CN1174879C - 电车控制器 - Google Patents

Abstract

一种电车控制器，包括矢量控制逆变器，用于通过将电机的原电流分成激励电流分量和扭矩电流分量控制驱动电车车轮的电机，并基于分别设定的命令控制各电流分量，其特征在于进一步包括：检测车轮速度(包括电机的转子频率，它与车轮速度成正比)的装置、基于所检测的车轮速度的微分值(随时间的变化率)检测车轮滑动和滑移的装置、基于所检测的车轮速度的微分值和二次微分值检测车轮重新附着的装置，以及响应于两个检测装置调节扭矩电流分量的设定命令的装置。根据本发明，当车轮产生滑动或滑移时能够肯定地检出重新附着点，利用矢量控制的快速响应能够迅速地恢复电机的扭矩电流分量，因为扭矩能够被有效地用于物理附着极限，即使是在附着系数低，如雨天的条件下，能够尽可能地增大电车的加速度和减速度。

Description

电车控制器

                         发明背景

本发明涉及用于以具有利用矢量控制的逆变器的电机驱动的电车的控制器，尤其涉及通过检测车轮与铁轨之间产生的滑动或滑移对重新附着进行扭矩控制的电车控制器。

作为一种现有技术，JP-A-4-197004(1992)已经揭示了一种通过检测电车车轮的滑动或滑移以及降低电机产生的扭矩而控制重新附着的方法。JP-A-4-197003(1992)揭示了检测车轮重新附着的方法。JP-A-5-83976(1993)揭示了通过逆变器的矢量控制而驱动铁轨电车电机的技术。

按照上述JP-A-4-197004(1992)中所揭示的传统重新附着控制方法，车轮的滑动是通过识别感应电机的转子频率(与车轮速度成正比)随时间的变化率(微分值)是否超过固定检测电平的方法检测的，对降低电机扭矩的控制仅仅在检测到滑动的期间进行。然而，如果微分值小于设定值，对滑动的识别被取消，控制电机扭矩恢复而与车轮是否实际重新附着不相关。因此，如果车轮实际上未重新附着，立即出现车轮滑动，出现十分频繁地产生滑动现象的问题。

上述JP-A-4-197003(1992)揭示了一种通过检测重新附着而控制扭矩的方法，下面将参考图10说明检测重新附着的方法。重新附着是在时间t1检测滑动后，通过识别在时间t2转子频率fr(与车轮速度成正比)的两次微分值fr”(轴跳动值)超过设定值Le而检测的。

然而，利用两次微分值fr”检测滑动能够预计有以下问题。首先，如果在重新附着时车轮速度的特征如图11所示，那么，车轮速度的两次微分值fr”不超过设定值Le，未能检测出重新附着，不过在时间t2仍出现重新附着。因此，扭矩连续地维持在降低条件下，产生电车降低加速度的问题。此外，在如图12所示的在时间t1a重新产生滑动(它似乎已趋于结束)的情况中，在时间t1a两次微分值fr”超过设定值Le，产生错误地检测重新附着和继续滑动的问题。

在产生滑移时会引起这类问题。如上所述，传统技术存在根据滑动或滑移条件不能检测重新附着或者错误检测重新附着的问题。

目前，诸如JP-A-5-83976(1993)中所揭示的具有矢量控制的逆变器将被用作驱动电车的感应电机的控制器。然而，利用矢量控制性能来控制重新附着的任何技术尚未公开。

                         发明概要

本发明的目的是提供一种电车控制器，它通过利用矢量控制的快速扭矩响应能够把扭矩有效地利用到附着的物理极限，能够使电车的加速度和减速度尽可能高，即使在附着系数低的条件下。

本发明涉及的电车控制器，包括矢量控制逆变器，它通过将电机的原电流分成激励电流分量和矢量电流分量控制驱动电车车轮的电机，并基于各别指令控制各个电流分量；进一步包括检测车轮速度(包括与车轮速度成正比的电机的转子频率)的装置、基于所检测的车轮速度的微分值(随时间的变化率)检测车轮滑动或滑移的装置、基于所检测的车轮速度的所检测的微分值和两次微分值检测车轮重新附着的装置，以及响应于上述两个检测装置调节扭矩电流分量的指定命令的装置。

按照本发明的上述方法，如果在电车加速时车轮速度的微分值超过指定值，可以将其看作为出现滑动，进行降低扭矩电流的控制。结果，当滑动速度降低和出现重新附着时，车轮重新开始加速。可以把重新附着点作为车轮速度的微分值变为负数而两次微分值变为正数时的点进行检测。根据上述的点，能够确定车轮的滑动肯定正在趋于结束，使车轮重新附着，而且重新开始车轮的加速。扭矩电流维持在降低条件下直至检测到重新附着为止。因此，即使在出现重新附着后快速地恢复扭矩电流，通过确认重新附着能够使引起重新滑动的可能性很小。因此，能够使扭矩的增大与扭矩电流的恢复一样快，并能够增大电车的加速度。

即使出现滑动以及在检测出重新附着前，当车轮速度的微分值减小时滑动正在趋于结束。因此，通过降低扭矩电流的减小能够减小扭矩的减小，使加速度能够与扭矩的减小一样多地增大。如果在电车减速时出现滑动，道理是完全相同，不同的只是检测电平的符号相反。

如上所述，如果对驱动车轮的电机作矢量控制，能够独立地控制电机的原电流中的扭矩电流分量。扭矩电流控制仅仅影响电机的漏阻抗，它具有时间常数短和控制响应快的特点。于是，如果用矢量控制进行本发明的重新附着控制，自然能够获得具有快速响应的重新附着性能，能够将扭矩有效地用于物理附着极限。

                          附图简述

图1是表示本发明一个实施例的控制器的方框图。

图2是表示图1所示滑动-滑移检测器2的详细组成的说明图。

图3是表明图1所示重新附着检测器3的详细组成的说明图。

图4是表明图1所示扭矩电流控制器6的详细组成的说明图。

图5是表明图1所示的微分器4的详细组成的说明图。

图6-图8是说明本发明操作的图。

图9是表示本发明第二实施例的控制器的方框图。

图10-图12是说明现有技术操作的图。

                    较佳实施例的详细描述

下面将参考附图说明本发明的实施例。图1是一方框图，表示电车控制器中控制组成的概况，其中感应电机是用矢量控制逆变器将直流电转换为交流电而驱动的。为了便于本发明的描述，尽管图1中的每个方框由装置名称表示，但是方框可以是根据需要执行处理功能的微计算机的软件。

按照图1，从操作装置54输出的驱动命令P或刹车命令B以及由连接于感应电机60的转速检测器7对转子频率fr获得的信号8被输入到电流命令计算器56；产生激励电流命令Id和电流模式Ipq。从Ipq与从滑动-滑移控制器1获得的扭矩电流控制值ΔIpq之间的差，由减法器116计算扭矩电流命令Iq。Iq、转子频率fr和由电流检测器61、62和63获得的电机电流检测值iu、iv和iw输入到矢量控制计算器57；产生逆变器输出电压的电压命令。按照PWM信号计算器58，通过将电压命令与斩波的载波(图中未示出)作比较而产生PWM信号，该PWM信号作为选通信号输出。PWM逆变器59用选通信号操作组成主电路的开关元件；从直流电源52经滤波电容器53获得的直流电被转换为三相交流电源；该电源提供给感应电机60。

电车的车轮(图中未示出)由上述感应电机驱动，车轮速度和感应电机的转速成正比关系。JP-A-5-83976(1993)揭示了上述计算器56、57、58和PWM逆变器59的组成和操作的详细情况，这里不再描述。本发明以假设控制由具有上述组成的矢量控制PWM逆变器驱动电车为基础。

接着，参考图1，说明本发明的滑动-滑移控制器1的组成。其详细情况参考图2-图5说明。控制器1包括微分器4、滑动-滑移检测器2、重新附着检测器3和扭矩电流控制器6。微分器4计算微分值fr’，它是通过转速检测器7获得的转子频率fr的信号8随时间的变化率，并计算两次微分值fr”，它是fr’随时间的变化率。滑动-滑移检测器2基于微分值fr’的信号24，检测从操作装置54输出的驱动命令P和刹车命令B的滑动或滑移，输出检测信号21。重新附着检测器3基于滑动-滑移检测信号21、操作装置54输出的P和B命令信号23以及微分器4输出的fr’和fr”信号24，检测车轮和铁轨的重新附着；输出重新附着检测信号22。扭矩电流控制器6基于滑动-滑移检测信号21、重新附着检测信号22、来自电流命令计算器56的扭矩电流模式Ipq的信号27和fr’信号24计算扭矩电流控制值ΔIpq。

图2示出滑动-滑移检测器2的实际组成的一个例子。该检测器包括比较器68、69和开关82。微分值fr’的信号24被输入到各个比较器68、69。如果微分值fr’大于设定值，那么比较器68输出“1”，如果微分值fr’小于设定值，那么比较器69输出“1”。当驱动命令P在操作装置54输出的命令信号23中输出时，开关82被切换到P侧，比较器68的输出作为滑动-滑移检测信号21而输出；当输出刹车命令B时，开关82切换到B侧，比较器69的输出作为滑动-滑移检测信号21而输出。通常，比较器68的检测电平设定为最大加速度(正值)的约1.5-2倍，而比较器69的检测电平设定为最大减速度(负值)的约1.5-2倍。按照以上组成，能够对滑动-滑移进行检测，因为当产生滑动时，转子频率fr的微分值fr’增大，当产生滑移时，转子频率fr的微分值fr’减小。

图3表示重新附着检测器3的实际组成的一个例子。该检测器3包括比较器64-67、“与门”电路101与102、开关81、“或门”电路111和定时器80。首先，在滑动后检测重新附着时，微分值fr’的信号24输入到比较器64中，两次微分值fr”的信号25输入到比较器65中。比较器是这样设定的，当fr’信号24小于设定值时，比较器64输出“1”，而当fr”信号25大于设定值时，比较器65输出“1”。“与门”电路101取两个比较器的逻辑积，基于该逻辑积输出在滑动后是否出现重新附着的信号。即，因为一旦产生滑动后出现重新附着时，即实现转子频率fr的微分值fr’变为负而两次微分值fr”变为正的情况。

另一方面，滑移之后的重新附着是通过将微分值fr’的信号24输入到比较器66以及将两次微分值fr”的信号25输入到比较器67而检测的。比较器是这样设定的，当fr’信号24大于设定值时，比较器66输出“1”，而当fr”信号25小于设定值时，比较器67输出“1”。“与门”电路102取这两个比较器的逻辑积，并基于该逻辑积输出在滑移后是否出现重新附着的信号。即，因为一旦产生滑移后出现重新附着时，即实现转子频率fr的微分值fr’变为正而两次微分值fr”变为负的情况。

当驱动命令P位于来自操作装置54的命令信号23中时，开关81切换到P侧，而当刹车命令B位于命令信号23中时，开关切换到B侧。在驱动期间，来自“与门”电路101的输出被输入到“或门”电路111中，在刹车期间，来自“与门”电路102的输出被输入到“或门”电路111中，并分别地输出滑动或滑移后的重新附着检测信号22。

来自定时器80的输出作为另一个输入被输入到“或门”电路111。当电车在铁轨连接处或切换点上通过时，会错误地检测到滑动或滑移，有时未能检测到重新附着。上述组成是对应于上述情况的对策。即，如果不能检测重新附着，尽管不产生滑动或滑移，感应电机的扭矩仍连续减小。因此，滑动-滑移检测信号21和重新附着检测信号22输入到定时器80，如果在检测到滑动或滑移后的规定时间里未检测到重新附着，那么把重新附着当作产生了，重新附着信号经“或门”电路111从定时器80输出。

图4表示扭矩电流控制器6的实际组成和功能。在触发器44，一旦滑动-滑移检测信号21变为“1”，滑动-滑移检测信号21保持在“1”直至重新附着信号22变为“1”为止。在滑动-滑移检测信号21保持在“1”期间，即，在滑动或滑移期间，开关83、84切换到“1”侧，函数发生器40根据转子频率的微分值fr’的信号24，输出设定值到减法器113。此时，由于开关84被切换到“1”侧，减法器113的微分输入值为“0”。于是，来自函数发生器40的输出被输入到具有限幅器的积分器43，没有任何变化。在具有限幅器的积分器，来自函数发生器40的输出与来自保持器47的输出相加，获得积分值。该积分值被限幅器42限制为小于扭矩电流模式Ipq和大于“0”的值，并作为扭矩电流控制量ΔIpq输出。这就是说，在从滑动-滑移检测信号21变为“1”到重新附着检测信号22变为“1”的周期中，ΔIpq增大，感应电机的扭矩减小。然而，当重新附着检测信号22变为“1”时，滑动-滑移检测信号21变为“0”；开关83、84被切换到“0”侧；扭矩电流返回计算器41根据扭矩电流控制量ΔIpq输出设定值，它作为差输入值105被输入到减法器113。此时，由于开关83被切换到“0”侧，减法器113的和输入值104为“0”。于是，来自扭矩电流返回计算器41的输出被输入到具有限幅器的积分器43中作为负值。结果，加法器112通过从保持器47获得的以前值减去扭矩电流返回计算器41的输出，减小该积分值，并输出扭矩电流控制量ΔIpq，它被限制为大于“0”的值。函数发生器40能够产生与fr’信号24无关的恒定值。

图5表示微分器4的实际组成。减法器114计算此时转子频率fr与在时间T1前由保持器50第二次保持的转子频率fr之间的差；通过乘法器99乘以1/T1，将其输出转换为每秒转子频率的变化量；并作为转子频率的微分值fr’(相当于转子频率随时间的变化率)的信号24而输出。此外，由减法器115计算fr’的信号24与在时间T2前由保持器51第二次保持的fr’之间的差；通过乘法器98乘以1/T2，将该差值转换为每秒fr’的变化量；并作为转子频率的二次微分值fr”(相当于转子频率随时间的变化率的变化率)的信号25而输出。

接着，将参考图6-图8描述在产生滑动的情况中图1所示的本发明实施例的操作。图6表示当图4所示函数发生器40输出与转子频率的微分值fr’不相关的固定值的情况中操作的例子。按照图6，当在时间T1时通过产生滑动而使转子频率快速增高时，转子频率fr’的微分值快速增大。当fr’超过检测电平35时，滑动-滑移检测信号21变为“1”；滑动-滑移信号29维持在“1”，如果在时间T2时滑动-滑移检测信号21变为“0”，那么滑动-滑移信号29保持为“1”。在滑动-滑移信号29保持在“1”的周期中，图4所示的函数发生器40输出一设定值，减法器104的和输入值104变为固定值ΔIqa1。因此，扭矩电流控制量ΔIqp以固定梯度增大，以致于通过减小感应电机的扭矩使车轮和铁轨重新附着。当在时间T4车轮和铁轨重新附着时，fr’的信号24从负变为正，fr”的信号25变为正值。因此，在这个时刻，实现fr’为负而fr”变为正的条件；重新附着检测信号22变为“1”，滑动-滑移信号29变为“0”。当滑动-滑移信号29变为“0”时，扭矩电流返回计算器41产生对应于扭矩电流控制量ΔIqp的输出。按照图6，这是来自扭矩电流返回计算器41的输出从ΔIqb1变为ΔIqb2的情况，扭矩电流控制量ΔIqp通过两步变为恢复感应电机的扭矩。因为感应电机的扭矩能够通过上述的检测重新附着迅速恢复，因此能够有效地利用感应电机的扭矩。

图7示出当图4所示的函数发生器40输出对应于转子频率微分值fr’的值时操作的例子。在T1至T3的时间周期中，当fr’为正时，输出ΔIqa1，在T3至T4的周期中，当fr’为负时，输出ΔIqa2(ΔIqa1＞ΔIqa2)。结果，在时间T3后抑制了扭矩电流控制量ΔIqp的增加。然而，在时间T3，fr’从正变为负。由于它表示滑动正在趋向于结束，即使同滑动初始周期相比抑制了扭矩电流控制量ΔIqp的增长率，但是车轮与铁轨将会重新附着，并在时间T4时附着。如上所述，通过改变对应于fr’的扭矩电流控制量，当滑动开始趋向于结束时，不将扭矩电流控制量ΔIqp增大得超出其必需值。于是，能够比图6的情况更多地增加感应电机的扭矩利用系数，因为能够将ΔIqp的积分值抑制在最小值。如果这样设定装置而获得图7所示的操作模式，能够降低感应电机的扭矩的起伏，因为ΔIqp的最大值可以小于图6中的值，并能够改善乘车质量。

图8表示在一次滑动已经开始趋于结束后再一次重新开始滑动的情况(这种情况对应于现有技术的图12所示的滑动条件)中操作的例子。根据图8，在一次滑动已经开始趋于结束后在时间T2a再一次重新开始滑动时，fr”变为正。可是，正如前面参考图3所说明的，本发明通过检测fr’为负和fr”变为正的条件而检测产生滑动时的重新附着。因为在时间T2a时fr’为正，不能错误地检测重新附着。根据本发明，即使产生上述情况的滑动，在时间T4以及图6所示的情况下能够准确地检测重新附着。

尽管图6-图8中未示出，如果再次产生滑动或滑移，而且在重新附着检测信号22变为“1”的过程期间滑动-滑移信号21变为“1”，通过降低扭矩电流控制量ΔIqp恢复感应电机的扭矩；取此时的扭矩电流控制量ΔIqp为初始值，增大扭矩电流控制量ΔIqp，使装置开始重新附着。

根据图1所示的本发明的实施例，已经表示了一种由逆变器驱动电机的情况。然而，在另一种情况下，在电车的各个车轮轴上设置多个电机，多个电机由一个逆变器驱动。图9表示本发明的第二个实施例，这是本发明应用于控制多个感应电机的控制器上的一个例子。微分器31-33分别对由连接于每个感应电机的转速检测器所获得的转子频率fr₁-fr_n(n是控制感应电机的数目)进行微分，计算转子频率fr₁’-fr_n’的微分值。选择器77选择(fr₁’-fr_n’)的代表值，将其定义为fr’。例如，如果将最大值选作为驱动操作期间的代表值而将最小值选作为刹车操作期间的代表值，那么，仅检测一个轴的滑动或滑移将是可能的。

所选的fr’信号24分别输入到滑动检测器9和滑移检测器10，对滑动和滑移进行检测。以下将说明在驱动操作期间产生滑动时的操作。如果fr’信号24超过滑动检测器9上的设定值，那么，比较器70对该滑动进行检测，滑动检测信号106变为“1”，滑动信号26(它是触发电路78的输出)被维持为“1”。这时，开关85的输出变为“1”，因为开关85处于P侧，开关83、84分别选择“1”侧。由于开关86已经选择P侧，对应于fr’信号24的函数发生器38的输出经开关86-开关83被输入到减法器113。从那时起，带有限幅器的积分器43对输入进行积分，与图4所示的情况一样，输出作为扭矩电流控制量ΔIqp。

当车轮与铁轨重新附着时，达到fr’为负和fr”为正的条件。然后，当fr’为负时，通过将比较器71的检测电平设定大约为0，比较器71输出“ 1”。二次微分值fr”(这可以由微分器34对fr”进行微分而获得)被输入到比较器72。当fr”为正时，通过将比较器72的检测电平设定大约为0，比较器72输出“1”。因此，当重新附着时，“与门”电路94的输出变为“1”，“与门”电路91的输出变为“1”，因为此时比较器70的输出为“0”。然后，“或门”电路96的输出变为“1”，重新附着检测信号108变为“1”。因此，滑动信号26变为“0”，开关83、84分别选择“0”侧，扭矩电流返回计算器36的输出在减法器113上变为负。该负值被输入到带有限幅器的积分器43中，使扭矩电流控制量ΔIqp减小而恢复感应电机的扭矩。如果在扭矩恢复过程期间再次产生滑动的话，重复上述操作，从而使车轮与铁轨重新附着。当电车在铁轨接点或交换点处通过时，可以假设fr’24立即变为较大值、比较器70的输出立刻变为“1”、滑动信号26维持在“1”的情况。然而，如上所述，当错误地检测滑动时，有时不能实现重新附着的条件，即fr’为负和fr”为正。在这种错误检测的情况中，比较器70的输出立即变为“0”，与门电路90的输出此时变为“1”，延迟88开始计数，经过设定时间后，输出信号“1”，使得重新附着检测信号108为“1”。正如以上说明的，当比较器的输出变为“0”时，此时通过让延迟88开始工作，延迟88的设定时间可以约几百毫秒那么短。因此，由于即使错误地检测了滑动也能够立即检测重新附着，降低扭矩利用率能够被抑制在最小。当在刹车期间产生滑移时，滑移检测器10检测滑移，计算扭矩电流控制量ΔIqp，与上述滑动的情况一样。图9所示的实施例在其组成上不同于第一实施例，它采用多个控制装置来控制感应电机，对于滑动和滑移分别采用了函数发生器和扭矩电流返回计算器。然而，其操作与图6-图8所示的相同。

根据本发明，当车轮产生滑动或滑移时肯定能够检测重新附着点，利用矢量控制的快速响应能够迅速地恢复电机的扭矩电流分量。相应地，即使在附着系数低，如雨天的条件下，由于扭矩能够有效地应用于物理附着极限，能够尽可能快地增大电车的加速度和减速度。

因此，本发明适合应用于控制有轨电车，这里经常产生滑动和滑移。此外，如果广泛地扩展本发明的应用范围，本发明适合于电动汽车。

Claims (6)

1.一种电车控制器，其特征在于所述控制器包括：

矢量控制逆变器，用于通过将电机的原电流分成激励电流分量和扭矩电流分量控制驱动电车车轮的电机，以及基于分别设定的命令控制各电流分量，进一步包括：

检测车轮速度的装置，以及

基于所检测的车轮速度的微分值和所述微分值的拐点调节扭矩电流分量的所述设定命令的装置。

2.如权利要求1所述的电车控制器，其特征在于还包含检测车轮滑动和滑移的装置，该装置通过检测在给电车一个加速命令期间已检测的车轮速度的微分值大于正设定值以及通过检测在给电车一个减速命令期间已检测的车轮速度的微分值小于负设定值对滑动进行检测。

3.如权利要求1所述的电车控制器，其特征在于还包含检测车轮重新附着的装置，该装置通过检测在给电车一个加速命令期间已检测的车轮速度的负微分值和正二次微分值以及通过检测在给电车一个减速命令期间已检测的车轮速度的正微分值和负二次微分值对重新附着进行检测。

4.如权利要求3所述的电车控制器，其特征在于：从扭矩电流分量的所述设定命令的标准值降低所述绝对值的量是响应于此时车轮速度的微分值而改变的。

5.如权利要求2所述的电车控制器，其特征在于进一步包括：

自从检测车轮滑动—滑移的所述装置已经输出滑动—滑移检测信号起经过了一段设定时间时，如果检测车轮重新附着的所述装置未输出任何重新附着检测信号则假设产生重新附着的装置。

6.如权利要求3所述的电车控制器，其特征在于进一步包括：

在完成从检测车轮滑动—滑移的所述装置输出滑动—滑移检测信号后经过了一段设定时间时，如果检测车轮重新附着的所述装置未输出任何重新附着检测信号则假设产生重新附着的装置。

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