CN112373501A - 一种列车转向架抗蛇行运动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车转向架抗蛇行运动方法，包括以下步骤：S10)采集牵引电机的输入电流及当前转速信号；S20)根据牵引电机的输入电流及当前转速信号计算转向架的蛇行运动频率和幅值；S30)根据转向架的蛇行运动频率和幅值生成牵引电机谐波电流的频率与幅值信息；S40)根据牵引电机谐波电流的频率与幅值信息控制牵引变流器向牵引电机输出相应频率与幅值的谐波电流并叠加正常工作电流；S50)通过输出至牵引电机的谐波电流产生与蛇行运动同频率反相位的机械振动，从而抑制转向架的蛇行运动。本发明能够解决现有转向架抗蛇行运动方法所基于的装置结构复杂、成本高昂、可靠性不高的技术问题。

Description

一种列车转向架抗蛇行运动方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其是涉及一种基于牵引电机电流检测的列车转向架抗蛇行运动方法。

背景技术

随着经济发展布局，我国高速铁路在国内迅速发展的同时，也在积极拓展海外市场，同时高速铁路的安全性能越来越受到全球的关注。列车在高速运行状态下轮对沿着平直钢轨滚动时，会产生一种振幅有增大趋势的运动，即轮对一方面横向移动，另一方面又绕通过其质心的铅垂轴转动，这两种运动的耦合就构成轮对的蛇行运动(又称为蛇行振动)。研究转向架的蛇行运动一直是列车安全运行过程中关注的重点，一旦蛇行运动超过安全范围，将发生列车脱轨的重大事故。因此，列车蛇行运动的稳定性研究对提高车辆运行的安全性具有非常重要的意义，尤其是随着高速列车的不断提速，对高速列车转向架蛇行运动的研究已经成为高速铁路安全运行研究中的重点。

目前，经过大量的线路跟踪测试，总结出高速列车的蛇行失稳现象具体表现为：

(1)车轮镟修后多种动车组的车体存在低频率晃动现象，即车体的一次蛇行失稳，具体表现为车体低频(一般小于2Hz)晃动。

(2)车轮磨耗中、后期的转向架横向加速度超限报警，即转向架的二次蛇行失稳，具体表现为转向架高频(一般大于5Hz)抖动。

(3)两种蛇行失稳现象不会同时发生。

传统的机车车辆悬挂系统通常由弹性元件和阻尼元件组成，这些元件在工作时不需要外界提供能源，仅仅是消耗或暂时储存系统内部的能量，是一种被动工作方式，因而称之为被动悬挂。被动悬挂在衰减振动时不需要外界能源的输入，因此也被称为无源悬挂。从控制角度看，被动悬挂属于开环系统，而半主动控制悬挂属于闭环反馈控制系统。根据传感器数据，通过采用半主动控制可变阻尼减振器，合理地调节液压减振器的阻尼系数来抵制外来激扰，使减振效果处于较佳状态，减小机车车辆车体的振动，这是改善机车车辆运行品质行之有效的方法之一。

在现有技术中，主要是通过为转向架安装抗蛇行减振器来实现抗蛇行运动，而抗蛇行减振器是车辆系统中一个非常重要的部件，一般运行速度160km/h以上的转向架均需安装抗蛇行减振器。该抗蛇行减振器沿纵向对称地安装于转向架的两侧，为车辆提供回转力矩，从而抑制转向架和车体的蛇行运动，以提高列车的运行速度，并改善其动力学性能。现有抗蛇行减振器装车后，还需要在转向架上安装加速度传感器，用于测量转向架在横向、纵向和垂向的振动数据。现有技术中也给出了大量可变阻尼的抗蛇行油压减振器具体结构的技术方案。如：CN108518443A、CN207145516U、CN107420474A、CN103851121B等。通过加速度传感器数据采集后，再进行相应的数据分析，再对抗蛇行减振器施加控制，以减弱或消除蛇行运动。

上述现有技术基于传感器采集检测信号的半主动控制可变阻尼减振器，其局限性主要体现在以下两个方面：

(1)高速列车需要额外增加三个及以上的抗蛇行运动检测传感器(具体采用加速度传感器)增加了转向架的接线复杂度，增加了系统的成本，降低了系统的可靠性；

(2)高速列车需要额外增加对加速度传感器进行数据调理和数据处理的系统，因此大幅增加了系统硬件成本，增加了高速列车的复杂度，降低了高速列车的整体可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种列车转向架抗蛇行运动方法，以解决现有转向架抗蛇行运动方法所基于的装置结构复杂、成本高昂、可靠性不高的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种列车转向架抗蛇行运动方法的技术实现方案，列车转向架抗蛇行运动方法，包括以下步骤：

S10)采集牵引电机的输入电流及当前转速信号；

S20)根据所述牵引电机的输入电流及当前转速信号计算转向架的蛇行运动频率和幅值；

S30)根据所述转向架的蛇行运动频率和幅值生成牵引电机谐波电流的频率与幅值信息；

S40)根据所述牵引电机谐波电流的频率与幅值信息控制牵引变流器向牵引电机输出相应频率与幅值的谐波电流并叠加正常工作电流；

S50)通过输出至所述牵引电机的谐波电流产生与蛇行运动同频率反相位的机械振动，从而抑制所述转向架的蛇行运动。

进一步的，所述步骤S20)包括以下过程：

S201)根据当前转速信号计算牵引电机的当前转矩信号；

S202)从输入电流及当前转矩信号中提取出由所述转向架蛇行运动引起的低频谐波电流和低频扰动力矩；

S203)根据低频谐波电流和低频扰动力矩计算当前转向架的蛇行运动频率和幅值。

进一步的，在所述步骤S202)中，根据以下传递函数对输入电流信号进行高频滤波，并提取出由所述转向架蛇行运动引起的低频谐波电流：

y(t)＝k₁*x(t)+k₁*x(t-1)+k₁*x(t-2)+k₁*x(t-3)

式中，y(t)为t时刻输出的电流有效信号，x(t)为t时刻的电流离散采样信号，x(t-1)为 t-1时刻的电流离散采样信号，x(t-2)为t-2时刻的电流离散采样信号，x(t-3)为t-3时刻的电流离散采样信号，k₁为比例系数。

进一步的，在所述步骤S202)中，根据以下传递函数对当前转矩信号进行高频滤波，并提取出由所述转向架蛇行运动引起的低频扰动力矩：

y′(t)＝k₂*x′(t)+k₂*x′(t-1)+k₂*x′(t-2)+k₂*x′(t-3)

式中，y′(t)为t时刻输出的力矩有效信号，x′(t)为t时刻的力矩离散采样信号，x′(t-1) 为t-1时刻的力矩离散采样信号，x′(t-2)为t-2时刻的力矩离散采样信号，x′(t-3)为t-3时刻的力矩离散采样信号，k₂为比例系数。

进一步的，在所述步骤S203)中，根据以下公式计算当前转向架的蛇行运动频率f^v：

式中，I^f为测得牵引电机产生蛇行运动振动频率的电流有效值，f₁为牵引电机的输入电流基波频率，I₁为牵引电机的输入电流基波有效值，C(n,T,I)为扰动分离函数，n为牵引电机输入电流的谐波次数，T为力矩计算模块输出的牵引电机转矩信号，I为牵引电机的输入电流有效值，

为牵引变流器开关频率处的谐波电流值，ln()为自然对数，a为牵引电机力矩扰动分离权重系数，b为牵引电机输入电流扰动分离权重系数。

进一步的，在所述步骤S203)中，根据以下公式计算当前转向架的蛇行运动幅值A(f^v)：

式中，A(f^v)为振动频率f^v处的振动幅值，f^v2为f^v的平方，m_k为转换系数。

进一步的，所述步骤S203)中的转换系数m_k根据以下公式计算：

式中，k为离线测试中的任意测试频率，I′₁为离线测试中牵引电机的输入电流基波有效值，f^v'为离线测试中加入的转向架蛇行运动频率，A′(f^v')为离线测试中频率f^v'处测得的转向架蛇行运动幅值。

进一步的，所述牵引电机输入电流的谐波次数n≤20，牵引电机力矩扰动分离权重系数a 取0.01～1，牵引电机输入电流扰动分离权重系数b取0.01～1。

进一步的，所述步骤S203)中的转换系数m_k通过以下过程获得：

S2031)将转向架安装于振动测试台上；

S2032)将加速度传感器安装于转向架上，用于测量转向架的蛇行运动频率和幅值；

S2033)启动牵引电机运行，速度从零至最大转速，并通过振动测试台加入蛇行振动；全过程采集牵引电机的输入电流信号，以及转向架的振动频谱，计算输入电流基波有效值I′₁，并提取转向架蛇行运动频率f^v'及频率f^v'处测得的转向架蛇行运动幅值A′(f^v')；

S2034)计算频率为k＝f^v'时转换系数m_k的数值。

进一步的，所述离线测试中的任意测试频率k取0～10Hz。

通过实施上述本发明提供的列车转向架抗蛇行运动方法的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本发明采用基于牵引电机谐波电流注入的列车转向架蛇行主动控制方式，通过对悬挂于转向架的牵引电机注入谐波电流，使牵引电机产生与转向架蛇行运动同频反相的振动，从而很好地缓解和消除了转向架蛇行运动的技术问题；

(2)本发明在不增加抗蛇行减振器和其它抗蛇行硬件结构的前提下，直接根据当前悬挂系统的结构参数对牵引电机注入谐波电流，不但彻底缓解和消除了列车高速运行状态下转向架蛇行失稳的技术问题，而且大幅简化了结构，降低了成本，减少了系统故障点，提高了系统可靠性，具有重要的理论意义和工程应用价值。

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的介绍。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实施例。

图1是本发明列车转向架抗蛇行运动方法所基于的转向架的结构示意图；

图2是本发明列车转向架抗蛇行运动方法一种具体实施例的程序流程示意图；

图3是本发明列车转向架抗蛇行运动方法一种具体实施例中为转换系数m_k的子程序流程示意图；

图4是本发明方法所基于的列车转向架抗蛇行运动装置的连接结构示意图；

图5是本发明方法所基于的列车转向架抗蛇行运动系统的系统结构组成框图；

图6是本发明所基于的列车转向架抗蛇行运动装置一种具体实施例中电流信号分离子模块的结构组成框图；

图7是本发明所基于的列车转向架抗蛇行运动装置一种具体实施例中力矩扰动信号分离子模块的结构组成框图；

图8是本发明所基于的列车转向架抗蛇行运动装置一种具体实施例中谐波注入参数计算模块的结构原理框图；

图9是本发明列车转向架抗蛇行运动方法与现有抗蛇形减振器的抗蛇行运动效果对比示意图；

图中：1-轮对，2-构架，3-一系悬挂机构，4-二系悬挂机构，5-电机悬挂机构，6-牵引电机，7-电流传感器，8-转速传感器，9-加速度传感器，10-转向架，20-牵引变流器，30-悬挂机构，100-抗蛇行运动装置，101-蛇行运动数据处理模块，102-控制单元，110-力矩计算模块，120-扰动分离模块，121-电流信号分离子模块，122-力矩扰动信号分离子模块，130- 数据分析模块，131-蛇行频率计算子模块，132-蛇行幅值计算子模块，140-谐波注入参数计算模块，141-第一延时环节，142-第二延时环节，143-第三延时环节，151-第一比例环节， 152-第二比例环节，153-第三比例环节，154-第四比例环节，161-第一加法环节，162-第二加法环节，163-第三加法环节，171-第四延时环节，172-第五延时环节，173-第六延时环节， 181-第五比例环节，182-第六比例环节，183-第七比例环节，184-第八比例环节，191-第四加法环节，192-第五加法环节，193-第六加法环节，140-谐波注入参数计算模块。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图9所示，给出了本发明列车转向架抗蛇行运动方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如附图1所示，为基于本发明列车转向架抗蛇行运动方法的转向架10的结构示意图，该转向架10包括轮对1、构架2及悬挂机构30，是具有质量、刚度、阻尼的多体系统。悬挂机构30进一步包括一系悬挂机构3、二系悬挂机构4及电机悬挂机构5。一系悬挂机构3设置于构架2与轴箱之间，包括转臂定位节点、一系弹簧和一系垂向减振器。二系悬挂机构4设置于构架2与列车的车体之间，包括空气弹簧、二系垂向减振器、二系横向减振器。牵引电机6通过电机悬挂机构5安装在转向架10上。电流传感器7、转速传感器8设置在转向架10 上，加速度传感器9设置在构架2的侧架上。其中，电流传感器7连接于牵引电机6的进线处，用于采样牵引电机6的输入电流信号。与传统动车转向架相比，实施例1描述的转向架 10减少了抗蛇行减振器，而牵引电机6的输入电流检测和转速检测是必要环节，通常由电流传感器7和转速传感器8进行检测。

如附图2所示，一种本发明列车转向架抗蛇行运动方法，具体包括以下步骤：

S10)采集牵引电机6的输入电流及当前转速信号；

S20)根据牵引电机6的输入电流及当前转速信号计算转向架10的蛇行运动频率和幅值；

S30)根据转向架10的蛇行运动频率和幅值生成牵引电机6谐波电流的频率与幅值信息；

S40)根据牵引电机6谐波电流的频率与幅值信息控制牵引变流器20向牵引电机6输出相应频率与幅值的谐波电流并叠加正常工作电流；

S50)通过输出至牵引电机6的谐波电流产生与蛇行运动同频率反相位的机械振动，从而抑制转向架10的蛇行运动。

本实施例描述的列车转向架抗蛇行运动方法基于牵引电机输入电流检测和谐波注入。牵引电机6通过电机悬挂机构5安装在转向架10上。当列车高速运行时，一旦发生转向架蛇行运动，轮对1的低频周期振动通过悬挂机构30传递至牵引电机6的转轴上，电流传感器7和转速传感器8分别采集牵引电机6的输入电流信号和当前转速信号后，再进行蛇行运动数据处理。

步骤S20)进一步包括以下过程：

S201)根据当前转速信号计算牵引电机6的当前转矩信号；

S202)从输入电流及当前转矩信号中提取出由转向架10蛇行运动引起的低频谐波电流和低频扰动力矩；

S203)根据低频谐波电流和低频扰动力矩计算当前转向架10的蛇行运动频率和幅值。

在步骤S201)中，进一步根据以下公式计算牵引电机6的当前转矩信号：

其中，n为牵引电机转速，t为时间，K为牵引电机系数常量。

根据当前转向架10的蛇行运动频率及幅值进行谐波注入参数计算，其作用是生成牵引电机谐波电流的频率与幅值信息，并控制牵引变流器20使牵引电机6输入相应频率与幅值的谐波电流叠加原正常工作电流，谐波电流将产生与转向架蛇行运动同频率反相的机械振动，从而抑制和消除转向架蛇行运动。由于转向架10通过电机悬挂机构5与牵引电机6联结在一起，因此转向架10与牵引电机6同时产生蛇行运动，并且运动频率一致。

在步骤S202)中，进一步根据以下传递函数对输入电流信号进行高频滤波，并提取出由转向架10蛇行运动引起的低频谐波电流：

y(t)＝k₁*x(t)+k₁*x(t-1)+k₁*x(t-2)+k₁*x(t-3) (1)

式中，y(t)为t时刻输出的电流有效信号，x(t)为t时刻的电流离散采样信号，x(t-1)为 t-1时刻的电流离散采样信号，x(t-2)为t-2时刻的电流离散采样信号，x(t-3)为t-3时刻的电流离散采样信号，k₁为比例系数。在本实施例中，采用数字低通FIR(FiniteImpulse Response，有限冲激响应的缩写)滤波实现对输入电流信号的数字低通滤波。作为本发明一种典型的具体实施例，比例系数k₁设置为0.1。由于低频蛇行运动的频率一般小于5Hz，而传递至牵引电机6上的扰动电流也是同频率的，所以相对于牵引电机6高速运行时的工作频率 50Hz，蛇行运动频率为低频。在本实施例中，电流信号分离(数字低通滤波)采用数字低通 FIR滤波即可，滤波的截止频率设置为小于15Hz，以保留低频成分。

在步骤S202)中，进一步根据以下传递函数对当前转矩信号进行高频滤波，将其它高频率非蛇行力矩扰动进行识别和分离，并提取出由转向架10蛇行运动引起的低频扰动力矩：

y′(t)＝k₂*x′(t)+k₂*x′(t-1)+k₂*x′(t-2)+k₂*x′(t-3) (2)

式中，y′(t)为t时刻输出的力矩有效信号，x′(t)为t时刻的力矩离散采样信号，x′(t-1) 为t-1时刻的力矩离散采样信号，x′(t-2)为t-2时刻的力矩离散采样信号，x′(t-3)为t-3时刻的力矩离散采样信号，k₂为比例系数。在本实施例中，采用数字低通FIR滤波实现对转矩信号的数字低通滤波。

需要特别说明的是，虽然此处仍然以FIR滤波为例对力矩扰动信号分离过程的数学模型进行介绍，但是也可以采用卡尔曼滤波等其他滤波方式对同频干扰进行滤波。本实施例仍然采用先对力矩的高频干扰进行滤除，也就是要滤除转向架10运行过程中轮轨之间产生的高频力矩波动，从而保留由蛇行运动引起的低频力矩波动信号。此处，由于暂不考虑同频率干扰问题，所以力矩扰动信号分离也采用FIR滤波。

在步骤S203)中，进一步根据以下公式计算当前转向架10的蛇行运动频率f^v：

式中，I^f为测得牵引电机6产生蛇行运动振动频率的电流有效值，f₁为牵引电机6的输入电流基波频率，I₁为牵引电机6的输入电流基波有效值，C(n,T,I)为扰动分离函数，n为牵引电机6输入电流的谐波次数，牵引电机输入电流的n次谐波由电流传感器7直接获得， n＝1,2,3...。T为力矩计算模块110输出的牵引电机6转矩信号，I为牵引电机6的输入电流有效值，

为牵引变流器20开关频率处的谐波电流值，ln()为自然对数，a、b为由转向架 10的结构参数，a为牵引电机力矩扰动分离权重系数，b为牵引电机输入电流扰动分离权重系数，典型取值a＝0.05，b＝0.05。对于扰动分离函数C(n,T,I)中参数n的取值，随着n增大，对应的谐波电流幅值也会降低，一般取n＝15。

在步骤S203)中，进一步根据以下公式计算当前转向架10的蛇行运动幅值A(f^v)：

式中，A(f^v)为振动频率f^v处的振动幅值，f^v2为f^v的平方，m_k为转换系数。

步骤S203)中的转换系数m_k进一步根据以下公式计算：

式中，k为离线测试中的任意测试频率，I′₁为离线测试中牵引电机6的输入电流基波有效值，f^v'为离线测试中加入的转向架蛇行运动频率，这个频率是在测试台人为施加给转向架 10的振动频率，范围通常为0～5Hz。A′(f^v')为离线测试中频率f^v'处测得的转向架蛇行运动幅值。

作为本发明一种典型的具体实施例，牵引电机6输入电流的谐波次数n≤20，牵引电机力矩扰动分离权重系数a进一步取0.01～1，牵引电机输入电流扰动分离权重系数b进一步取 0.01～1。

如附图3所示，步骤S203)中的转换系数m_k进一步通过以下过程获得：

S2031)将转向架10安装于振动测试台上；

S2032)将加速度传感器9安装于转向架10上，用于测量转向架10的蛇行运动频率和幅值；

S2033)启动牵引电机6运行，速度从0至最大转速，并通过振动测试台加入0～5Hz的蛇行振动；全过程采集牵引电机6的输入电流信号，以及转向架10的振动频谱，计算输入电流基波有效值I′₁，并提取转向架蛇行运动频率f^v'及频率f^v'处测得的转向架蛇行运动幅值 A′(f^v')；

S2034)根据公式(6)计算频率为k＝f^v'时转换系数m_k的数值。

牵引电机6运行，速度从0至最大转速，并人为加入蛇行振动0～5Hz。电流传感器7、转速传感器8采集运行全过程中，牵引电机6的电流、转速、振动，以及转向架10的振动数值(包含蛇行运动频率)。计算m_k需要测量基波电流I′₁、蛇行频率f^v'，以及蛇行幅值A′(f^v') 三个参数，根据公式(6)，I′₁即为标准的工频50Hz三相交流电电流有效值。输入量为人为产生的转向架蛇行运动频率f^v'，范围0～5Hz。在施加0～5Hz人为振动的过程中，同时记录人为产生的转向架蛇行运动幅值A′(f^v')，再将这两个量带入公式(6)，计算频率为k＝f^v'条件下的m_k数值。作为本发明一种典型的具体实施例，离线测试中的任意测试频率k进一步取 0～10Hz。

如附图9所示，为本发明实施例描述的列车转向架抗蛇行运动方法与现有抗蛇形减振器的抗蛇行运动效果数据对比。从图中可以明显看出，当列车运行速度超过300km/h时，传统抗蛇行减振器对轮对横移，也就是转向架蛇行运动的抑制能力开始急剧下降，轮对横移极限环值从列车运行速度为300km/h时的接近1mm到列车运行速度达到500km/h时的7mm。而实施例1描述的基于牵引电机谐波注入的抗蛇行运动装置100，在列车运行的整个试验速度范围内对轮对横移，也就是转向架蛇行运动一直保持极佳的抑制效果，在50～550km/h的整个试验速度范围内，轮对横移极限环值均不超过1mm。

实施例2

如附图5所示，一种基于实施例1所述方法的列车转向架抗蛇行运动装置的实施例，抗蛇行运动装置100具体包括：

电流传感器7，采集牵引电机6的输入电流信号；

转速传感器8，采集牵引电机6的当前转速信号；

蛇行运动数据处理模块101，根据牵引电机6的输入电流及当前转速信号计算转向架10 的蛇行运动频率和幅值，并生成牵引电机6谐波电流的频率与幅值信息；

控制单元102，根据牵引电机6谐波电流的频率与幅值信息控制牵引变流器20，使牵引变流器20向牵引电机6输出相应频率与幅值的谐波电流并叠加正常工作电流，该谐波电流产生与蛇行运动同频率反相位的机械振动，从而抑制转向架10的蛇行运动。

基于牵引电机输入电流检测和谐波注入的列车转向架抗蛇行运动装置系统框图如附图4 所示。牵引电机6通过电机悬挂机构5安装在转向架10上。当列车高速运行时，一旦发生转向架蛇行运动，轮对1的低频周期振动通过悬挂机构30传递至牵引电机6的转轴上，电流传感器7和转速传感器8分别采集牵引电机6的输入电流信号和当前转速信号，并传送至蛇行运动数据处理模块101。

如附图5所示，蛇行运动数据处理模块101进一步包括：

力矩计算模块110，根据转速传感器8采集的当前转速信号计算牵引电机6的当前转矩信号；

扰动分离模块120，接收电流传感器7采集的输入电流信号及力矩计算模块110输出的当前转矩信号，并从中提取出由转向架10蛇行运动引起的低频谐波电流和低频扰动力矩；

数据分析模块130，根据扰动分离模块120输出的低频谐波电流和低频扰动力矩计算当前转向架10的蛇行运动频率和幅值；

谐波注入参数计算模块140，根据数据分析模块130输出的蛇行运动频率和幅值计算牵引电机6谐波电流的频率与幅值。

力矩计算模块110进一步根据以下公式计算牵引电机6的当前转矩信号：

其中，n为牵引电机转速，t为时间，K为牵引电机系数常量。

将当前转向架10的蛇行运动频率及幅值传送至谐波注入参数计算模块140，其作用是生成牵引电机谐波电流的频率与幅值信息并输入至控制单元102，控制牵引变流器20使牵引电机6输入相应频率与幅值的谐波电流叠加原正常工作电流，谐波电流将产生与转向架蛇行运动同频率反相的机械振动，从而抑制和消除转向架蛇行运动。由于转向架10通过电机悬挂机构5与牵引电机6联结在一起，因此转向架10与牵引电机6同时产生蛇行运动，并且运动频率一致。

扰动分离模块120进一步包括电流信号分离子模块121，电流信号分离子模块121进一步包括第一延时环节141、第二延时环节142、第三延时环节143、第一比例环节151、第二比例环节152、第三比例环节153、第四比例环节154、第一加法环节161、第二加法环节162及第三加法环节163，各个环节之间按照如附图6所示的数学模型结构关系连接构成数字低通FIR滤波器。电流信号分离子模块121进一步根据以下传递函数对电流传感器7采集的电流信号(即牵引电机6的输入电流信号)进行高频滤波，滤除输入电流信号I中与低频蛇行运动频率无关的高频电流成分，从而将牵引电机6中的高频干扰电流分离，并提取出由转向架10蛇行运动引起的低频谐波电流：

y(t)＝k₁*x(t)+k₁*x(t-1)+k₁*x(t-2)+k₁*x(t-3)

式中，y(t)为电流信号分离子模块121在t时刻输出的电流有效信号，x(t)为电流信号分离子模块121在t时刻的电流离散采样信号，x(t-1)为t-1时刻的电流离散采样信号，x(t-2)为t-2时刻的电流离散采样信号，x(t-3)为t-3时刻的电流离散采样信号，k₁为电流信号分离子模块121中各个比例环节的比例系数。

作为本发明一种典型的具体实施例，各个比例环节(即乘法器)的系数设置为0.1。由于低频蛇行运动的频率一般小于5Hz，而传递至牵引电机6上的扰动电流也是同频率的，所以相对于牵引电机6高速运行时的工作频率50Hz，蛇行运动频率为低频。在本实施例中，电流信号分离子模块121采用数字低通FIR滤波器结构即可，滤波器的截止频率设置为小于15Hz，保留低频成分。

扰动分离模块120还包括力矩扰动信号分离子模块122，力矩扰动信号分离子模块122 进一步包括第四延时环节171、第五延时环节172、第六延时环节173、第五比例环节181、第六比例环节182、第七比例环节183、第八比例环节184、第四加法环节191、第五加法环节192及第六加法环节193，各环节之间按照如附图7所示的数学模型结构关系连接构成FIR 滤波器。力矩扰动信号分离子模块122进一步根据以下传递函数对力矩计算模块110输出的当前转矩信号进行高频滤波，将其它高频率非蛇行力矩扰动进行识别和分离，并提取出由转向架10蛇行运动引起的低频扰动力矩：

y′(t)＝k₂*x′(t)+k₂*x′(t-1)+k₂*x′(t-2)+k₂*x′(t-3)

式中，y′(t)为力矩扰动信号分离子模块122在t时刻输出的力矩有效信号，x′(t)为力矩扰动信号分离子模块122在t时刻的力矩离散采样信号，x′(t-1)为t-1时刻的力矩离散采样信号，x′(t-2)为t-2时刻的力矩离散采样信号，x′(t-3)为t-3时刻的力矩离散采样信号，k₂为力矩扰动信号分离子模块122中各个比例环节的比例系数。

需要特别说明的是，虽然此处仍然以FIR滤波器为例对力矩扰动信号分离子模块122的数学模型结构进行了介绍，但是也可以采用卡尔曼滤波器等其他滤波器对同频干扰进行滤波。本实施例仍然采用先对力矩的高频干扰进行滤除，也就是要滤除转向架10运行过程中轮轨之间产生的高频力矩波动，从而保留由蛇行运动引起的低频力矩波动信号。此处，由于暂不考虑同频率干扰问题，所以力矩扰动信号分离子模块也采用FIR滤波器结构。

如附图5所示，数据分析模块130进一步包括蛇行频率计算子模块131，蛇行频率计算子模块131接收扰动分离模块120输出的低频谐波电流和低频扰动力矩，并进一步根据以下公式计算当前转向架10的蛇行运动频率f^v：

式中，I^f为测得牵引电机6产生蛇行运动振动频率的电流有效值，f₁为牵引电机6的输入电流基波频率，I₁为牵引电机6的输入电流基波有效值，C(n,T,I)为扰动分离函数，n为牵引电机6输入电流的谐波次数，牵引电机输入电流的n次谐波由电流传感器7直接获得， n＝1,2,3...。T为力矩计算模块110输出的牵引电机6转矩信号，I为牵引电机6的输入电流有效值，

为牵引变流器20开关频率处的谐波电流值，ln()为自然对数。a、b为由转向架 10的结构参数，a为牵引电机力矩扰动分离权重系数，b为牵引电机输入电流扰动分离权重系数，典型取值a＝0.05，b＝0.05。对于扰动分离函数C(n,T,I)中参数n的取值，随着n增大，对应的谐波电流幅值也会降低，一般取n＝15。

如附图5所示，数据分析模块130还包括蛇行幅值计算子模块132，蛇行幅值计算子模块132接收扰动分离模块120输出的低频谐波电流和低频扰动力矩，并进一步根据以下公式计算当前转向架10的蛇行运动幅值A(f^v)：

式中，A(f^v)为振动频率f^v处的振动幅值，f^v2为f^v的平方，m_k为转换系数。

转换系数m_k进一步根据以下公式计算：

式中，k为离线测试中的任意测试频率，I′₁为离线测试中牵引电机6的输入电流基波有效值。f^v'为离线测试中加入的转向架蛇行运动频率，这个频率是在测试台人为施加给转向架 10的振动频率，范围通常为0～5Hz。A′(f^v')为离线测试中频率f^v'处测得的转向架蛇行运动幅值。

作为本发明一种典型的具体实施例，牵引电机6输入电流的谐波次数n≤20，牵引电机力矩扰动分离权重系数a进一步取0.01～1，牵引电机输入电流扰动分离权重系数b进一步取 0.01～1，离线测试中的任意测试频率k进一步取0～10Hz。

如附图8所示，为谐波注入参数计算模块140的结构原理框图，计算得到的转向架10的蛇行运动频率f^v，及转向架10的蛇行运动幅值A(f^v)输入谐波注入参数计算模块140，分别经过比较环节及PI控制环节后得到注入谐波电流空间矢量的幅值|I_s|，和注入谐波电流空间矢量的角频率ω_s。在比较环节中，蛇行运动幅值及蛇行运动频率的给定目标值都为0，即控制目标为蛇行运动幅值及蛇行运动频率均为0，只要蛇行运动幅值A(f^v)，及蛇行运动频率f^v不为0，谐波注入参数计算模块140就存在控制输出。其中，注入谐波电流空间矢量的幅值 |I_s|，和注入谐波电流空间矢量的角频率ω_s分别根据以下公式计算：

其中，K_p为PI控制环节的比例系数，取值范围为1～20，一般根据现场调试情况具体确定，T_i为积分系数取值0.1～10，s为拉氏变换算子。

实施例3

如附图1、4和5所示，一种本发明列车转向架抗蛇行运动系统的实施例，具体包括：如实施例1所述的抗蛇行运动装置100，牵引变流器20，及安装在转向架10上的牵引电机6。当列车运行并发生转向架蛇行运动时，轮对1的低频周期振动通过悬挂机构30传递至牵引电机6的转轴上。抗蛇行运动装置100采集牵引电机6的输入电流及当前转速信号，计算转向架10的蛇行运动频率和幅值，并生成牵引电机6谐波电流的频率与幅值信息，以控制牵引变流器20向牵引电机6输出相应频率与幅值的谐波电流并叠加正常工作电流，该谐波电流产生与蛇行运动同频率反相位的机械振动，从而抑制所述转向架10的蛇行运动。

归属于同一转向架10的两组轮对1各配置有一台牵引电机6，牵引电机6通过电机悬挂机构5安装在转向架10上。两台牵引电机6或其中任意一台牵引电机6连接有抗蛇行运动装置100。在如附图4所示的实施例中，两台牵引电机6均连接有抗蛇行运动装置100。

通过实施本发明具体实施例描述的列车转向架抗蛇行运动方法的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的列车转向架抗蛇行运动方法，采用基于牵引电机谐波电流注入的高速列车转向架蛇行主动控制，通过对悬挂于转向架的牵引电机注入谐波电流，使牵引电机产生与转向架蛇行运动同频反相的振动，从而很好地缓解和消除了转向架蛇行运动的技术问题；

(2)本发明具体实施例描述的列车转向架抗蛇行运动方法，在不增加抗蛇行减振器和其它抗蛇行硬件结构的前提下，直接根据当前悬挂系统的结构参数对牵引电机注入谐波电流，不但彻底缓解和消除了列车高速运行状态下转向架蛇行失稳的技术问题，而且大幅简化了结构，降低了成本，减少了系统故障点，提高了系统可靠性，具有重要的理论意义和工程应用价值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，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做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (10)

1.一种列车转向架抗蛇行运动方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10)采集牵引电机(6)的输入电流及当前转速信号；

S20)根据所述牵引电机(6)的输入电流及当前转速信号计算转向架(10)的蛇行运动频率和幅值；

S30)根据所述转向架(10)的蛇行运动频率和幅值生成牵引电机(6)谐波电流的频率与幅值信息；

S40)根据所述牵引电机(6)谐波电流的频率与幅值信息控制牵引变流器(20)向牵引电机(6)输出相应频率与幅值的谐波电流并叠加正常工作电流；

S50)通过输出至所述牵引电机(6)的谐波电流产生与蛇行运动同频率反相位的机械振动，从而抑制所述转向架(10)的蛇行运动。

2.根据权利要求1所述的列车转向架抗蛇行运动方法，其特征在于，所述步骤S20)进一步包括以下过程：

S201)根据当前转速信号计算牵引电机(6)的当前转矩信号；

S202)从输入电流及当前转矩信号中提取出由所述转向架(10)蛇行运动引起的低频谐波电流和低频扰动力矩；

S203)根据低频谐波电流和低频扰动力矩计算当前转向架(10)的蛇行运动频率和幅值。

3.根据权利要求2所述的列车转向架抗蛇行运动方法，其特征在于，在所述步骤S202)中，根据以下传递函数对输入电流信号进行高频滤波，并提取出由所述转向架(10)蛇行运动引起的低频谐波电流：

y(t)＝k₁*x(t)+k₁*x(t-1)+k₁*x(t-2)+k₁*x(t-3)

式中，y(t)为t时刻输出的电流有效信号，x(t)为t时刻的电流离散采样信号，x(t-1)为t-1时刻的电流离散采样信号，x(t-2)为t-2时刻的电流离散采样信号，x(t-3)为t-3时刻的电流离散采样信号，k₁为比例系数。

4.根据权利要求2所述的列车转向架抗蛇行运动方法，其特征在于，在所述步骤S202)中，根据以下传递函数对当前转矩信号进行高频滤波，并提取出由所述转向架(10)蛇行运动引起的低频扰动力矩：

y′(t)＝k₂*x′(t)+k₂*x′(t-1)+k₂*x′(t-2)+k₂*x′(t-3)

式中，y′(t)为t时刻输出的力矩有效信号，x′(t)为t时刻的力矩离散采样信号，x′(t-1)为t-1时刻的力矩离散采样信号，x′(t-2)为t-2时刻的力矩离散采样信号，x′(t-3)为t-3时刻的力矩离散采样信号，k₂为比例系数。

5.根据权利要求2、3或4所述的列车转向架抗蛇行运动方法，其特征在于，在所述步骤S203)中，根据以下公式计算当前转向架(10)的蛇行运动频率f^v：

式中，I^f为测得牵引电机(6)产生蛇行运动振动频率的电流有效值，f₁为牵引电机(6)的输入电流基波频率，I₁为牵引电机(6)的输入电流基波有效值，C(n,T,I)为扰动分离函数，n为牵引电机(6)输入电流的谐波次数，T为力矩计算模块(110)输出的牵引电机(6)转矩信号，I为牵引电机(6)的输入电流有效值，

为牵引变流器(20)开关频率处的谐波电流值，ln()为自然对数，a为牵引电机力矩扰动分离权重系数，b为牵引电机输入电流扰动分离权重系数。

6.根据权利要求5所述的列车转向架抗蛇行运动方法，其特征在于，在所述步骤S203)中，根据以下公式计算当前转向架(10)的蛇行运动幅值A(f^v)：

式中，A(f^v)为振动频率f^v处的振动幅值，f^v2为f^v的平方，m_k为转换系数。

7.根据权利要求6所述的列车转向架抗蛇行运动方法，其特征在于，所述步骤S203)中的转换系数m_k根据以下公式计算：

式中，k为离线测试中的任意测试频率，I₁′为离线测试中牵引电机(6)的输入电流基波有效值，f^v'为离线测试中加入的转向架蛇行运动频率，A′(f^v')为离线测试中频率f^v'处测得的转向架蛇行运动幅值。

8.根据权利要求7所述的列车转向架抗蛇行运动方法，其特征在于：所述牵引电机(6)输入电流的谐波次数n≤20，牵引电机力矩扰动分离权重系数a取0.01～1，牵引电机输入电流扰动分离权重系数b取0.01～1。

9.根据权利要求7或8所述的列车转向架抗蛇行运动方法，其特征在于，所述步骤S203)中的转换系数m_k通过以下过程获得：

S2031)将转向架(10)安装于振动测试台上；

S2032)将加速度传感器(9)安装于转向架(10)上，用于测量转向架(10)的蛇行运动频率和幅值；

S2033)启动牵引电机(6)运行，速度从零至最大转速，并通过振动测试台加入蛇行振动；全过程采集牵引电机(6)的输入电流信号，以及转向架(10)的振动频谱，计算输入电流基波有效值I₁′，并提取转向架蛇行运动频率f^v'及频率f^v'处测得的转向架蛇行运动幅值A′(f^v')；

S2034)计算频率为k＝f^v'时转换系数m_k的数值。

10.根据权利要求9所述的列车转向架抗蛇行运动方法，其特征在于：所述离线测试中的任意测试频率k取0～10Hz。

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