CN112104284A - 一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制方法及系统，本发明的方法包括：建立架控模式下城轨列车的双轴动力学模型以及牵引电机并联运行下的负载模型；根据列车运行工况判断模型的两个动轴中更易发生空转的动轴，并将其转子角速度作为参考转子角速度；根据列车运行的轨面状态对司控牵引力矩进行优化控制，得到牵引电机控制所需的转矩给定值；得到牵引电机控制所需的励磁给定值；根据参考转子角速度、转矩给定值和励磁给定值，进行矢量控制和脉宽调制，获得牵引变流器控制所需的驱动脉冲，对模型的两个牵引电机进行控制；本发明可以真实模拟轮轨间的黏着状况和车体动力学特征，以验证牵引控制策略的正确性。

Description

一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制方法及系统

技术领域

本发明属于城轨列车牵引控制技术领域，具体涉及一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制方法及系统。

背景技术

进入21世纪以来，随着我国现代化建设和社会经济的飞速发展，现代城市人口大量增加、地域不断扩大，城市交通堵塞问题日益突出，交通事故、噪音和空气污染等影响着人们的工作和生活。城市轨道交通在优化城市空间结构、缓解城市交通拥挤、保护环境等方面均显示出积极促进作用，已日益成为中国走新型城镇化道路的重要战略举措。伴随着中国城市化进程的加快，城市交通需求剧增，城市轨道交通也进入高速发展时期，因其具有运量大、快捷、安全、舒适、乘坐方便、对环境污染少、占地面积小等诸多优点而受到越来越多城市的青睐。

在通常意义下黏着力是指两个接触物体之间的附着力，而在铁路系统中黏着力的定义为：在车轮和轨道保持接触状态同时不发生空转和滑行的情况下，轮轨之间所能提供的最大牵引力。如图1所示，在轴重W_g的作用下，轮轨接触部位发生弹性变形，形成椭圆形接触区。当车轮在驱动力矩T作用下向前滚动时，轮轨材料在接触区附近发生弹性变形，从而在接触面上产生切向力F_u使车轮滚动前进，轮轨接触的这种既有滚动又有滑动的状态被称为黏着。只有轮轨间处于黏着状态，才能产生黏着力，进而形成使机车车辆前进的最终动力。

城轨列车牵引控制系统是分级控制的，如图2所示，主要分为两级：I、列车及车辆级；II、传动控制级。前者主要完成列车有关牵引的控制指令及状态的发出与传输、车辆级的故障诊断及网络通信等，后者主要完成对逆变器及牵引电机的实时控制、黏着控制、制动斩波控制等。现代机车的牵引控制中，黏着控制是机车牵引传动控制的一个重要环节。它的主要作用是在线路状况变化不定的情况下，通过对电机速度、电机转矩等信息的采集、分析和处理，结合由司机给出的电机转矩指令，向牵引电机控制系统发出恰当的电机转矩给定，使得列车能够以线路当前最大的黏着因数运行，从而获得更大的黏着利用率，提高列车运行的整体牵引力。对于“牵引控制”而言，缺少了“黏着控制”的牵引电机控制策略即使性能优异也无法有效地应用于实际的列车之中。

目前有关黏着控制方面的技术研究，为了简化受力分析，主要采用轮轨的单轴动力学模型，然而单轴模型仅适合于一台变流器驱动一个电机动轴的情形。由于牵引逆变器成本比较高、车辆空间有限，实际的城轨列车采用的传动方式，普遍流行的是架控模式，即每节列车有两台牵引变流器，每台牵引变流器驱动同一转向架上的两个动轴即两台牵引电机并联运行。理想情况下，两台牵引电机负载分配相同，各电机的功率亦应相同，但实际工程应用中，并联电机功率偏差的情况经常出现，即使忽略电机间的特性差异，两个动轴轮径差也必然造成两台牵引电机的负载不平衡。通常在牵引过程中，大轮径轮对上的牵引电机转矩轮对的黏着力矩比较大，因而极易发生空转。在制动过程中，小轮径轮对上的牵引电机转矩轮对的黏着力矩比较大，因而极易发生打滑，不仅会增加轮轨磨损，而且影响旅客乘坐的舒适度。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1，建立架控模式下城轨列车的双轴动力学模型以及牵引电机并联运行下的负载模型，以模拟城轨列车的真实运行情况以及架控模式下牵引电机的真实负载；

步骤S2，根据列车运行工况判断模型的两个动轴中更易发生空转的动轴，并将其转子角速度作为参考转子角速度；

步骤S3，根据列车运行的轨面状态对司控牵引力矩进行优化控制，得到牵引电机控制所需的转矩给定值；

步骤S4，根据列车车速和电机转速信号，计算出模型的两个动轮的轮径差以及转矩不平衡度，并根据转矩不平衡度对牵引电机进行励磁补偿，得到牵引电机控制所需的励磁给定值；

步骤S5，根据参考转子角速度、转矩给定值和励磁给定值，进行矢量控制和脉宽调制，获得牵引变流器控制所需的驱动脉冲，对模型的两个牵引电机进行控制。

优选的，本发明的步骤S1建立的架控模式下城轨列车的双轴动力学模型的数学表达式如下：

式中，M_BG为转向架轴重及平均载荷质量，μ₁为动轮1与轨道间的黏着系数，μ₂为动轮2与轨道间的黏着系数，ω₁为牵引电机1的转子角速度，ω₂为牵引电机2的转子角速度，r₁为动轮1的轮对半径，r₂为动轮2的轮对半径，T_m1为电机1的转矩，T_m2为电机2的转矩，ω_s为同步角速度，v_t为列车车体速度，J_m为归算到电机侧后的等效电机转矩惯量，B为电机粘滞摩擦系数，C为运行阻力系数，R_g为齿轮箱传动比，F_μ1为动轮1与轨道间产生的粘着力，F_μ2为动轮2与轨道间产生的粘着力。

优选的，本发明的步骤S1建立的牵引电机并联运行下的负载模型为：

架控模式下，由同一台牵引变流器驱动同一转向架下并联的两台牵引电机运行，齿轮箱、动轴、转向架和车体连接而成的机械装置形成牵引电机的负荷，两台牵引电机的负载转矩满足下式：

式中，T_L1为电机1的负载转矩，T_L2为电机2的负载转矩，T_m1为电机1的转矩，r₁为动轮1的轮对半径，r₂为动轮2的轮对半径，ω_sl为转差角速度，ω₁为牵引电机1的转子角速度。

优选的，本发明的步骤S2具体包括：

当司控牵引力矩指令T^*>牵引力矩阈值T₁时，则列车运行工况为牵引工况，选取架控并联的两台牵引电机中转子角速度的最小值作为参考转子角速度，即ω＝min(ω₁,ω₂)；

当司控牵引力矩指令T^*<制动力矩阈值T₂时，则列车运行工况为牵引工况，选取架控并联的两台牵引电机中转子角速度的最小值作为参考转子角速度，即ω＝min(ω₁,ω₂)；

当牵引力矩阈值T₁>司控牵引力矩指令T^*>制动力矩阈值T₂，则列车运行工况为惰性工况，选取架控并联的两台牵引电机转子角速度的平均值，即ω＝(ω₁+ω₂)/2；

其中，ω₁为牵引电机1的转子角速度，ω₂为牵引电机2的转子角速度，ω为参考转子角速度。

优选的，本发明的步骤S3具体包括：

通过全维状态观测器计算出所述参考转子角速度选择模块选取的更易打滑的牵引电机的负载转矩；

根据两台牵引电机的负载转矩条件计算出另一牵引电机的负载转矩；

基于两台电机的负载转矩计算得到蠕滑速度参考值；

蠕滑速度参考值与蠕滑速度实际值的差经过调节得到牵引电机力矩值的补偿量；

基于司控牵引力矩和牵引电机力矩值的补充量得到电机控制所需的转矩给定信号。

优选的，本发明的步骤S5具体包括：

根据牵引变流器输出的两相电流，通过三相静止两相旋转变换，得到定子电流旋转d、q坐标系的量i_ds、i_qs，并计算得到定子电流的励磁分量ψ_rd；

根据转矩给定值T^* _m计算得到定子电流转矩分量给定值i^* _qs，由定子电流转矩分量给定值i^* _qs和励磁给定ψ^* _m计算得到转差频率给定值ω_sl，对转差频率给定值ω_sl与转子频率ω的和进行积分得到转子磁链的位置角θ，作为下次旋转变换的变换角；

将转矩分量给定值i^* _qs和励磁给定值ψ^* _m分别与变换得到的i_qs和ψ_rd比较后得到dq坐标系的电压分量V_qs和V_ds，根据dq坐标系的电压分量V_qs和V_ds及偏差解耦项V_sqc和V_sdc，进行反旋转变换，得到α、β坐标系的电压分量；

将α、β坐标系的电压分量送入牵引变流器进行脉宽调制，得到牵引变流器的驱动脉冲。

另一方面，本发明还提出了一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制系统，该系统包括再黏着优化控制模块、并联电机控制模块、参考转子角速度选择模块、电机矢量控制模块和仿真模块；

所述仿真模块用于建立架控模式下城轨列车的双轴动力学模型以及牵引电机并联运行下的负载模型，以模拟城轨列车的真实运行情况以及架控模式下牵引电机的真实负载；

所述参考转子角速度选择模块用于根据列车运行工况判断模型的两个动轴中更易发生空转的动轴，并将其转子角速度作为参考转子角速度；

所述再黏着优化控制模块用于根据列车运行的轨面状态对司控牵引力矩进行优化控制，得到牵引电机控制所需的转矩给定值；

所述并联电机控制模块根据列车车速和电机转速信号，计算出模型的两个动轮的轮径差以及转矩不平衡度，并根据转矩不平衡度对牵引电机进行励磁补偿，得到牵引电机控制所需的励磁给定值；

所述电机矢量控制模块根据参考转子角速度、转矩给定值和励磁给定值，进行矢量控制和脉宽调制，获得牵引变流器控制所需的驱动脉冲，对模型的两个牵引电机进行控制。

优选的，本发明的仿真模块建立的架控模式下城轨列车的双轴动力学模型的数学表达式如下：

式中，M_BG为转向架轴重及平均载荷质量，μ₁为动轮1与轨道间的黏着系数，μ₂为动轮2与轨道间的黏着系数，ω₁为牵引电机1的转子角速度，ω₂为牵引电机2的转子角速度，r₁为动轮1的轮对半径，r₂为动轮2的轮对半径，T_m1为电机1的转矩，T_m2为电机2的转矩，ω_s为同步角速度，v_t为列车车体速度，J_m为归算到电机侧后的等效电机转矩惯量，B为电机粘滞摩擦系数，C为运行阻力系数，R_g为齿轮箱传动比，F_μ1为动轮1与轨道间产生的粘着力，F_μ2为动轮2与轨道间产生的粘着力。

优选的，本发明的仿真模块建立的牵引电机并联运行下的负载模型为：

架控模式下，由同一台牵引变流器驱动同一转向架下并联的两台牵引电机运行，齿轮箱、动轴、转向架和车体连接而成的机械装置形成牵引电机的负荷，两台牵引电机的负载转矩满足下式：

式中，T_L1为电机1的负载转矩，T_L2为电机2的负载转矩，T_m1为电机1的转矩，r₁为动轮1的轮对半径，r₂为动轮2的轮对半径，ω_sl为转差角速度，ω₁为牵引电机1的转子角速度。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明针对现有黏着控制中单动轴模型的不足，建立了城轨列车架控模式下的“双动轴模型”，并提出了一种在架控模式下的两台牵引电机的负载建模方法，建立了两牵引电机的负载转矩的制约关系，可以真实模拟轮轨间的黏着状况和车体动力学特征，以验证牵引控制策略的正确性。

2、本发明针对目前城轨列车普遍采用的架控的驱动模式。将黏着控制与城轨列车的实际牵引传动系统相结合，提出基于架控模式下的城轨列车黏着控制方法，充分考虑了转向架下的机械制约关系及牵引电机的特性差异，可有效地降低并联电机间转矩不平衡，并能够提高整体的粘着利用率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的轮轨间粘着力的产生原理示意图。

图2为本发明的黏着控制在机车牵引控制系统中的位置图；

图3为本发明的基于架控模式下的城轨列车黏着控制方法流程示意图；

图4为本发明构建的架控模式下的双动轴模型图；

图5为本发明的城轨列车牵引传动控制系统组成图；

图6为本发明的并联牵引电机负载转矩模型的框图；

图7为本发明的基于架控模式下的城轨列车黏着控制系统原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

相较于现有的黏着控制采用单轴动力学模型，而单轴模型仅适应于一台变流器驱动一个电机动轴的情形，与架控模式下的城轨列车实际运行不相符，从而给出的黏着控制策略无法有效应用于实际的列车之中。本实施例提出了一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制方法，基于架控模式下城轨列车的双轴动力学模型及牵引电机负载模型进行黏着控制，能够有效应用于实际的列车之中。

具体如图3所示，本实施例的黏着控制方法包括以下步骤：

步骤S1，建立架控模式下城轨列车的双轴动力学模型以及牵引电机并联运行下的负载模型，以模拟城轨列车的真实运行情况以及架控模式下牵引电机的真实负载。

本实施例的步骤S1具体包括：

1、城轨列车的单轴动力学模型

由于列车车轮和钢轨的接触面上出现一定的车轮相对车体的切向运动即蠕滑现象，这种切向运动速度称为蠕滑速度，用公式表示为：

v_slip＝v_d-v_t (1)

黏着力公式：

F_μ＝μ×M_A×g (2)

牵引电机转动方程：

J_m×dω/dt＝T_m-T_L-Bω (3)

T_L＝F_μ×r/R_g＝μ×M_A×g×r/R_g (4)

车体运动方程：

其中，v_slip为蠕滑速度、v_d为动车车轮线速度，v_t为列车车体速度，Fμ为轮轨间产生的粘着力，μ为粘着因数，M_A为轴重及平均载荷的总质量，J_m为归算到电机侧后的等效电机转矩惯量，ω为牵引电机角转速，T_m为电机电磁转矩，T_L为电机负载转矩，B为电机粘滞摩擦系数，C为运行阻力系数，r为动轴车轮半径，R_g为齿轮箱传动比。

2.架控模式下城轨列车的双轴动力学模型

为了研究并模拟地铁动车牵引传动的再粘着优化控制，应该采用更符合实际车辆的架控“双轴模型”，如图4所示，根据单轴模型推导双轴模型的数学表达式如下：

其中，M_BG为转向架轴重及平均载荷质量，μ₁、μ₂为动轮1、2与轨道间的黏着系数，ω₁、ω₂为电机1、2的转子角速度，r₁、r₂分别为动轮1、2的轮对半径，T_m1、T_m2分别为电机的转矩，ω_s为同步角速度，F_μ1为动轮1与轨道间产生的粘着力，F_μ2为动轮2与轨道间产生的粘着力。

式(6)用转速、转矩关系式表征了同一转向架上两台牵引电机轴端通过齿轮箱与动轴连接间的联系，实际上描述的是转向架的机械制约关系，这是架控模式下双轴模型的约束条件。

3.并联牵引电机的负载建模

转向架是城轨列车最重要的部件之一，一般包含两个动轴，它直接承载车体重量，实现了由车轮滚动到车体径向运动的转换。牵引电机一般是抱轴悬挂在动轴上，通过齿轮箱传动牵引制动力。“架控”模式下，由一台牵引变流器驱动同一转向架下的两台牵引电机运行。齿轮箱、动轴、转向架、车体等机械装置连接形成了地铁牵引传动系统牵引电机的特定负载。

实际城轨列车运行时，由于机械结构的制约，同一转向架上两个车轮轮缘线速度是近似相等的，因此：

ω₁×r₁/R_g≈ω₂×r₂/R_g (7)

设两台牵引电机特性完全相同，并且忽略电机粘滞摩擦系数影响，那么两台电机的转动方程分别为：

T_m1-T_L1＝J_m×dω₁/dt (8)

T_m2-T_L2＝J_m×dω₂/dt (9)

将等式(8)、(9)两边进行微分处理，那么：

将上式代入式(8)，并与式(9)联立，于是：

设同一转向架下两台牵引电机特性完全相同或相近，且忽略定子电阻R_s和漏感L_ls，并承认在低转差范围内，气隙磁链ψ_m可通过下式给出：

Ψ_m＝U_s/ω_s (12)

那么感应电机的电磁转矩T_m：

其中，P为电机极数，R_r为转子电阻，U_s为定子电压，ω_s为同步角速度，ω_sl为转差角速度。

因为同一转向架下并联的两台牵引电机由一台牵引变流器拖动，因此，对应电机1、2的转矩T_m1和T_m2，式(13)中U_s和ω_s是相同的，因此

即：

此处需根据步骤三中所述参考转子角速度选择模块，ω将选择电机1、2中最容易发生空转打滑的动轴电机转速，此处假设“牵引工况，r₁>r₂”，因此

ω＝ω₁ (16)

即同步角速度：

ω_s＝ω₁+ω_sl (17)

根据式知：

ω₂＝ω₁·r₂/r₁ (18)

将式(17)、(18)代入式(15)中：

将式(19)代入式(11)中，得：

整理得：

所以，为了真实模拟地铁转向架的机械制约关系，两台电机的负载转矩应满足式(21)的关系。图5所示为地铁并联牵引电机负载转矩模型的框图。

基于本实施例步骤S1构建的架控模式下的城轨列车双轴动力学模型及牵引电机负载模型，进行城轨列车牵引传动系统控制，如图6所示。

步骤S2，根据列车运行工况判断模型的两个动轴中更易发生空转的动轴，并将其转子角速度作为参考转子角速度。

本实施例的步骤S2的判断过程如下：

司控牵引力矩指令T^*>牵引力矩阈值T₁，则为牵引工况，应选取架控并联的两台牵引电机中转子角速度的最小值，即ω＝min(ω₁,ω₂)

司控牵引力矩指令T^*<制动力矩阈值T₂，则为制动工况，应当选取架控并联的两台牵引电机中转子角速度的最大值，即ω＝max(ω₁,ω₂)。

牵引力矩阈值T^*>司控牵引力矩指令T^*>制动力矩阈值T₂，则为惰性工况，选择两台牵引电机转子角速度的平均值，即ω＝(ω₁+ω₂)/2。

步骤S3，再黏着优化控制策略：根据列车运行的轨面状态对司控牵引力矩进行优化控制，得到牵引电机控制所需的转矩给定值。

如图7所示，本实施例的步骤S3的再黏着优化控制过程具体包括：

(1)通过全维状态观测器观测出步骤S2中判断出更易打滑牵引电机的负载转矩，此处假设为牵引电机1。

牵引电机的转动方程

式中，J_m为电机惯性常量；ω₁为电机转子角转速；T_m为电机电磁转矩；T_L1为电机1负载转矩；B为电机粘滞系数。

负载转矩扰动的变化时间常数远大于控制器的时间常数，将牵引电机等效负载转矩T_L1作为一常数，得到如下状态空间表达式：

由上式可知，状态矢量[ω₁T_L1]可由T_m和ω₁进行重构，基于上式构造具有反馈增益矩阵的全维状态观测器如下：

因此得到：

式中：

即为观测到的电机等效负载转矩；p₁、p₂为状态观测器的极点。观测得到后，由公式μ＝Fμ/Wg(W为平均轴重，g为重力加速度常数)、公式(4)可推得黏着系数的观测值：

当根据上述步骤求出牵引电机1的负载转矩T_L1后，牵引电机2的负载转矩T_L2由步骤一中公式(21)得出。需要指出的是，如果步骤S2中判断牵引电机2所在的动轴更容易发生空转或打滑现象(如制动工况，r₁<r₂)，那么牵引电机2的负载转矩T_L2必须通过全维状态观测器计算得到，然后反过来根据式(21)，计算得到牵引电机1的负载转矩T_L1。

(2)计算蠕滑速度参考值v_slip(ref)，并得出转矩给定值T^* _m

如果dv_slip/dt≈0，那么：

dv_slip/dt＝β×sign(dv_slip/dt)； (27)

否则，直接计算dμ/dv_slip，然后：

v_slip(k+1)＝v_slip(k)+α×dμ/dv_slip) (28)

其中，α、β为修正常数，模型中均取值1e^-5，v_slip(k+1)即为计算出的参考蠕滑速度v_slip(ref)，蠕滑速度参考值v_slip(ref)与其实际值v_slip的差经过PI调节器可得牵引电机力矩指令值的补偿量ΔT：

式中k_p、k_i为PI调节器的参数。其结果ΔT与司控手柄指T^*做加法，即得出电机控制所需的转矩给定信号T^* _m。

步骤S4，根据列车车速和电机转速信号，计算出模型的两个动轮的轮径差以及转矩不平衡度，并根据转矩不平衡度对牵引电机进行励磁补偿，得到牵引电机控制所需的励磁给定值。

如图7所示，本实施例的步骤S4的并联电机控制过程具体包括：

(1)通过列车速度v_t,两动轴车轮转速n₁、n₂计算轮径差值，并得出两电机的转矩不平衡度。

假设牵引电机1的转矩为T₁、转差率为s₁，牵引电机2的转矩为T₂、转差率为s₂，两台电机的输出转矩平均值为T，转速平均值为n，转差率平均值s，两个动轮的轮径平均值D＝(D₁+D₂)/2，轮径差ΔD＝D₁-D₂设(D₂＞D₁)

同一转向架下的两个动轮线速度是相同的，即

在交流传动牵引控制系统中，转差率s一般很小，可认为

假设同一转向架下两台牵引电机1和2特性完全一致，并且两台牵引电机由一个逆变器供电，因此它们的U₁和f是相同的，进而可知牵引电机输出转矩T与电机转差率s成正比。

即

设逆变器控制的同步速度为n_s，定义ΔT＝T₁-T，则转矩不平衡度ΔT/T为

由上式可以看出，地铁并联牵引电机的转矩不平衡,与牵引异步电动机的时间常数、逆变器供电电压及频率无关,只跟轮径差异ΔD和对电机的转差率s限制有关。轮径差ΔD不可控制,因此为了缓解并联电机间转矩不平衡,只能对转差率s仍进行控制。

(2)根据转矩不平衡度对电机进行励磁补偿

设电机控制的转矩给定为T^* _m,励磁给定为ψ^* _m,励磁电感为L_m,T_r为转子回路时间常数,i^* _qs、i^* _ds分别为定子电流转矩给定分量和磁通给定分量,P为极数,L_r为转子自感,ω为转子角速度,那么

因为，

转差频率ω_sl和转差率s等于：

根据式(34)-(37),当减少励磁给定ψ^* _m时,i^* _ds减小,由于转矩给定为T^* _m不变,i^* _qs增大,转差频率ω_sl会增大,进而转差率s也会增大,这样,通过适当地对励磁给定进行补偿,便可以增大转差率,根据式(33)可知并联电机间的转矩不平衡程度降低。

(3)得出励磁给定ψ^* _m

根据上述步中得出ΔD的大小选择磁通衰减信号Δψ，牵引电机磁通给定ψ^*是车速的函数，可通过查表获得，它与Δψ的差值作为电机矢量控制所需的磁通给定指令ψ^* _m。

步骤S5，根据参考转子角速度、转矩给定值和励磁给定值，进行矢量控制和脉宽调制，获得牵引变流器控制所需的驱动脉冲，对模型的两个牵引电机进行控制。

本实施例的步骤S5的控制过程具体包括：

电机控制模块综合转矩给定T^* _m和励磁给定ψ^* _m,,通过矢量控制和SVPWM调制,获得逆变器控制所需的驱动脉冲。原理如图7所示。

(1)根据牵引变流器输出的两相电流，通过三相静止两相旋转变换，得到定子电流旋转d、q坐标系的量i_ds、i_qs，并计算得到定子电流的励磁分量ψ_rd；

(2)根据转矩给定值T^* _m计算得到定子电流转矩分量给定值i^* _qs，由定子电流转矩分量给定值i^* _qs和励磁给定ψ^* _m计算得到转差频率给定值ω_sl，对转差频率给定值ω_sl与转子频率ω的和进行积分得到转子磁链的位置角θ，作为下次旋转变换的变换角；

(3)将转矩分量给定值i^* _qs和励磁给定值ψ^* _m分别与变换得到的i_qs和ψ_rd比较后得到dq坐标系的电压分量V_qs和V_ds，根据dq坐标系的电压分量V_qs和V_ds及偏差解耦项V_sqc和V_sdc，进行反旋转变换，得到α、β坐标系的电压分量；

(4)将α、β坐标系的电压分量送入牵引变流器进行脉宽调制，得到牵引变流器的驱动脉冲。

实施例2

本实施例提出了一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制系统，如图7所示，本实施例的系统包括再黏着优化控制模块、并联电机控制模块、参考转子角速度选择模块、电机矢量控制模块和仿真模块。

本实施例的仿真模块用于建立架控模式下城轨列车的双轴动力学模型以及牵引电机并联运行下的负载模型，以模拟城轨列车的真实运行情况以及架控模式下牵引电机的真实负载；即本实施例的仿真模块被配置为执行上述实施例1的步骤S1。

本实施例的参考转子角速度选择模块用于根据列车运行工况判断模型的两个动轴中更易发生空转的动轴，并将其转子角速度作为参考转子角速度；即本实施例的参考转子角速度选择模块被配置为执行上述实施例1的步骤S2。

本实施例的再黏着优化控制模块用于根据列车运行的轨面状态对司控牵引力矩进行优化控制，得到牵引电机控制所需的转矩给定值；即本实施例的再黏着优化控制模块被配置为执行上述实施例1的步骤S3。

本实施例的并联电机控制模块根据列车车速和电机转速信号，计算出模型的两个动轮的轮径差以及转矩不平衡度，并根据转矩不平衡度对牵引电机进行励磁补偿，得到牵引电机控制所需的励磁给定值；即本实施例的并联电机控制模块被配置为执行上述实施例1的步骤S4。

本实施例的电机矢量控制模块根据参考转子角速度、转矩给定值和励磁给定值，进行矢量控制和脉宽调制，获得牵引变流器控制所需的驱动脉冲，对模型的两个牵引电机进行控制；即本实施例的电机矢量控制模块被配置为执行上述实施例1的步骤S5。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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方式，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方式而已，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 (9)

1.一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1，建立架控模式下城轨列车的双轴动力学模型以及牵引电机并联运行下的负载模型，以模拟城轨列车的真实运行情况以及架控模式下牵引电机的真实负载；

步骤S2，根据列车运行工况判断模型的两个动轴中更易发生空转的动轴，并将其转子角速度作为参考转子角速度；

步骤S3，根据列车运行的轨面状态对司控牵引力矩进行优化控制，得到牵引电机控制所需的转矩给定值；

步骤S4，根据列车车速和电机转速信号，计算出模型的两个动轮的轮径差以及转矩不平衡度，并根据转矩不平衡度对牵引电机进行励磁补偿，得到牵引电机控制所需的励磁给定值；

步骤S5，根据参考转子角速度、转矩给定值和励磁给定值，进行矢量控制和脉宽调制，获得牵引变流器控制所需的驱动脉冲，对模型的两个牵引电机进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制方法，其特征在于，所述步骤S1建立的架控模式下城轨列车的双轴动力学模型的数学表达式如下：

式中，M_BG为转向架轴重及平均载荷质量，μ₁为动轮1与轨道间的黏着系数，μ₂为动轮2与轨道间的黏着系数，ω₁为牵引电机1的转子角速度，ω₂为牵引电机2的转子角速度，r₁为动轮1的轮对半径，r₂为动轮2的轮对半径，T_m1为牵引电机1的转矩，T_m2为牵引电机2的转矩，ω_s为同步角速度，v_t为列车车体速度，J_m为归算到电机侧后的等效电机转矩惯量，B为电机粘滞摩擦系数，C为运行阻力系数，R_g为齿轮箱传动比，F_μ1为动轮1与轨道间产生的粘着力，F_μ2为动轮2与轨道间产生的粘着力。

3.根据权利要求1所述的一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制方法，其特征在于，所述步骤S1建立的牵引电机并联运行下的负载模型为：

架控模式下，由同一台牵引变流器驱动同一转向架下并联的两台牵引电机运行，齿轮箱、动轴、转向架和车体连接而成的机械装置形成牵引电机的负荷，两台牵引电机的负载转矩满足下式：

式中，T_L1为牵引电机1的负载转矩，T_L2为牵引电机2的负载转矩，T_m1为牵引电机1的转矩，r₁为动轮1的轮对半径，r₂为动轮2的轮对半径，ω_sl为转差角速度，ω₁为牵引电机1的转子角速度。

4.根据权利要求1所述的一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

当司控牵引力矩指令T^*>牵引力矩阈值T₁时，则列车运行工况为牵引工况，选取架控并联的两台牵引电机中转子角速度的最小值作为参考转子角速度，即ω＝min(ω₁,ω₂)；

当司控牵引力矩指令T^*<制动力矩阈值T₂时，则列车运行工况为牵引工况，选取架控并联的两台牵引电机中转子角速度的最小值作为参考转子角速度，即ω＝min(ω₁,ω₂)；

当牵引力矩阈值T₁>司控牵引力矩指令T^*>制动力矩阈值T₂，则列车运行工况为惰性工况，选取架控并联的两台牵引电机转子角速度的平均值，即ω＝(ω₁+ω₂)/2；

其中，ω₁为牵引电机1的转子角速度，ω₂为牵引电机2的转子角速度，ω为参考转子角速度。

5.根据权利要求1所述的一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

通过全维状态观测器计算出所述参考转子角速度选择模块选取的更易打滑的牵引电机的负载转矩；

根据两台牵引电机的负载转矩条件计算出另一牵引电机的负载转矩；

基于两台电机的负载转矩计算得到蠕滑速度参考值；

蠕滑速度参考值与蠕滑速度实际值的差经过调节得到牵引电机力矩值的补偿量；

基于司控牵引力矩和牵引电机力矩值的补充量得到电机控制所需的转矩给定信号。

6.根据权利要求1所述的一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

根据牵引变流器输出的两相电流，通过三相静止两相旋转变换，得到定子电流旋转d、q坐标系的量i_ds、i_qs，并计算得到定子电流的励磁分量ψ_rd；

根据转矩给定值T^* _m计算得到定子电流转矩分量给定值i^* _qs，由定子电流转矩分量给定值i^* _qs和励磁给定ψ^* _m计算得到转差频率给定值ω_sl，对转差频率给定值ω_sl与转子频率ω的和进行积分得到转子磁链的位置角θ，作为下次旋转变换的变换角；

将转矩分量给定值i^* _qs和励磁给定值ψ^* _m分别与变换得到的i_qs和ψ_rd比较后得到dq坐标系的电压分量V_qs和V_ds，根据dq坐标系的电压分量V_qs和V_ds及偏差解耦项V_sqc和V_sdc，进行反旋转变换，得到α、β坐标系的电压分量；

将α、β坐标系的电压分量送入牵引变流器进行脉宽调制，得到牵引变流器的驱动脉冲。

7.一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制系统，其特征在于，该系统包括再黏着优化控制模块、并联电机控制模块、参考转子角速度选择模块、电机矢量控制模块和仿真模块；

所述仿真模块用于建立架控模式下城轨列车的双轴动力学模型以及牵引电机并联运行下的负载模型，以模拟城轨列车的真实运行情况以及架控模式下牵引电机的真实负载；

所述参考转子角速度选择模块用于根据列车运行工况判断模型的两个动轴中更易发生空转的动轴，并将其转子角速度作为参考转子角速度；

所述再黏着优化控制模块用于根据列车运行的轨面状态对司控牵引力矩进行优化控制，得到牵引电机控制所需的转矩给定值；

所述并联电机控制模块根据列车车速和电机转速信号，计算出模型的两个动轮的轮径差以及转矩不平衡度，并根据转矩不平衡度对牵引电机进行励磁补偿，得到牵引电机控制所需的励磁给定值；

所述电机矢量控制模块根据参考转子角速度、转矩给定值和励磁给定值，进行矢量控制和脉宽调制，获得牵引变流器控制所需的驱动脉冲，对模型的两个牵引电机进行控制。

8.根据权利要求7所述的一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制系统，其特征在于，所述仿真模块建立的架控模式下城轨列车的双轴动力学模型的数学表达式如下：

式中，M_BG为转向架轴重及平均载荷质量，μ₁为动轮1与轨道间的黏着系数，μ₂为动轮2与轨道间的黏着系数，ω₁为牵引电机1的转子角速度，ω₂为牵引电机2的转子角速度，r₁为动轮1的轮对半径，r₂为动轮2的轮对半径，T_m1为电机1的转矩，T_m2为电机2的转矩，ω_s为同步角速度，v_t为列车车体速度，J_m为归算到电机侧后的等效电机转矩惯量，B为电机粘滞摩擦系数，C为运行阻力系数，R_g为齿轮箱传动比，F_μ1为动轮1与轨道间产生的粘着力，F_μ2为动轮2与轨道间产生的粘着力。

9.根据权利要求7所述的一种基于架控模式下的城轨列车黏着控制系统，其特征在于，所述仿真模块建立的牵引电机并联运行下的负载模型为：

架控模式下，由同一台牵引变流器驱动同一转向架下并联的两台牵引电机运行，齿轮箱、动轴、转向架和车体连接而成的机械装置形成牵引电机的负荷，两台牵引电机的负载转矩满足下式：

式中，T_L1为电机1的负载转矩，T_L2为电机2的负载转矩，T_m1为电机1的转矩，r₁为动轮1的轮对半径，r₂为动轮2的轮对半径，ω_sl为转差角速度，ω₁为牵引电机1的转子角速度。

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