CN108982131A - 电力机车试验台用机械并联多电机的闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

电力机车试验台用机械并联多电机的闭环控制方法属于电力机车地面试验台用多电机并联的控制方法领域，该方法首先建立基于MVB总线的电力机车试验台用机械并联多电机闭环控制系统，该系统求得并联的多台电机的当前功率平均值，并将平均功率值与当前功率值进行比较运算，从而获得转矩给定值的调整依据，进行实现依据公知的电机转矩闭环控制方法的电机调节控制；将由每个速度传感器采集的当前转速值与由预设的给定速度值进行比较运算，不断更新每台电机的当前转速值，实现基于速度闭环反馈的机械连接多电机并联转速闭环控制。本发明通过引入平均功率的均衡比较算法大幅降低了变频器控制器对控制参量的通讯即时性要求，并大幅降低了控制系统的成本。

Description

电力机车试验台用机械并联多电机的闭环控制方法

技术领域

本发明属于电力机车地面试验台用多电机并联的控制方法领域，具体涉及一种电力机车试验台用机械并联多电机的闭环控制方法。

背景技术

高速动车组列车等现代电力机车列车已普遍采用TCMS系统(Train Control andManagement System列车控制和管理系统)对列车实施智能化控制，TCMS系统主要由带有人机交互界面的CCU中央处理单元通过基于普通通讯设备的通讯总线与车载RIOM模块(Remote Input/Output Module远端输入输出模块)进行数据通讯，从而实现对每个列车牵引电机的变频器控制器进行指令控制。此类基于普通通讯设备的通讯总线通常是指MVB总线(Multifunction Vehicle Bus，多功能车辆总线)、CANOpen总线或以太网等列车总线，此类普通通讯设备及其通讯总线的数据传输速度远远低于光纤通讯设备，但因其成本低廉，便于检修等特性，目前仍被广泛采用。

在另一方面，整车试验的滚动试验台是用于对电力机车的多个牵引电机进行模拟控制的大型试验设备，其必须在更为高效数据通讯效率的层面上实现对试验台自身的多台陪试电机进行精确控制，从而模拟列车运行中的各种复杂工况，进而获得所需的实验数据。由于整车试验的滚动试验台的功率通常能够达到3至10兆瓦，属于大功率地面试验装置，因此，试验台的多台陪试电机组通常由多电机通过齿轮箱并联组成。

前述滚动试验台通常采用齿轮箱等机械连接装置将多台功率较小的电机并联组合在一起，以获得较大的输出转矩。此种情况下的多电机输出的总转矩等于所连接的多个单台电机各自所输出转矩之和，并且，由于机械连接装置的齿轮公差、采样误差等特性，各个电机将会出现输出转矩不平衡的情况，无法达到多电机同步输出的效果，会出现不同电机处于部分牵引、部分制动的不同工作状态，使多电机输出转矩不平衡进而造成电网不平衡，甚至造成单台电机过载保护的情况，无法保证系统正常工作。因此，当要求总的输出转矩值恒定时，为避免出现上述多电机输出转矩不平衡而造成电网不平衡或者单台电机过载保护的情况，需要电机协同控制方案以便平均分配每个电机各自实际输出的转矩值。由于电机的输出转矩和转速值均正比于电机的输入电压值，因此，可以通过控制电机的输入电压的方式来调节电机的输出转矩值和转速值。

现有常用的电机协同控制方案为电力机车试验台用机械并联多电机闭环控制系统，该控制系统采用基于转速闭环控制的主从控制方案，在所并联的多台电机中任选一台电机设定为主电机，其余电机作为从电机，每一台电机由一台变频器控制器进行控制，控制主电机的变频器控制器称为主变频器控制器，控制从电机的变频器控制器称为从变频器控制器。主变频器控制器通过采集主电机的实际转速值实现转速闭环控制策略，即：主变频器控制器接收预设的给定速度值并与实际采集的主电机反馈速度值相比较，当给定速度值大于主电机反馈速度值时，说明需要增大给定速度值以提高主电机的实际速度。而当给定速度值小于主电机反馈速度值时，说明需要降低给定速度值以降低主电机的实际速度。同时，主变频器控制器还根据转速闭环控制策略所输出的转速值生成调整后的转矩给定指令。从电机的从变频器控制器与主变频器控制器之间通过基于DSP芯片的光纤高速通讯设备实现实时数据高速通讯，接收主变频器控制器发来的调整后的转矩给定指令，并根据转矩给定指令求解电机的转矩电流给定值，根据电机转子磁链计算电机励磁电流给定值，然后将求得的电机转矩电流给定值和励磁电流给定值作为输入量对电机进行公知的电机转矩闭环控制，实现转矩实时跟随的闭环控制，进而实现多电机的转速同步控制。

在该现有方案中，所采用的基于DSP芯片的光纤高速通讯设备可确保主、从变频器控制器之间高速数据通讯的实时性和可靠性，但基于DSP芯片的光纤高速通讯设备成本高昂，而如果用普通MVB总线、CANOpen总线或工业以太网等通讯速率有限的普通通讯设备作为高速通讯设备的替代方案，则多个变频器控制器之间数据高速通讯的即时性就无法获得有效保障，各个从变频器控制器将失去有效的闭环控制输入量，导致从电机无法实时跟随主电机的输出转矩，进而出现因各个电机输出不平衡而造成的电网不平衡，甚至出现单台电机过载保护的情况。

发明内容

为了解决现有基于速度反馈的电力机车试验台用机械并联多电机闭环控制系统所依赖的DSP芯片的光纤高速通讯设备成本高昂，以及如果用普通通讯设备作为高速通讯设备的替代方案，则多个变频器控制器之间数据高速通讯的即时性就无法获得有效保障，各个从变频器控制器将失去有效的闭环控制输入量，导致从电机无法实时跟随主电机的输出转矩，进而出现因各个电机输出不平衡而造成的电网不平衡，或者出现单台电机过载保护情况的技术问题，本发明提供一种电力机车试验台用机械连接多电机并联的闭环控制方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

电力机车试验台用机械并联多电机的闭环控制方法，其包括如下步骤：

步骤一：建立基于平均功率算法的电力机车试验台用机械并联多电机闭环控制系统：其具体包括如下子步骤：

步骤1.1：将多个基于MVB总线的变频器控制器DCU(Drive Control Unit)与多个电机一一对应连接，将每个电机的输入端均通过直流母线电压传感器和直流母线电流传感器与该电机所对应的基于MVB总线的变频器控制器DCU连接，并将与其变频器控制器连接的一个速度传感器设置在该电机的输出端；通过具备MVB通信功能的通信控制单元CCU(Communication Control Unit)与前述多个基于MVB总线的变频器控制器DCU分别连接，并将通信控制单元CCU与PC(personal computer，个人计算机)连接；

步骤1.2：对步骤1.1所述每个电机分别编号为n，n为自然数，并将每个电机出厂参数表中所给出的电机额定电压、额定电流、额定转速、额定转矩T_额、极对数K、互感Lm、转子电感Lr、转子磁链Ψr均输入到各电机对应编号下的变频器控制器中进行保存；

步骤二：通过PC给通信控制单元CCU输入预设的给定速度值Vg，通信控制单元CCU将该预设的给定速度值Vg分别传送给每个基于MVB总线的变频器控制器DCU；每个基于MVB总线的变频器控制器DCU均根据其所接受到的预设的给定速度值Vg驱动其所对应的电机进行初始化的首次启动运行，从而获得反馈信号，并开始进行步骤三至步骤九的转速闭环控制；

步骤三：与每台电机所对应的各个基于MVB总线的变频器控制器DCU均通过与其对应连接的各个直流母线电压传感器和直流母线电流传感器分别采集与其所对应电机的直流环节的电压幅值U_dc与直流环节的电流值I_dc，此后，基于MVB总线的变频器控制器DCU根据下式(1)求得其所对应电机的当前功率值P：

P＝U_dc×I_dc……(1)

步骤四：每个基于MVB总线的变频器控制器DCU将各自依据公式(1)所求得的对应电机当前功率值P₁、P₂、P₃……P_n分别传送给通信控制单元CCU；通信控制单元CCU根据公式(2)求解平均功率值P_平均：

步骤五：通信控制单元CCU将由式(2)所求得的平均功率值P_平均分别发送给每个电机所对应的基于MVB总线的变频器控制器DCU；

步骤六：每个基于MVB总线的变频器控制器DCU对由步骤二所接收到的预设的给定速度值Vg与由每个速度传感器采集的各自对应电机的当前转速值V_实进行比较运算，若Vg＞V_实，则增大电机的当前转矩值T₁，使T₁＝T₁+0.2％T_额；若Vg<V_实，则减小电机的当前转矩值T₁，使T₁＝T₁-0.2％T_额；若Vg＝V_实，则维持电机的当前转矩值T₁，使T₁＝T₁；

步骤七：每个基于MVB总线的变频器控制器DCU均对其由步骤四所求得的平均功率值P_平均及其各自由步骤三所获得的当前功率值P_n(n为电机编号)进行比较运算，从而获得进行公知的电机转矩闭环控制方法时增大、减小或继续保持当前转矩给定值的调整依据：当P_平均＜0.95P_n时，则增大当前转矩给定值T₂，使T₂＝T₁+0.2％T_额；当1.05P_n＜P_平均＜0.95P_n时，则保持当前转矩给定值T₂，使T₂＝T₁；当P_平均＞1.05P_n时，则减小当前转矩给定值T₂，使T₂＝T₁-0.2％T_额；

步骤八：每个基于MVB总线的变频器控制器DCU将其由步骤七所求得的当前转矩给定值T₂，由步骤四所求得的平均功率值P_平均，以及由步骤1.2所保存的电机极对数K、互感Lm、转子电感Lr和转子磁链Ψr均代入公式(3)和公式(4)，求解与其所对应的电机的转矩电流给定值Isq和励磁电流给定值Isd：

步骤九：每个基于MVB总线的变频器控制器DCU将由步骤八求得的电机转矩电流给定值Isq和励磁电流给定值Isd作为输入量对其所对应的电机进行公知的电机转矩闭环控制，通过与每台电机所对应的速度传感器采集每台电机的当前转速值V_实，并更新步骤六中每台电机的当前转速值V_实，重复进行步骤六至步骤九的过程，实现电力机车试验台用机械并联多电机的转速闭环控制。

本发明的有益效果如下：

本发明的电力机车试验台用机械并联多电机的闭环控制方法将多个基于MVB总线的变频器控制器DCU与多个电机一一对应连接，将与变频器控制器连接的速度传感器设置在各个电机的输出端；通过具备MVB通信功能的通信控制单元CCU与前述多个基于MVB总线的变频器控制器DCU分别连接，并将通信控制单元CCU与PC连接，从而建立基于普通通讯设备的电力机车试验台用机械并联多电机闭环控制系统；该闭环控制系统通过其步骤二至步骤四所述方法求得并联的多台电机的当前功率平均值，并通过其步骤七至步骤九所述方法将该平均功率值与当前功率值进行比较运算，从而获得增大、减小或继续保持当前转矩给定值的调整依据，进行实现依据公知的电机转矩闭环控制方法的电机调节控制。此外，该方法还通过其步骤六所述方法，将由每个速度传感器采集的各自对应电机的当前转速值与由步骤二所接收到的预设的给定速度值进行比较运算，并通过更新每台电机的当前转速值，重复进行步骤六至步骤九的过程，实现基于速度闭环反馈的电力机车试验台用机械连接多电机闭环控制。

本方法用基于MVB总线的变频器控制器DCU替代了旧有电力机车试验台用机械并联多电机闭环控制系统基于DSP芯片的光纤高速通讯设备，并通过引入平均功率的均衡比较算法大幅降低了变频器控制器对控制参量的通讯即时性要求，从而使得整体控制方案向预期的收敛不断演进，直至使每台电机的转速均达到给定转速的预期效果。本发明电力机车试验台用机械并联多电机的闭环控制方法不但完全免除对光纤高速通讯设备的依赖，大幅降低了控制系统的成本，还能彻底避免因各个电机输出不平衡而造成的电网不平衡的情况发生，或者出现单台电机过载保护情况的技术问题。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

本发明的电力机车试验台用机械并联多电机的闭环控制方法包括如下步骤：

步骤一：建立基于平均功率算法的电力机车试验台用机械并联多电机闭环控制系统：其具体包括如下子步骤：

步骤1.1：将多个基于MVB总线的变频器控制器DCU与多个电机一一对应连接，将每个电机的输入端均通过直流母线电压传感器和直流母线电流传感器与该电机所对应的基于MVB总线的变频器控制器DCU连接，并将与其变频器控制器连接的一个速度传感器设置在该电机的输出端；通过具备MVB通信功能的通信控制单元CCU与前述多个基于MVB总线的变频器控制器DCU分别连接，并将通信控制单元CCU与PC连接；

步骤1.2：对步骤1.1所述每个电机分别编号为n，n为自然数，并将每个电机出厂参数表中所给出的电机额定电压、额定电流、额定转速、额定转矩T_额、极对数K、互感Lm、转子电感Lr、转子磁链Ψr均输入到各电机对应编号下的变频器控制器中进行保存；

步骤二：通过PC给通信控制单元CCU输入预设的给定速度值Vg，通信控制单元CCU将该预设的给定速度值Vg分别传送给每个基于MVB总线的变频器控制器DCU；每个基于MVB总线的变频器控制器DCU均根据其所接受到的预设的给定速度值Vg驱动其所对应的电机进行初始化的首次启动运行，从而获得反馈信号，并开始进行步骤三至步骤九的转速闭环控制；

步骤三：与每台电机所对应的各个基于MVB总线的变频器控制器DCU均通过与其对应连接的各个直流母线电压传感器和直流母线电流传感器分别采集与其所对应电机的直流环节的电压幅值U_dc与直流环节的电流值I_dc，此后，基于MVB总线的变频器控制器DCU根据下式(1)求得其所对应电机的当前功率值P：

P＝U_dc×I_dc……(1)

步骤四：每个基于MVB总线的变频器控制器DCU将各自依据公式(1)所求得的对应电机当前功率值P₁、P₂、P₃……P_n分别传送给通信控制单元CCU；通信控制单元CCU根据公式(2)求解平均功率值P_平均：

步骤五：通信控制单元CCU将由式(2)所求得的平均功率值P_平均分别发送给每个电机所对应的基于MVB总线的变频器控制器DCU；

步骤六：每个基于MVB总线的变频器控制器DCU对由步骤二所接收到的预设的给定速度值Vg与由每个速度传感器采集的各自对应电机的当前转速值V_实进行比较运算，若Vg＞V_实，则增大电机的当前转矩值T₁，使T₁＝T₁+0.2％T_额；若Vg<V_实，则减小电机的当前转矩值T₁，使T₁＝T₁-0.2％T_额；若Vg＝V_实，则维持电机的当前转矩值T₁，使T₁＝T₁；

步骤七：每个基于MVB总线的变频器控制器DCU均对其由步骤四所求得的平均功率值P_平均及其各自由步骤三所获得的当前功率值P_n(n为电机编号)进行比较运算，从而获得进行公知的电机转矩闭环控制方法时增大、减小或继续保持当前转矩给定值的调整依据：当P_平均＜0.95P_n时，则增大当前转矩给定值T₂，使T₂＝T₁+0.2％T_额；当1.05P_n＜P_平均＜0.95P_n时，则保持当前转矩给定值T₂，使T₂＝T₁；当P_平均＞1.05P_n时，则减小当前转矩给定值T₂，使T₂＝T₁-0.2％T_额；

步骤八：每个基于MVB总线的变频器控制器DCU将其由步骤七所求得的当前转矩给定值T₂，由步骤四所求得的平均功率值P_平均，以及由步骤1.2所保存的电机极对数K、互感Lm、转子电感Lr和转子磁链Ψr均代入公式(3)和公式(4)，求解与其所对应的电机的转矩电流给定值Isq和励磁电流给定值Isd：

步骤九：每个基于MVB总线的变频器控制器DCU将由步骤八求得的电机转矩电流给定值Isq和励磁电流给定值Isd作为输入量对其所对应的电机进行公知的电机转矩闭环控制，通过与每台电机所对应的速度传感器采集每台电机的当前转速值V_实，并更新步骤六中每台电机的当前转速值V_实，重复进行步骤六至步骤九的过程，实现电力机车试验台用机械并联多电机的转速闭环控制。

Claims (1)

1.电力机车试验台用机械并联多电机的闭环控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤一：建立基于平均功率算法的电力机车试验台用机械并联多电机闭环控制系统：其具体包括如下子步骤：

步骤1.1：将多个基于MVB总线的变频器控制器DCU与多个电机一一对应连接，将每个电机的输入端均通过直流母线电压传感器和直流母线电流传感器与该电机所对应的基于MVB总线的变频器控制器DCU连接，并将与其变频器控制器连接的一个速度传感器设置在该电机的输出端；通过具备MVB通信功能的通信控制单元CCU与前述多个基于MVB总线的变频器控制器DCU分别连接，并将通信控制单元CCU与PC连接；

步骤1.2：对步骤1.1所述每个电机分别编号为n，n为自然数，并将每个电机出厂参数表中所给出的电机额定电压、额定电流、额定转速、额定转矩T_额、极对数K、互感Lm、转子电感Lr、转子磁链Ψr均输入到各电机对应编号下的变频器控制器中进行保存；

步骤二：通过PC给通信控制单元CCU输入预设的给定速度值Vg，通信控制单元CCU将该预设的给定速度值Vg分别传送给每个基于MVB总线的变频器控制器DCU；每个基于MVB总线的变频器控制器DCU均根据其所接受到的预设的给定速度值Vg驱动其所对应的电机进行初始化的首次启动运行，从而获得反馈信号，并开始进行步骤三至步骤九的转速闭环控制；

步骤三：与每台电机所对应的各个基于MVB总线的变频器控制器DCU均通过与其对应连接的各个直流母线电压传感器和直流母线电流传感器分别采集与其所对应电机的直流环节的电压幅值U_dc与直流环节的电流值I_dc，此后，基于MVB总线的变频器控制器DCU根据下式(1)求得其所对应电机的当前功率值P：

P＝U_dc×I_dc……(1)

步骤四：每个基于MVB总线的变频器控制器DCU将各自依据公式(1)所求得的对应电机当前功率值P₁、P₂、P₃……P_n分别传送给通信控制单元CCU；通信控制单元CCU根据公式(2)求解平均功率值P_平均：

步骤五：通信控制单元CCU将由式(2)所求得的平均功率值P_平均分别发送给每个电机所对应的基于MVB总线的变频器控制器DCU；

步骤六：每个基于MVB总线的变频器控制器DCU对由步骤二所接收到的预设的给定速度值Vg与由每个速度传感器采集的各自对应电机的当前转速值V_实进行比较运算，若Vg＞V_实，则增大电机的当前转矩值T₁，使T₁＝T₁+0.2％T_额；若Vg<V_实，则减小电机的当前转矩值T₁，使T₁＝T₁-0.2％T_额；若Vg＝V_实，则维持电机的当前转矩值T₁，使T₁＝T₁；

步骤七：每个基于MVB总线的变频器控制器DCU均对其由步骤四所求得的平均功率值P_平均及其各自由步骤三所获得的当前功率值P_n(n为电机编号)进行比较运算，从而获得进行公知的电机转矩闭环控制方法时增大、减小或继续保持当前转矩给定值的调整依据：当P_平均＜0.95P_n时，则增大当前转矩给定值T₂，使T₂＝T₁+0.2％T_额；当1.05P_n＜P_平均＜0.95P_n时，则保持当前转矩给定值T₂，使T₂＝T₁；当P_平均＞1.05P_n时，则减小当前转矩给定值T₂，使T₂＝T₁-0.2％T_额；

步骤八：每个基于MVB总线的变频器控制器DCU将其由步骤七所求得的当前转矩给定值T₂，由步骤四所求得的平均功率值P_平均，以及由步骤1.2所保存的电机极对数K、互感Lm、转子电感Lr和转子磁链Ψr均代入公式(3)和公式(4)，求解与其所对应的电机的转矩电流给定值Isq和励磁电流给定值Isd：

步骤九：每个基于MVB总线的变频器控制器DCU将由步骤八求得的电机转矩电流给定值Isq和励磁电流给定值Isd作为输入量对其所对应的电机进行公知的电机转矩闭环控制，通过与每台电机所对应的速度传感器采集每台电机的当前转速值V_实，并更新步骤六中每台电机的当前转速值V_实，重复进行步骤六至步骤九的过程，实现电力机车试验台用机械并联多电机的转速闭环控制。