牵引电机测量模块传输的电流I_ab和电压V_abc计算实际磁链和实际转矩，将给定磁链Flux*和给定转矩Torque*与实际磁链和实际转矩取差值，分别经过转矩和磁链滞环比较器，与磁链扇区一起输入到电压开关矢量表中，选择合适的电压矢量，通过发送驱动信号g控制牵引电机逆变器的开关器件。
如上所述，结合附图所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种轨道车辆蛇形失稳抑制系统，其特征在于：包括蛇形预警与控制模块，用于判断转向架是否处于蛇形失稳状态；
牵引电机速度控制系统，用于根据所述蛇形预警与控制模块的判断控制牵引电机的转速；
所述蛇形预警与控制模块的信号输出端连接所述牵引电机速度控制系统；
所述牵引电机速度控制系统包括给定速度控制模块，用于根据所述蛇形预警与控制模块传输的控制信号k和调整后的给定转速sp2，选择采用原给定转速sp1或调整后的给定转速sp2传输至速度控制器模块；
速度控制器模块，用于接收给定转速和实际转速，向DTC控制模块传输给定磁链Flux*和给定转矩Torque*；
DTC控制模块，用于接收牵引电机测量模块传输的电流I_ab和电压V_abc、速度控制器模块传输的给定磁链Flux*和给定转矩Torque*，向牵引电机逆变器的开关器件发送驱动信号g；
所述蛇形预警与控制模块的控制信号输出端、给定转速输出端分别与给定速度控制模块的控制信号输入端、给定转速输入端连接，所述给定速度控制模块的给定转速输出端与速度控制器模块的给定转速输入端连接，所述速度控制器模块的实际转速输入端与牵引电机转速输出端连接，所述速度控制器模块的给定磁链输出端、给定转矩输出端分别与DTC控制模块的给定磁链输入端、给定转矩输入端连接，所述DTC控制模块的电压、电流输入端分别与牵引电机测量模块的电压、电流输出端连接，所述DTC控制模块的驱动信号输出端与牵引电机逆变器连接。
2.根据权利要求1所述的一种轨道车辆蛇形失稳抑制系统，其特征在于：还包括横向加速度测量模块，用于测量转向架的横向振动加速度；
所述横向加速度测量模块的信号输出端与蛇形预警与控制模块的信号输入端连接；
所述蛇形预警与控制模块根据横向加速度测量模块传输的数据判断转向架是否处于蛇形失稳状态。
3.根据权利要求1所述的一种轨道车辆蛇形失稳抑制系统，其特征在于：还包括显示模块，用于显示轨道车辆蛇形失稳抑制系统的参数变化；
所述显示模块信号输入端分别与速度控制器模块、牵引电机转速输出端、蛇形预警与控制模块连接。
4.根据权利要求2所述的一种轨道车辆蛇形失稳抑制系统，其特征在于：所述横向加速度测量模块包括传感器模块、GPS模块、数据采集模块、主控单元MCU模块、数据处理与分析模块；
所述数据采集模块分别与传感器模块和GPS模块连接，所述主控单元MCU模块分别与所述数据采集模块、数据处理与分析模块连接。
5.一种利用权利要求1至4任一项所述的轨道车辆蛇形失稳抑制系统的抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、判断转向架是否处于蛇形失稳状态，所述蛇形预警与控制模块根据所测转向架的横向振动加速度，计算振动非线性指标判断转向架是否处于蛇形失稳状态；
所述振动非线性指的计算包括如下步骤，
(1)对转向架一端传感器横向加速度信号进行噪声辅助EEMD经验模态分解，得到多个模态分量ci；
(2)对每个IMF计算平均频率并逐个与理论蛇形频率fci进行比较，计算
ε为误差允许量；
若Δfci＞ε，认为没有蛇形频率成分，动车组没有蛇形失稳；
反之，选Δfci最小的模态分量cj作为蛇形特征波；
(3)对蛇形特征波cj计算瞬时频率IF(t)、过零点平均频率IFzc(t)和幅值Azc(t)；
(4)计算蛇形特征波cj的非线性指标INL：
<mrow> <mi>I</mi> <mi>N</mi> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>I</mi> <mi>F</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>IF</mi> <mrow> <mi>z</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>IF</mi> <mrow> <mi>z</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>A</mi> <mrow> <mi>z</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mover> <mi>A</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>z</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>%</mi> </mrow>
(5)对转向架对角一端另一个传感器的横向振动加速度重复第(1)到(4)；
(6)若转向架两对角端横向加速度蛇形特征波频率一致且两者的非线性指标均大于阈值，则认为动车组发生蛇形失稳；
步骤2、若转向架处于蛇形失稳状态，则给出比当前牵引电机转速更低的参考转速，控制牵引电机减少转速，降低轨道车辆运行速度。
6.根据权利要求5所述的一种轨道车辆蛇形失稳抑制方法，其特征在于：在所述步骤2中，若转向架处于蛇形失稳状态，蛇形预警与控制模块将控制信号k和调整后的给定转速sp2传输给给定速度控制模块，给定速度控制模块将调整后的给定转速sp2传输至速度控制器模块。
7.根据权利要求6所述的一种轨道车辆蛇形失稳抑制方法，其特征在于：速度控制器模块根据给定转速sp2，经过磁链查表输出给定磁链Flux*至DTC控制模块，速度控制器模块将给定转速sp2与牵引电机实际转速比较后经过PI调节器输出给定转矩Torque*至DTC控制模块。
8.根据权利要求7所述的一种轨道车辆蛇形失稳抑制方法，其特征在于：DTC控制模块根据接收的牵引电机测量模块传输的电流I_ab和电压V_abc计算实际磁链和实际转矩，将给定磁链Flux*和给定转矩Torque*与实际磁链和实际转矩取差值，分别经过转矩和磁链滞环比较器，与磁链扇区一起输入到电压开关矢量表中，选择合适的电压矢量，通过发送驱动信号g控制牵引电机逆变器的开关器件。
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