CN111177856B - 基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机车动力学分析领域，特别是一种基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法及装置，该仿真分析方法包括以下步骤：电机转矩计算：根据操纵级位和运行速度计算机车所需牵引力，并根据所述所需牵引力得到电机转矩；输出电机转矩：根据所述电机转矩计算步骤中得到的电机转矩值，得到电机所需的电流，电机控制系统输出所需的电流给电机，使得所述电机能够输出分析所需的电机转矩给机车机械系统模型；转子转速反馈：将所述机车机械系统模型反馈的电机转子转速输入给所述电机。该仿真分析装置用于执行上述的仿真分析方法。本发明所提供的仿真分析方法实现了机车驱动系统的机电耦合。
Description
技术领域
本发明涉及机车动力学分析领域，特别是一种基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法及装置。
背景技术
电机作为一种电能和机械能相互转换的电磁装置，其主要作用是将电能通过定子与转子之间的电磁耦合作用产生驱动转矩，具有调速宽、体积小、效率高和稳态转速误差小等优点。而齿轮传动系统作为机械传动系统的重要组成部分，具有传动比恒定、结构紧凑、传动效率和可靠性高等优点。以电机和机械传动系统为核心的驱动系统被广泛运用于铁路机车、电动汽车、机床、航天、航海、工程机械等领域。对于铁路机车而言，牵引电机电系统的参数波动，例如电流、电压谐波干扰等将对输出的电磁力矩产生影响，从而影响机车机械传动系统的动态性能；同时，机械传动系统由于外部或内部激励，例如轨道不平顺，齿轮传动系统时变啮合刚度与传动误差等将对牵引电机的电系统动态行为产生影响；二者紧密耦合在一起，表现出十分复杂的动力学特性。因此，在科学研究和工程实践中十分有必要对机车驱动系统机电耦合动力学特性进行分析，这对从系统角度开展机车整车动力系统的匹配设计具有重要意义。而现有的技术往往将机车电系统与机械系统分开考虑，缺乏综合考虑机电耦合的机车系统动力学仿真分析方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法及装置。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，包括以下步骤：
电机转矩计算：根据操纵级位和运行速度计算机车所需牵引力，并根据所述所需牵引力得到电机转矩；
输出电机转矩：根据所述电机转矩计算步骤中得到的电机转矩值，得到电机所需的电流，电机控制系统输出所需的电流给电机，使得所述电机能够输出分析所需的电机转矩给机车机械系统模型；
转子转速反馈：将所述机车机械系统模型反馈的电机转子转速输入给所述电机。
本发明提供的上述方案中，将电机的转矩输出给机车机械系统模型，并将机车机械系统模型反馈的电机转子转速作为电机的机械输入。由于电机本身是一个机电耦合模型，其一端通过电机控制系统输出电流驱动，并通过电机转速控制，另一端输出转矩给机械系统。通过上述方式，形成了机车驱动系统的机电耦合，揭示电系统和机械系统机电耦合下的机车动力学特性，此外，本发明提供的方法中，可以通过电机反应机车机械系统的健康状态，从而为电机作为一种传感器实时监测机车机械传动系统健康状态应用于工程实践奠定理论研究基础。
作为本发明的优选方案，在所述步骤根据所述所需牵引力得到电机转矩之后：在所述电机转矩计算步骤中，根据所述所需牵引力得到电机转矩之后，还包括以下步骤：根据机车的轮对角速度和车速判断机车是否进行打滑，并进行滑移控制，从而调整计算所得的电机转矩；
在所述输出电机转矩步骤中：根据调整后的电机转矩值，得到电机所需的电流。
通过上述的方案，使得机车机械系统模型所接受到的电机转矩更加符合实际情况。
作为本发明的优选方案，在所述输出电机转矩步骤中，具体的流程是：根据计算得到的电机转矩值确定控制信号，将控制信号输入给间接转子磁链定向控制器，整流器整流后的直流电源经过逆变器以及间接转子磁链定向控制器的控制信号，输出三相电流给电机，从而使电机输出分析所需的电机转矩给机车机械系统模型。
作为本发明的优选方案，所述电机将所述控制信号反馈给转矩控制器、逆变器和间接转子磁链定向控制器。
作为本发明的优选方案，所述机车机械系统模型为机车-轨道耦合动力学模型。
作为本发明的优选方案，所述机车机械系统模型包括车体、转向架、轮对、电机、齿轮传动系统及悬挂单元，在所述机车机械系统模型中，将所述车体、所述转向架、所述轮对和所述电机视为刚体，各个所述刚体之间通过悬挂实现相互作用。
作为本发明的优选方案，在所述机车机械系统模型中，采用Hertz非线性弹性接触理论计算轮轨垂向接触力：
其中，G为轮轨接触常数；δZ(t)为轮轨间的弹性压缩量。
轮轨接触弹性压缩变形计算公式：
δZ(t)＝Zw(t)-Zr(xw，t)
其中，Zw，Zr分别表示车轮和轨道在轮轨接触点的垂向位移。
蠕滑力计算公式：
Fcreep＝P(t)·μ
其中，μ是轮轨接触界面的黏着系数。
作为本发明的优选方案，所述齿轮传动啮合力计算方法为：
齿轮传动啮合力计算公式：
其中，Km，Cm表示齿轮啮合刚度和阻尼。
δ表示齿轮传动误差，其计算公式为：
δi＝-Rpθpi-Rgθgi+(-1)l(Zmi-Zwi)cosα0-(-1)l(Xmi-Xwi)sinα0-b0-ei
其中，R和θ分别表示齿轮的基圆半径和角位移；
p和g分别表示小齿轮和大齿轮；
e表示制造和装配误差；i表示第i位电机。
作为本发明的优选方案，建立包括齿轮传动系统在内的机车运动方程组：
其中，M，C和K分别表示质量，阻尼和刚度矩阵；
X(t)，和/>分别表示位移，速度和加速度向量；
F(t)表示外部激励力，包括轮轨相互作用力、齿轮啮合力；
求解上述机车运动方程组。
一种基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析装置，其包括处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行上述的方法。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明提供的上述方案中，将电机的转矩输出给机车机械系统模型，并将机车机械系统模型反馈的电机转子转速作为电机的机械输入。由于电机本身是一个机电耦合模型，其一端通过电机控制系统输出电流驱动，并通过电机转速控制，另一端输出转矩给机械系统。通过上述方式，形成了机车驱动系统的机电耦合，揭示电系统和机械系统机电耦合下的机车动力学特性，此外，本发明提供的方法中，可以通过电机反应机车机械系统的健康状态，从而为电机作为一种传感器实时监测机车机械传动系统健康状态应用于工程实践奠定理论研究基础。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于驱动系统机电耦合的机车动力学分析仿真分析方法的示意图。
图2是本发明实施例提供的电机电系统的示意图。
图3是本发明实施例提供的机车机械系统的示意图。
图4是本发明运算实例中的机车牵引特性曲线。
图5是本发明运算实例中得到的电机转子角加速度频谱图。
图6是本发明运算实例中得到的电机垂向加速度频谱图。
图7是本发明运算实例中提供的电机定子a相电流频谱图。
图8是本发明运算实例中提供的齿轮有裂纹故障时电机定子a相电流频谱图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本发明实施例提供了一种基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，请参阅图1及图2，其包括以下步骤：
S1.电机转矩计算：根据操纵级位N和运行速度vx计算机车所需牵引力Ft，并根据所述所需牵引力得到电机转矩Tt；
操纵级位即为机车运行的挡位；
其中：
r为机车车轮半径；n1为机车数；n2为机车轮对数；n3为齿轮传动比。
根据机车的轮对角速度ω和车速vx判断机车是否打滑并进行滑移控制，首次调节机车电机预计需要输出的转矩，得到首次调节后的电机转矩Tt *；
进一步的，通过检测模块检测机车机械系统的传动角速度，并将检测得到的四个机车轮对角速度ω输出给滑移计算模块，滑移计算模块计算得到滑移率Sest，然后将Sest输出给滑移控制模块，滑移控制模块得到电机转矩所需要的变化量ΔT，从而实现对电机转矩的调节，将电机转矩Tt调节为Tt *。
S2.输出电机转矩：根据所述电机转矩计算步骤中得到的电机转矩值，得到电机所需的电流，电机控制系统输出所需的电流给电机，使得所述电机能够输出分析所需的电机转矩给机车机械系统模型；
具体的，根据步骤S1中的调节后的电机转矩值Tt *确定控制信号T*和ψ，将控制信号T*和ψ输入给间接转子磁链定向控制器，整流器整流后的直流电源经过逆变器以及间接转子磁链定向控制器的控制信号，输出三相电流iabc给电机，从而使电机输出分析所需的电机转矩Te给机车机械系统模型。
可知，步骤S2中输出给机车机械系统的转矩Te，是在步骤S1中的得到的首次调节后的电机转矩Tt *的基础上，经过了再次调节。
通过步骤S1、S2所建立起来的模型即为电机电系统动力学仿真分析模型。
图1中所示出的耦合磁场即为电机内的定子和转子所形成的磁场。通过电磁感应效应，将电机的输入电能转化为驱动机车运动的机械能。
进一步的，在本实施例中，利用Simulink中自带的电机模块，按照步骤S1-S2的顺序建立电机电系统动力学仿真分析模型，并将该模型输出的电机转矩Te输出给机车机械系统模型。机车机械系统模型根据传动系统中的齿轮转速，换算得到电机转子转速ωmr，并将ωmr作为电机电系统中的机械输入。同时，电机将控制信号反馈给转矩控制器、逆变器和间接转子磁链定向控制器。
本实施例中，请参阅图3，在MATLAB中建立机车机械系统模型，其建立方法为：
机车机械系统模型为机车-轨道耦合动力学模型；
其中，机车机械系统模型包括车体、转向架、轮对、电机、齿轮传动系统及悬挂单元，在所述机车机械系统模型中，将所述车体、所述转向架、所述轮对和所述电机视为刚体。各个所述刚体之间通过悬挂实现相互作用，即：通过弹簧-阻尼单元实现各个刚体之间的相互作用。电机将力矩通过齿轮传动系统传递给轮对，在轮轨接触面产生纵向蠕滑力，转向架与车体之间通过牵引杆，使机车产生纵向运动，牵引杆用弹簧表示。牵引杆相对于水平方向的倾角使垂向和纵向运动产生耦合效应。以机车运行方向vx的运动方向为纵向，与vx垂直的方向为垂向。
采用Hertz非线性弹性接触理论计算轮轨垂向接触力：
其中，P(t)为轮轨垂向接触力；G为轮轨接触常数；δZ(t)为轮轨间的弹性压缩量。
轮轨接触弹性压缩变形计算公式：
δZ(t)＝Zw(t)-Zr(xw，t)
其中，Zw(t)，Zr(xw，t)分别表示车轮和轨道在轮轨接触点的垂向位移。
蠕滑力计算公式：
Fcreep＝P(t)·μ
其中，Fcreep为蠕滑力，μ是轮轨接触界面的黏着系数。
齿轮传动啮合力计算公式：
其中，Fm为齿轮传动啮合力；Km表示齿轮啮合刚度；Cm表示齿轮啮合阻尼。
δ表示齿轮传动误差，其计算公式为：
δi＝-Rpθpi-Rgθgi+(-1)l(Zmi-Zwi)cosα0-(-1)l(Xmi-Xwi)sinα0-b0-ei
其中，R和θ分别表示齿轮的基圆半径和角位移；
p和g分别表示小齿轮和大齿轮；
e表示制造和装配误差；i表示第i位电机；
Zm表示电机转轴的垂向位移，Zw表示轮对的垂向位移；
Xm表示电机转轴的纵向位移，Xw表示轮对的纵向位移。
运用达朗贝尔原理，建立包括齿轮传动系统在内的机车运动方程组：
其中，M，C和K分别表示质量，阻尼和刚度矩阵；
X(t)，和/>分别表示位移，速度和加速度向量；
F(t)表示外部激励力，包括轮轨相互作用力、齿轮啮合力。
采用新型快速显式积分方法(翟方法)进行数值求解，其数值积分格式如下：
其中，Δt为时间积分步长；下标n、n-1、n+1分别代表当前步t＝nΔt时刻；上一步t＝(n-1)Δt时刻；下一步t＝(n+1)Δt时刻；ψ是控制积分方法特性的独立参数。
本发明实施例提供的仿真分析方法还包括以下步骤：
S3.转子转速反馈：将所述机车机械系统模型反馈的电机转子转速输入给所述电机。
本发明实施例还提供了一种基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析装置，其包括处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行上述的方法。
以下通过一个实例对本发明实施例提供的仿真分析方法进行进一步的说明。
在Simulink中建立电机电系统动力学仿真分析模型，在Matlab中建立机车机械传动系统模型。
本实例以某和谐电力机车为例，机车牵引力由以下等式给出：
Ftmax＝760(0≤v≤5km/h)
＝3.58885v+777.95(v＝5～62.4km/h)
＝9600×3.6/v(v＝62.4～120km/h)
其中，Ftmax表示最大的牵引力；
Ft表示牵引力；N表示牵引操纵级位。
本实例中，选用的操纵级位为13级，其牵引特性曲线如图4所示。
本实例中，电机电系统动力学仿真分析模型所用于仿真分析的对象电机参数如表1。
表1机车牵引电机主要参数
| 主要参数 | 数值 |
| 额定功率(kW) | 1404 |
| 额定电压(V) | 1391 |
| 额定电流(A) | 577.8 |
| 额定转速(r·min-1) | 1315 |
| 额定频率(Hz) | 66.6 |
| 极对数 | 3 |
| 定子电阻(mΩ) | 18.5 |
| 定子电感(mH) | 0.198 |
| 转子电阻(mΩ) | 18.5 |
| 转子电感(mH) | 0.198 |
| 定转子互感(mH) | 7.75 |
机车机械系统模型所用于仿真的对象齿轮传动系统的齿轮参数如表2。
表2齿轮传动系统主要参数
将表1和表2中的具体数值赋予电机电系统动力学仿真分析模型和机车机械系统模型，进行运算分析。
运算中，电机电系统动力学仿真模型将根据上述的数值，按照步骤S1-步骤S2的顺序，调节电机转矩，并将步骤S2中所得到的电机转矩Te作为机车机械系统模型的输入参数，并将控制信号T*和ψ反馈给转矩控制器、逆变器和间接转子磁链定向控制器。机车机械系统模型中，根据齿轮转速得到的电机转子转速亦将作为电机电系统动力学仿真模型中的电机的机械输入。
具体的，根据建立的基于驱动系统的机电耦合的铁路机车系统动力学仿真分析方法，使机车由操纵级位0逐渐加到13，机车加速行驶至车速60km/s后保持匀速行驶，此时电机转子频率为30Hz，齿轮啮合频率为690.6Hz，仿真时间为50s，采样频率25000Hz。取匀速状态其中5s仿真数据进行分析，并对牵引电机电控系统及机械传动系统部分参数进行频谱分析。
如图5、图6、图7所示，本发明提供的机电耦合动力学仿真分析方法能够精确地反应驱动系统的动力学响应特性。其中，电机定子a相电流频谱图表明，经过机电耦合效应后，传动系统齿轮啮合频率690.6Hz已经被基频91.2Hz调制成为啮合频率相关频率599.4Hz和781.8Hz，即690.6±91.2Hz。
本发明另一有益效果在于能够通过牵引电机电控系统参数反应驱动系统的故障特征，为实现通过牵引电机电控信号监测和诊断驱动系统故障的工程实践应用奠定理论基础。如图8所示，当给齿轮传动系统的小齿轮，即与电机转子相连接的齿轮的单个轮齿添加裂纹故障时，此时的齿轮裂纹故障的频率与电机转子的频率一致，即30Hz。图8能清楚地反应啮合相关频率以及齿轮故障频率30Hz经主频调制过的相关频率149-119Hz，331.4-301.4Hz，571.6-541.6Hz以及661.6Hz-631.6Hz。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
电机转矩计算：根据操纵级位和运行速度计算机车所需牵引力，并根据所述所需牵引力得到电机转矩；
输出电机转矩：根据所述电机转矩计算步骤中得到的电机转矩值，得到电机所需的电流，电机控制系统输出所需的电流给电机，使得所述电机能够输出分析所需的电机转矩给机车机械系统模型；
转子转速反馈：将所述机车机械系统模型反馈的电机转子转速输入给所述电机；
在所述电机转矩计算步骤中，根据所述所需牵引力得到电机转矩之后，还包括以下步骤：
根据机车的轮对角速度和车速判断机车是否进行打滑，并进行滑移控制，从而调整计算所得的电机转矩；
在所述输出电机转矩步骤中：
根据调整后的电机转矩值，得到电机所需的电流；
在所述输出电机转矩步骤中：
根据计算得到的电机转矩值确定控制信号，将控制信号输入给间接转子磁链定向控制器，整流器整流后的直流电源经过逆变器以及间接转子磁链定向控制器的控制信号，输出三相电流给电机，从而使电机输出分析所需的电机转矩给机车机械系统模型。
2.根据权利要求1所述的基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，其特征在于，所述电机将所述控制信号反馈给转矩控制器、逆变器和间接转子磁链定向控制器。
3.根据权利要求1所述的基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，其特征在于：
所述机车机械系统模型为机车-轨道耦合动力学模型。
4.根据权利要求3所述的基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，其特征在于：
所述机车机械系统模型包括车体、转向架、轮对、电机、齿轮传动系统及悬挂单元，在所述机车机械系统模型中，将所述车体、所述转向架、所述轮对和所述电机视为刚体，各个所述刚体之间通过悬挂实现相互作用。
5.根据权利要求3或4所述的基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，其特征在于，在所述机车机械系统模型中，采用Hertz非线性弹性接触理论计算轮轨垂向接触力：
其中，G为轮轨接触常数；δZ(t)为轮轨间的弹性压缩量；
轮轨接触弹性压缩变形计算公式：
δZ(t)＝Zw(t)-Zr(xw,t)
其中，Zw，Zr分别表示车轮和轨道在轮轨接触点的垂向位移；
蠕滑力计算公式：
Fcreep＝P(t)·μ
其中，μ是轮轨接触界面的黏着系数。
6.根据权利要求5所述的基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，其特征在于，齿轮传动啮合力计算方法为：
齿轮传动啮合力计算公式：
其中，Km、Cm表示齿轮啮合刚度和阻尼；
δ表示齿轮传动误差，其计算公式为：
δi＝-Rpθpi-Rgθgi+(-1)i(Zmi-Zwi)cosα0-(-1)i(Xmi-Xwi)sinα0-b0-ei
其中，R和θ分别表示齿轮的基圆半径和角位移；
p和g分别表示小齿轮和大齿轮；
e表示制造和装配误差；i表示第i位电机。
7.根据权利要求6所述的基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，其特征在于，建立包括齿轮传动系统在内的机车运动方程组：
其中，M，C和K分别表示质量，阻尼和刚度矩阵；
X(t)，和/>分别表示位移，速度和加速度向量；
F(t)表示外部激励力，包括轮轨相互作用力、齿轮啮合力；
求解上述方程组。
8.一种基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析装置，其特征在于，包括处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行权利要求1至7中任一项所述的方法。
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