CN109639203B - 牵引异步电机的初始转速获取方法、带速重投方法及装置 - Google Patents

牵引异步电机的初始转速获取方法、带速重投方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种牵引异步电机的初始转速获取方法、带速重投方法及装置，该牵引异步电机的初始转速获取方法，包括：向旋转状态下的牵引异步电机注入直流电流，并建立注入所述直流电流后的所述牵引异步电机的状态方程；求解所述状态方程，得到所述牵引异步电机的转子磁链；提取所述转子磁链中的正交转子磁链信号；基于所述正交转子磁链信号计算所述牵引异步电机的初始转速。通过上述方案能够辨识轨道交通牵引异步电机无速度传感器控制下的初始转速，以解决带速重投所遇到的问题。

Description

牵引异步电机的初始转速获取方法、带速重投方法及装置
技术领域
本发明涉及电力电子与电力传动及轨道交通技术领域，尤其涉及一种牵引异步电机的初始转速获取方法、带速重投方法及装置。
背景技术
目前，轨道交通领域广泛应用的异步电机控制策略一般是采用矢量控制。如果要实现高精度控制，就需要安装速度传感器检测异步电机转速。但是，恶劣的工作环境导致速度传感器频繁出现故障，而且速度传感器已成为制约整个牵引系统可靠性的瓶颈。采用无速度传感器控制可以免去速度传感器带来的麻烦，从而提高系统的可靠性，并且能够降低了维护成本。
然而，将无速度传感器控制技术应用到轨道交通中后存在过分相或者系统故障情况下逆变器封锁脉冲后的带速重投问题。具体地，在逆变器封锁脉冲后，异步电机的电流为零，此时异步电机处于不可观测的状态，所有现有的转速辨识方法都将失效，而在转速未知的情况下突然开启逆变器的脉冲将会导致过流故障以及电机震动等。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种牵引异步电机的初始转速获取方法、带速重投方法及装置，以辨识轨道交通牵引异步电机无速度传感器控制下的初始转速，以解决带速重投所遇到的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下方案：
在本发明一实施例中，牵引异步电机的初始转速获取方法，包括：
向旋转状态下的牵引异步电机注入直流电流，并建立注入所述直流电流后的所述牵引异步电机的状态方程；
求解所述状态方程，得到所述牵引异步电机的转子磁链；
提取所述转子磁链中的正交转子磁链信号；
基于所述正交转子磁链信号计算所述牵引异步电机的初始转速。
在本发明一实施例中，牵引异步电机的带速重投方法，包括：
在轨道交通牵引系统中的逆变器封锁脉冲后，利用上述实施例所述的牵引异步电机的初始转速获取方法得到所述轨道交通牵引系统中的牵引异步电机的初始转速；
将所述初始转速作为转速辨识的初始值，以实现所述牵引异步电机的带速重投。
在本发明一实施例中，牵引异步电机的初始转速获取装置，包括：
状态方程建立单元，用于向旋转状态下的牵引异步电机注入直流电流，并建立注入所述直流电流后的所述牵引异步电机的状态方程；
转子磁链计算单元，用于求解所述状态方程，得到所述牵引异步电机的转子磁链；
正交转子磁链提取单元，用于提取所述转子磁链中的正交转子磁链信号；
初始转速计算单元，用于基于所述正交转子磁链信号计算所述牵引异步电机的初始转速。
在本发明一实施例中，计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述各实施例所述方法的步骤。
在本发明一实施例中，计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述各实施例所述方法的步骤。
本发明的牵引异步电机的初始转速获取方法、牵引异步电机的初始转速获取装置、计算机设备及计算机可读存储介质，通过向旋转状态下的牵引异步电机注入直流电流，建立相应的牵引异步电机的状态方程，求解所述状态方程得到所述牵引异步电机的转子磁链，可以根据该转子磁链特点确定提取正交转子磁链信号的方法，从而能够实现获取转子磁链的正交分量。基于该正交转子磁链信号计算牵引异步电机的初始转速，能够实现电机初始转速的预测，从而解决将无速度传感器控制技术应用到轨道交通中后进行带速重投时所遇到的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本发明一实施例的牵引异步电机的初始转速获取方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例中提取转子磁链中正交转子磁链信号的方法流程示意图；
图3是本发明另一实施例的牵引异步电机的初始转速获取方法的流程示意图；
图4是本发明一实施例中通过转矩推算对初始转速进行修正的方法流程示意图；
图5是本发明一实施例的牵引异步电机的带速重投方法的流程示意图；
图6是本发明一实施例中的直流电流注入框图；
图7是本发明一实施例的转子磁链波形轨迹图；
图8和图9分别是本发明一实施例中的直流偏置信号和噪声信号的曲线图；
图10是本发明一实施例中利用软件锁相环计算电机初始转速的框图；
图11是本发明一实施例中正交转子磁链信号的波形图；
图12是本发明一实施例中通过转矩推算修正初始转速的框图；
图13是本发明一实施例的牵引异步电机的初始转速获取装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
图1是本发明一实施例的牵引异步电机的初始转速获取方法的流程示意图。如图1所示，一些实施例的牵引异步电机的初始转速获取方法，可包括：
步骤S110：向旋转状态下的牵引异步电机注入直流电流，并建立注入所述直流电流后的所述牵引异步电机的状态方程；
步骤S120：求解所述状态方程，得到所述牵引异步电机的转子磁链；
步骤S130：提取所述转子磁链中的正交转子磁链信号；
步骤S140：基于所述正交转子磁链信号计算所述牵引异步电机的初始转速。
在上述步骤S110中，该牵引异步电机可以是多种不同牵引系统中的异步电机，例如，轨道交通牵引系统中的异步电机。向旋转状态下的牵引异步电机注入直流电流，可以得到直流形式的牵引异步电机电流。该状态方程可以为矢量方程。
注入直流电流后，旋转状态下的牵引异步电机的β轴定子电流isβ可以为零，此时，牵引异步电机的状态方程，可以为：
Figure BDA0001956649280000041
其中，isα分别为α轴定子电流，ψrα和ψrβ分别为α轴转子磁链和β轴转子磁链，Lr和Lm分别为转子电感与激磁电感，ωr为牵引异步电机的转速，Rr为转子电阻，dt表示对时间求微分。
在上述步骤S120中，通过求解所述状态方程得到的转子磁链可以是转子磁链表达式。一些实施例中，所述转子磁链包括可以包含直流分量和逐渐衰减的交流分量；所述交流分量的频率与所述牵引异步电机的频率可以一致。在此情况下，只要求出所述交流分量的频率即可得到牵引异步电机的频率，进而可以得到牵引异步电机的转速。因此需要得到转子磁链中的交流分量的信号。具体实施例中，转子磁链由直流分量和逐渐衰减的交流分量的和构成。
例如，求解上述公式(1)所示的状态方程，得到的转子磁链可以包括：
Figure BDA0001956649280000042
Figure BDA0001956649280000043
其中，t表示时间。
在上述步骤S130中，正交转子磁链信号可以指转子磁链中的交流分量的信号。转子磁链中的直流分量与电机转速以及注入电流的大小都有关系，在转速未知的情况下，无法通过减去转子磁链中的直流分量得到交流分量。基于此分析，可以考虑采用不需要转速信息的方法提取所述转子磁链中的正交转子磁链信号，从而实现正交转子磁链信号的提取。
在上述步骤S140中，由于获取的正交转子磁链信号的频率与电机频率可以是一致的，所以可以基于所述正交转子磁链信号计算所述牵引异步电机的初始转速。可以通过各种不同方法计算电机的初始转速，例如，软件锁相环的方法、微分运算的方法等。
本实施例中，通过向旋转状态下的牵引异步电机注入直流电流，建立相应的牵引异步电机的状态方程，求解所述状态方程得到所述牵引异步电机的转子磁链，可以根据该转子磁链特点确定提取正交转子磁链信号的方法，从而能够实现获取转子磁链的正交分量。基于该正交转子磁链信号计算牵引异步电机的初始转速，能够实现电机初始转速的预测，从而解决将无速度传感器控制技术应用到轨道交通中后进行带速重投时所遇到的问题。
一些实施例中，上述步骤S110，即，向旋转状态下的牵引异步电机注入直流电流，具体地，可包括：在旋转状态下的牵引异步电机中采用矢量控制，并将采用矢量控制的所述牵引异步电机的磁场定向角设定为零，在闭环电流控制的作用下得到所述牵引异步电机的电流的直流形式。
本实施例中，将磁场定向角设定为零可以指将同步旋转角度固定为零。由于电流闭环的作用，得到电机的定子电流可以为直流状态。在其他实施例中，可以采用其他可能的现有方式得到牵引异步电机的电流的直流形式。
图2是本发明一实施例中提取转子磁链中正交转子磁链信号的方法流程示意图。如图2所示，上述步骤S130，即，提取所述转子磁链中的正交转子磁链信号，可包括：
步骤S131：利用电压模型磁链观测器进行磁链观测，得到所述转子磁链的信号；
步骤S132：利用高阶滤波器抑制所述转子磁链的信号中的直流偏置，得到所述转子磁链中的正交转子磁链信号。
在上述步骤S131中，由于电压模型磁链观测器不需要转速信息，所以，可以利用电压模型磁链观测器对直流注入后的旋转的牵引异步电机进行磁链观测，得到所述转子磁链的信号。在另一些实施例中，可以同时采用双线性变换(梯形法)的离散化方法对电压模型磁链观测器进行离散，相比一阶欧拉方法，双线性变化离散化方法可以提高离散化的精度。利用电压模型磁链观测器进行磁链观测，具体地，可以是利用定子电压给定值与采集定子电流计算定子反电势，将定子反电势积分得到定子磁链，根据定子磁链折算得到所述转子磁链的信号。
在上述步骤S132中，由于采样误差、直流偏置以及死区等影响，磁链观测积分会出现斜坡信号，通过利用高阶滤波器对所述转子磁链的信号进行滤波，可以抑制直流信号的影响，然后获取的交流信号。高阶滤波器的截止频率例如可以设置为1Hz。
本实施例中，通过利用电压模型磁链观测器进行磁链观测，能够实现得到转子磁链的信号。通过对转子磁链的信号进行高阶滤波，能够得到有效的交流信号。
在一些实施例中，在上述步骤S140之前，即，基于所述正交转子磁链信号计算所述牵引异步电机的初始转速之前，上述实施例所述的牵引异步电机的初始转速获取方法，还可包括：
步骤S133：利用低通滤波器滤除抑制所述正交转子磁链信号中的噪声信号。
在上述步骤S133中，高阶滤波器抑制所述转子磁链的信号中的直流偏置得到的正交转子磁链信号中可能含有较多的噪声信号，通过低通滤波器对噪声信号进行滤除能够得到较精细的交流信号。基于滤除噪声信号后的正交转子磁链信号可以得到更精确的电机初始转速。该低通滤波器的截止频率例如可以设置为10Hz。
本实施例中，通过利用低通滤波器滤除交流信号中的噪声信号，能够得到精细化的交流信号，从而得到更准确的电机初始转速。
一些实施例中，上述步骤S140，即，基于所述正交转子磁链信号计算所述牵引异步电机的初始转速，可包括：基于所述正交转子磁链信号，利用软件锁相环的方法计算得到所述牵引异步电机的初始转速。
本实施例中，一般软件锁相环是用于对交流电压信号的跟踪，在此创造性地将其应用于对磁链信号的跟踪。通过软件锁相环可以得到更平稳的初始转速。
在其他实施例中，可以通过利用转子磁链角度进行微分运算的方法得到转速，微分运算的公式可以为：
Figure BDA0001956649280000061
其中，θ为转子磁链角度。
一些实施例中，上述步骤S140的具体实施方法，即，基于所述正交转子磁链信号，利用软件锁相环的方法计算得到所述牵引异步电机的初始转速，可包括：
对所述正交转子磁链信号进行park变换，并通过比例积分调节使得park变换后的所述正交转子磁链信号中的q轴磁链为零，得到所述牵引异步电机的转子的初始转速。
本实施例中，由于获得的两路磁链信号可以是正交信号，所以只需要采用park变换，通过PI(比例积分)调节使得q轴磁链为零，即可获取电机的初始速度。
图3是本发明另一实施例的牵引异步电机的初始转速获取方法的流程示意图。如图3所示，图1所示的牵引异步电机的初始转速获取方法，还可包括：
步骤S150：通过转矩推算对所述初始转速进行修正。
本实施例中，具体地，可以通过进行转矩目标为零的推算，对所述初始转速进行修正。通过修正可以减小初始转速的估算误差。
图4是本发明一实施例中通过转矩推算对初始转速进行修正的方法流程示意图。如图4所示，上述步骤S150，即，通过转矩推算对所述初始转速进行修正，可包括：
步骤S151：将所述牵引异步电机的转矩设定为零，根据电压模型磁链观测器对转矩为零的所述牵引异步电机进行观测，得到相应的转子磁链信号；
步骤S152：利用所述相应的转子磁链信号和采集得到的定子电流计算转矩；
步骤S153：根据计算出的转矩和设定为零的转矩计算得到转矩误差；
步骤S154：利用所述转矩误差对所述初始转速进行修正。
在上述步骤S151中，可以采用类似于上述步骤S131的方法进行磁链观测，得到转子磁链信号，区别在于上述步骤S131得到的是直流注入状态下的牵引异步电机的转子磁链的信号，而此处得到的是转矩为零状态下的牵引异步电机的转子磁链信号。
在上述步骤S152中，计算转矩的公式可以为：
Figure BDA0001956649280000071
其中，Te表示转矩，p表示电机极对数。
在上述步骤S153中，设定为零的转矩即为零，转矩误差可以大于零或小于零。如果估算转速大于实际转速，将处于牵引状态，那么产生的转矩大于0，如果估算转速小于实际转速，将处于制动状态，产生的转矩将会小于0。
在上述步骤S154中，以正转为例，利用所述转矩误差对所述初始转速进行修正，具体地，可以包括：在转矩误差大于0时降低初始转速，在转矩误差小于0时增加初始转速。
本实施例中，在获取初始转速的基础上，通过转矩为零修正该初始转速，可以将转速估算误差进一步降低到误差范围内。
一些实施例中，适用于轨道交通牵引异步电机无速度传感器控制带速重投的方法，可包括：
S1：基于旋转状态下异步电机的状态方程，对直流电流注入下转子磁链信号进行定量分析。
S2：基于低信噪比情况下，针对直流偏置信号采用高阶滤波器进行抑制，并且用低通滤波器滤除噪声信号，从而完成有效信号的提取。
S3：基于获取的正交的转子磁链信号，采用软件锁相环获取初始转速。
S4：基于第一阶段的初始转速辨识结果，采用转矩为零进行推定获取精确初始转速。
在一些实施例中，上述步骤S1具体地可包括：针对旋转异步电机的状态方程，在直流电流注入特殊状态下，求解转子磁链信号，确定出其由直流分量以及逐渐衰减的交流信号组成，其中交流信号的频率与实际电机的频率一致。
在一些实施例中，上述步骤S2具体地可包括：由于初始速度未知，因此采用电压模型磁链观测，针对实际中直流偏置问题，采用高阶滤波器进行抑制从而提取交流信号，针对提取结果中的噪声信号，采用低通滤波器进行滤除，从而得到正交的转子磁链信号。
在一些实施例中，上述步骤S3具体地可包括：如果采用对磁链角度求导的方法将会使得辨识结果波动较大，因此采用软件锁相环进行初始转速估算，针对获取的正交转子磁链信号，只需采用park变换，通过PI调节使得q轴磁链为零，从而获取转子速度。
在一些实施例中，上述步骤S4具体地可包括：利用直流注入状态下的初始转速估算结果，令转矩目标为零，根据转矩推算修正初始转速，通过第一阶段与第二阶段的组合能够实现高精度且短时间的速度推算，确保无速度传感器控制下牵引异步电机快速带速重投的成功。
本实施例中，为了解决逆变器封锁脉冲后牵引异步电机处于不可观测状态需要对旋转状态初始转速进行辨识问题，采用直流电流注入的方案对初始转速进行辨识。首先分析直流注入状态下的电机状态方程，得到转子磁链的特点，利用电压模型磁链观测器对转子磁链进行观测，并采用高阶滤波器对直流偏置进行抑制，利用低通滤波器滤除噪声信号，从而实现有效交流信号的提取。基于获取的正交转子磁链信号，采用软件锁相环的方法估算初始转速。然后在后续的第二阶段采用转矩为零推定方法，对初始转速进行修正，通过第一阶段与第二阶段的结合，能够实现快速而精确的转速推算，从而顺利实现无速度传感器控制下牵引异步电机的带速重投。
基于上述各实施例的牵引异步电机的初始转速获取方法，本发明实施例还提供一种牵引异步电机的带速重投方法，重复之处不再赘述。
图5是本发明一实施例的牵引异步电机的带速重投方法的流程示意图。如图5所示，一些实施例的牵引异步电机的带速重投方法，可包括：
步骤S210：在轨道交通牵引系统中的逆变器封锁脉冲后，利用上述实施例所述的牵引异步电机的初始转速获取方法得到所述轨道交通牵引系统中的牵引异步电机的初始转速；
步骤S220：将所述初始转速作为转速辨识的初始值，以实现所述牵引异步电机的带速重投。
在上述步骤S220中，具体地，可以将所述初始转速作为转速辨识的初始值进入正常无速度传感器控制阶段，以实现所述牵引异步电机的带速重投。
本实施例中，辨识得到牵引异步电机的初始转速后，在轨道交通牵引系统中的逆变器封锁脉冲后，异步电机的电流为零，利用上述实施例所述的牵引异步电机的初始转速获取方法得到所述轨道交通牵引系统中的牵引异步电机的初始转速，能够解决此时异步电机不可观测的问题。从而可以在电机的初始转速已知的情况下开启所述逆变器的脉冲，实现带速重投，以此可以避免在转速未知的情况下突然开启逆变器的脉冲将会导致过流故障以及电机震动等问题。
为使本领域技术人员更好地了解本发明，下面将以一具体实施例说明本发明的实施方式。
在轨道交通牵引异步电机无速度传感器控制的情况下，牵引异步电机的初始转速获取方法，可包括步骤：
(1)在旋转的异步电机中采用矢量控制，将磁场定向角设定为0，利用闭环控制使得电机电流为直流形式。
(2)在注入直流的情况下，对转子磁链进行观测，采用电压模型磁链观测器观测出转子磁链的信号。
(3)基于观测出的转子磁链信号，采用高阶滤波器滤除直流偏置，同时用低通滤波器滤除噪声信号影响，从而提取有效交流信号。
(4)基于提取的有效交流信号，采用软件锁相环的方法计算出初始转速。
(5)基于获得的初始转速，采用转矩推算进一步修正初始转速，从而获得精确初始转速。
下面将结合附图对本发明做进一步的说明。
本发明为一种适用于轨道交通牵引异步电机无速度传感器控制带速重投策略。
图6是本发明一实施例中的直流电流注入框图。参见图6，在旋转的异步电机中通入直流电流，其中，isq表示q轴定子电流，isd表示d轴定子电流，IDC表示直流电流，PI表示比例积分控制器，usq表示q轴定子电压，usd表示d轴定子电压，PWM表示脉宽调制器，IM表示牵引异步电机。采用矢量控制，通过设定同步旋转角度θ固定为0°。将q轴定子电压usq和d轴定子电压usd由dq坐标系转换至abc直角坐标系后输入至脉宽调制器PWM，再经由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)进入牵引异步电机IM，注入牵引异步电机IM之前的电流由abc直角坐标系转换至dq坐标系，然后同dq坐标系的转子电压输入至磁链观测器进行观测，得到α轴转子磁链ψrα和β轴转子磁链ψrβ，然后基于α轴转子磁链ψrα和β轴转子磁链ψrβ进行转速提取得到电机转速ωr。由于电流闭环的作用，得到电机的定子电流为直流状态。在此状态下，isβ＝0，因此，电机的状态方程可以表示为：
Figure BDA0001956649280000101
其中，isα和isβ分别为α、β轴定子电流，ψrα和ψrβ分别为α、β轴转子磁链，Lr和Lm分别为转子电感与激磁电感，ωr为电机转速，Rr为转子电阻。
求解公式(1)得到：
Figure BDA0001956649280000102
Figure BDA0001956649280000103
通过公式(2)和公式(3)可以发现，实际转子磁链是由一个直流分量加上一个逐渐衰减的交流分量得到的，其中交流分量的角频率与实际电机旋转频率是一致的，均为ωr。
图7是本发明一实施例的转子磁链波形轨迹图。参见图7，通过绘制转子磁链波形，可以得到轨迹圆的圆心(x0,y0)，公式如下式所示；
Figure BDA0001956649280000111
Figure BDA0001956649280000112
公式(2)和(3)中的直流分量(即圆心)与电机转速以及注入电流的大小都有关系，在转速未知的情况下无法通过减去圆心获取交流分量，因此，需要对其中的交流有效信号进行提取。
由于电压模型磁链观测器不需要转速信息，因此利用电压模型磁链观测器完成对转子磁链的观测，同时可采用双线性变换的离散化方法对电压模型磁链观测器进行离散提高离散化精度：
Figure BDA0001956649280000113
Figure BDA0001956649280000114
Figure BDA0001956649280000115
其中，Usα和Usβ分别为α轴定子电压和β轴定子电压，Lr和Ls分别为转子电感与定子电感，Rs为定子电阻，σ表示中间量。
图8和图9分别是本发明一实施例中的直流偏置信号和噪声信号的曲线图。由于采样误差、直流偏置以及死区等影响，磁链观测积分会出现斜坡信号，如图8所示。为了提取有效交流信号，采用高阶滤波器抑制直流信号的影响，然后获取的交流信号。交流信号中可能含有较多的噪声信号，如图9所示，此时，需要通过低通滤波器完成对噪声信号的滤除。虽然滤波对其中的交流信号的幅值与相位也会产生影响，但是由于计算初始转速仅仅关心磁链交流信号的频率，因此可以不需对幅值与相位进行补偿。
图10是本发明一实施例中利用软件锁相环计算电机初始转速的框图。图11是本发明一实施例中正交转子磁链信号的波形图。在图10和图11中，ψrαpu表示α轴转子磁链ψrα的标幺值，ψrβpu表示β轴转子磁链ψrβ的标幺值，ψrαpu和ψrβpu从αβ坐标系转换至dq坐标系得到d轴转子磁链ψd和q轴转子磁链ψq，kp表示可调比例系数，ki表示可调积分系数，s表示微分，ωp表示比例计算得到的角速度，ωi表示积分计算得到的角速度，
Figure BDA0001956649280000123
表示相加，fr表示转子频率，
Figure BDA0001956649280000124
表示转子磁链角度矢量。由于获取的正交转子磁链信号的频率与电机频率是一致的，因此通过计算转子磁链交流分量的频率就可以计算出电机的转速。
其中一种方案，可以通过微分运算直接计算电机转速，公式可以为：
Figure BDA0001956649280000121
其中，θ为转子磁链角度。由于涉及微分运算，计算结果可能波动较大。
另外一种方案，可以是采用软件锁相环的方案。一般软件锁相环是用于对交流电压信号的跟踪，在此将其应用于对磁链信号的跟踪。由于获得的两路磁链信号是正交信号(如图11所示)，因此只需要采用park变换，通过PI(比例积分)调节使得q轴磁链为零，从而获取转子速度，即得到牵引异步电机的初始转速。其中通过软件锁相环追踪磁链频率的方法可如图10所示。
在获取初始转速的基础上，可以通过转矩为零修正该初始转速，这可以将转速估算误差进一步降低到误差范围内。具体地，可以通过将电机转矩指令设定为0，将定子电压给定值与采集定子电流带入电压模型磁链观测器，利用观测得到的转子磁链以及采集定子电流计算出转矩(观测得到的转子磁链是实际应用中采用的值，而求解状态方程得到的转子磁链用于理论分析，其中用到的转速在实际中无法实现)，转矩计算公式可以为：
Figure BDA0001956649280000122
其中，Te表示转矩，p表示电机极对数。
如果估算转速大于实际转速，将处于牵引状态，那么产生的转矩大于0，如果估算转速小于实际转速，将处于制动状态，产生的转矩将会小于0。然后，可以根据推算出的转矩误差来修正估算转速。
图12是本发明一实施例中通过转矩推算修正初始转速的框图。参见图12，其中的ωsl表示转差频率，ωe表示定子同步角频率，Te *表示转矩目标值，isα表示α轴定子信号，isβ表示β轴定子信号。在获取初始转速的基础上，利用转矩目标为零的推定模式，能够快速收敛到精确的转速上。以此，可以实现高精度且短时间的速度推算，为后续的无速度传感器控制算法提供初始值，确保了短时间内带速重投的成功，并且不会对列车运行产生不良影响。
本实施例中，基于直流注入状态下的电机方程得到转子磁链的特点，并且基于获得的磁链信号采用软件锁相环的方法计算初始转速，结合转矩计算进一步修正初始转速，能够获得较为精确的初始转速，确保无速度传感器控制下带速重投的成功，辨识所需时间很短，不会对列车产生不良的影响。
基于与图1所示的牵引异步电机的初始转速获取方法相同的发明构思，本申请实施例还提供了一种牵引异步电机的初始转速获取装置，如下面实施例所述。由于该牵引异步电机的初始转速获取装置解决问题的原理与牵引异步电机的初始转速获取方法相似，因此该牵引异步电机的初始转速获取装置的实施可以参见牵引异步电机的初始转速获取方法的实施，重复之处不再赘述。
图13是本发明一实施例的牵引异步电机的初始转速获取装置的结构示意图。如图13所示，一些实施例的牵引异步电机的初始转速获取装置，可包括：状态方程建立单元310、转子磁链计算单元320、正交转子磁链提取单元330及初始转速计算单元340，上述各单元顺序连接。
状态方程建立单元310，用于向旋转状态下的牵引异步电机注入直流电流，并建立注入所述直流电流后的所述牵引异步电机的状态方程；
转子磁链计算单元320，用于求解所述状态方程，得到所述牵引异步电机的转子磁链；
正交转子磁链提取单元330，用于提取所述转子磁链中的正交转子磁链信号；
初始转速计算单元340，用于基于所述正交转子磁链信号计算所述牵引异步电机的初始转速。
一些实施例中，状态方程建立单元310，可包括：直流注入模块。
直流注入模块，用于在旋转状态下的牵引异步电机中采用矢量控制，并将采用矢量控制的所述牵引异步电机的磁场定向角设定为零，在闭环电流控制的作用下得到所述牵引异步电机的电流的直流形式。
一些实施例中，所述转子磁链包括直流分量和逐渐衰减的交流分量；所述交流分量的频率与所述牵引异步电机的频率一致。
一些实施例中，正交转子磁链提取单元330，可包括：磁链观测模块和高阶滤波模块，二者相互连接。
磁链观测模块，用于利用电压模型磁链观测器进行磁链观测，得到所述转子磁链的信号；
高阶滤波模块，用于利用高阶滤波器抑制所述转子磁链的信号中的直流偏置，得到所述转子磁链中的正交转子磁链信号。
一些实施例中，还可包括：低通模块，与高阶滤波模块连接。
低通模块，用于利用低通滤波器滤除抑制所述正交转子磁链信号中的噪声信号。
一些实施例中，初始转速计算单元340，可包括：初始转速计算模块。
初始转速计算模块，用于基于所述正交转子磁链信号，利用软件锁相环的方法计算得到所述牵引异步电机的初始转速。
一些实施例中，初始转速计算模块，可包括：转速估算模块。
转速估算模块，用于对所述正交转子磁链信号进行park变换，并通过比例积分调节使得park变换后的所述正交转子磁链信号中的q轴磁链为零，得到所述牵引异步电机的转子的初始转速。
一些实施例中，图13所示的牵引异步电机的初始转速获取装置，还可包括：转速修正单元，与初始转速计算单元340连接。
转速修正单元，用于通过转矩推算对所述初始转速进行修正。
一些实施例中，转速修正单元，可包括：磁链观测模块、转矩推算模块、误差计算模块及转速修正模块，上述各模块顺序连接。
磁链观测模块，用于将所述牵引异步电机的转矩设定为零，根据电压模型磁链观测器对转矩为零的所述牵引异步电机进行观测，得到相应的转子磁链信号；
转矩推算模块，利用所述相应的转子磁链信号和采集得到的定子电流计算转矩；
误差计算模块，用于根据计算出的转矩和设定为零的转矩计算得到转矩误差；
转速修正模块，用于利用所述转矩误差对所述初始转速进行修正。
本发明实施例还提供一种牵引异步电机的带速重投系统，可包括：牵引异步电机的初始转速获取装置和带速重投装置，二者相互连接
牵引异步电机的初始转速获取装置，用于在轨道交通牵引系统中的逆变器封锁脉冲后得到所述轨道交通牵引系统中的牵引异步电机的初始转速；
带速重投装置，用于将所述初始转速作为转速辨识的初始值，以实现所述牵引异步电机的带速重投。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述各实施例所述方法的步骤。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述各实施例所述方法的步骤。
综上所述，本发明实施例的牵引异步电机的初始转速获取方法、牵引异步电机的初始转速获取装置、牵引异步电机的带速重投系统、计算机设备及计算机可读存储介质，通过向旋转状态下的牵引异步电机注入直流电流，建立相应的牵引异步电机的状态方程，求解所述状态方程得到所述牵引异步电机的转子磁链，可以根据该转子磁链特点确定提取正交转子磁链信号的方法，从而能够实现获取转子磁链的正交分量。基于该正交转子磁链信号计算牵引异步电机的初始转速，能够实现电机初始转速的预测，从而解决将无速度传感器控制技术应用到轨道交通中后进行带速重投时所遇到的问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本发明的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种牵引异步电机的初始转速获取方法，其特征在于，包括：
向旋转状态下的牵引异步电机注入直流电流，并建立注入所述直流电流后的所述牵引异步电机的状态方程；
求解所述状态方程，得到所述牵引异步电机的转子磁链；
提取所述转子磁链中的正交转子磁链信号；
基于所述正交转子磁链信号计算所述牵引异步电机的初始转速；
其中，所述基于所述正交转子磁链信号计算所述牵引异步电机的初始转速，包括：
对所述正交转子磁链信号进行park变换，并通过比例积分调节使得park变换后的所述正交转子磁链信号中的q轴磁链为零，得到所述牵引异步电机的转子的初始转速；
所述牵引异步电机的初始转速获取方法还包括：
通过转矩推算对所述初始转速进行修正；
其中，所述通过转矩推算对所述初始转速进行修正，包括：
将所述牵引异步电机的转矩设定为零，根据电压模型磁链观测器对转矩为零的所述牵引异步电机进行观测，得到相应的转子磁链信号；
利用所述相应的转子磁链信号和采集得到的定子电流计算转矩；
根据计算出的转矩和设定为零的转矩计算得到转矩误差；
利用所述转矩误差对所述初始转速进行修正。
2.如权利要求1所述的牵引异步电机的初始转速获取方法，其特征在于，向旋转状态下的牵引异步电机注入直流电流，包括：
在旋转状态下的牵引异步电机中采用矢量控制，并将采用矢量控制的所述牵引异步电机的磁场定向角设定为零，在闭环电流控制的作用下得到所述牵引异步电机的电流的直流形式。
3.如权利要求1所述的牵引异步电机的初始转速获取方法，其特征在于，提取所述转子磁链中的正交转子磁链信号，包括：
利用电压模型磁链观测器进行磁链观测，得到所述转子磁链的信号；
利用高阶滤波器抑制所述转子磁链的信号中的直流偏置，得到所述转子磁链中的正交转子磁链信号。
4.如权利要求3所述的牵引异步电机的初始转速获取方法，其特征在于，基于所述正交转子磁链信号计算所述牵引异步电机的初始转速之前，还包括：
利用低通滤波器滤除抑制所述正交转子磁链信号中的噪声信号。
5.一种牵引异步电机的带速重投方法，其特征在于，包括：
在轨道交通牵引系统中的逆变器封锁脉冲后，利用如权利要求1至4任一项权利要求所述的牵引异步电机的初始转速获取方法得到所述轨道交通牵引系统中的牵引异步电机的初始转速；
将所述初始转速作为转速辨识的初始值，以实现所述牵引异步电机的带速重投。
6.一种牵引异步电机的初始转速获取装置，其特征在于，包括：
状态方程建立单元，用于向旋转状态下的牵引异步电机注入直流电流，并建立注入所述直流电流后的所述牵引异步电机的状态方程；
转子磁链计算单元，用于求解所述状态方程，得到所述牵引异步电机的转子磁链；
正交转子磁链提取单元，用于提取所述转子磁链中的正交转子磁链信号；
初始转速计算单元，用于基于所述正交转子磁链信号计算所述牵引异步电机的初始转速；
初始转速计算单元包括：转速估算模块，用于对所述正交转子磁链信号进行park变换，并通过比例积分调节使得park变换后的所述正交转子磁链信号中的q轴磁链为零，得到所述牵引异步电机的转子的初始转速；
所述牵引异步电机的初始转速获取装置还包括：转速修正单元，与初始转速计算单元连接；转速修正单元用于通过转矩推算对所述初始转速进行修正；
其中，转速修正单元包括：磁链观测模块、转矩推算模块、误差计算模块及转速修正模块；
磁链观测模块，用于将所述牵引异步电机的转矩设定为零，根据电压模型磁链观测器对转矩为零的所述牵引异步电机进行观测，得到相应的转子磁链信号；
转矩推算模块，利用所述相应的转子磁链信号和采集得到的定子电流计算转矩；
误差计算模块，用于根据计算出的转矩和设定为零的转矩计算得到转矩误差；
转速修正模块，用于利用所述转矩误差对所述初始转速进行修正。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至4任一项所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1至4任一项所述方法的步骤。
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