CN1238209C - 电气车辆控制装置 - Google Patents

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Abstract

在电气制动控制中，为了使电气车辆完全停下来，需要确定断开电气制动器的时间，而且还需通过按预定变化率降低制动力取得确定停车和良好平稳行驶。采用电源转换器控制器来控制电源转换器从而控制电动机转矩，在此电动机检测速度的基础上计算减速度，该电动机检测速度是速度检测装置的输出。当电动机检测转速降到预定速度以下时，在电动机检测速度和减速率的基础上，可以估算出电动机接下来的速度，而且用电源转换器控制器在此估算速度的基础上，能够实现转矩控制。

Description

电气车辆控制装置
本发明涉及一种如电动有轨车、电气机车等电气车辆的控制装置，特别对于以预定变化率通过降低制动力来实现阻止行驶平稳性恶化，同时在电气车辆的电动机转速与转动减速的基础上，导出能使电气车辆完全停下来的电气制动断开时间。
常规的电气车辆中，普遍采用电气制动器和气动制动器进行制动控制。特别当速度低于特定速度至完全停止之间时仅采用气动制动。这是因为，常常采用单位转数具有小量脉冲的相对廉价的脉冲发生器来检测电动机转速，这便不能得到速度检测精度，使得只能在停止前的较低速度范围内确定零速点，因此，尽管电气制动器无法在低速范围内完全控制制动力，但可以使用气动制动器完全控制制动力直到停止。在此情况下，在控制制动器的同时实现了电气制动向气动制动的转换，使得两个制动力的总和保持恒定，而且在停止之前保持了恒定的减速力。
日本专利NO.A7-7806“电气车辆的再生制动控制法”揭示了一种控制方法，该方法在气动制动装置中施加实际的再生制动力，在包括制动步骤和变量负载的情况的制动力指令的整个范围内，通过将实际再生制动力乘以一个系数，该系数考虑了气动制动器运行的延迟，旨在从再生制动到气动制动的变化过程中实现平稳运行。
而且，关于控制电气制动器的方法，日本专利NO.A11-234804“电气车辆倒相电气制动控制方法及装置”描述了一种方法，该方法是在倒相电气制动过程中，通过检测电气车辆在反相电制动力的制动期间已经为零的速度来检测倒相电气制动中的零速度，而且当速度逐渐降低时车辆由前进到转换得到制动力。
虽然日本专利A7-7806“电气车辆的再生制动控制法”对防止从再生制动转变为气动制动过程中的震动有积极效果，但是却带来了气动制动过程中的实际制动力极易受诸如天气等因素改变而改变制动力的指令值的问题，从再生制动到气动制动的过程中，制动操作的简便性变差。而且，鉴于在低速范围内进行制动引起制动哮声而成的噪声以及更换制动器闸瓦(制动块)的费用，所以理想的情况是，使用气动制动器的频率越低越好。
而且，日本专利A11-234804“电气车辆倒相电气制动控制方法及装置”中，并未明确描述有关在制动过程中减小对平稳运行有较大影响的转矩的方法。
本发明的目的是提供一种采用电气制动器进行制动的电气车辆控制装置，该控制装置通过确定能使电气车辆完全停下来的断开电气制动器时间，并且以特定变化率降低使电气车辆停止的制动力，这样控制装置可以同时取得可靠制动和良好行驶平稳性的效果。
鉴于减少制动力的变化率和在检测速度上的延迟，根据转速和转动减速度，通过在按规定或特定变化率制动以前减少制动力以及减少断开电气制动器实现完全停止的时间，可以降低制动过程中突然变化引起的震动。
图1是说明本发明电气车辆的控制装置一个实施例的框图。
图2是对波形的图示说明，该波形表示在制动过程中的速度与根据本发明实施例的电气车辆控制装置的不同部分的信号之间的时间关系。
图3是说明根据本发明的电气车辆控制装置的第二个实施例的框图。
图4是说明根据本发明的电气车辆控制装置的第三个实施例的框图。
图5是说明根据本发明的电气车辆控制装置的第四个实施例的框图。
参考图1和图2，将对本发明实施例的电气车辆控制装置进行说明。
图1中电气车辆配备了一台或多台感应电动机4，结合驾驶员操作台2发出的指令，来驱动电气车辆和进行再生制动。在该控制装置中，电流命令计算单元1输入制动指令信号3，当驾驶员操作台2施以制动时，该信号3的输出为“1”，电流命令计算单元1还输入参考转速信号6，由此产生一个激励电流命令8和转矩电流特性曲线9a。
这里，速度计算单元25根据转速信号26可以导出参考转速信号6，该转速信号26按特别规则与单个或多个感应电动机4(或是图中未画的转轮)耦合的转速检测器5得出。这种规则的一个实例是采取来自多个转速检测器5发出的转速检测值的最大值作为参考转速信号6。
矢量控制计算单元10输入参考转速信号6、激励电流命令8、转矩电流特性曲线9b和电流检测器11a、11b、11c发出的电动机电流检测值12a、12b、12c，输入后产生电压指令13作为倒相器的输出电压。
电压指令13输入到脉宽调制倒相器16(以下称PWH倒相器)，电压指令13计算出来的门信号用来控制构成主电路的转换装置，由直流电源17通过滤波器电容器18获得的直流电转变成三相电，依次供给感应电动机4。
制动指令信号3和参考转速信号6都输入速度估算单元27，当参考转速信号6接近且小于进行制动后的一定值Frb(Hz)，此时的减速率β(Hz/s)可以通过对参考转速信号6求导的方法得到并储存该值。经估算的转速信号28根据下面的方程计算输出。
Frh＝Frb-βt                          …(1)
其中，Frh(Hz)是经估算的转速信号28，Frb(Hz)是初始估算的速度，β(Hz/s)是Frb(Hz)已储存的减速度值，t(秒)是当Frh(Hz)低于Frb(Hz)为0的瞬时时间。
经估算的转速信号28输入比较器19。当该信号大于Fr0(Hz)时，该比较器输出一个为“1”的速度信号20。逻辑和电路21根据制动指令信号3的求反和速度信号20产生一个电气制动操作信号22。换句话说，在供电运行、断电运行和制动过程中，当估算的转速信号28大于Fr0(Hz)，电气制动运行信号22变为“1”，而当估算转速信号28小于或等于Fr0(Hz)时，电气制动运行信号22为“0”。
通过变速率限幅器23输出制动转矩下降信号24，该限幅器将电气制动运行信号为输入-1/td(1/s)的限幅器值作为下限。制动转矩下降信号24乘上转矩电流特性曲线9a，以便产生转矩电流特性曲线9b，所述转矩电流特性曲线9b以一定斜度在td(s)期间下降，此时制动过程中参考转速信号6变为小于Fr0(Hz)。
以此方式，转矩电流特性曲线9b按一定斜度降低，抑制了电气制动器断开时产生的震动，由此也防止了行驶平稳性恶化。这里Fr0(Hz)是制动过程中转矩电流开始减少的起始速度，td(s)是转矩电流减小的期间，Fr0(Hz)和td(s)设置为确保良好稳定运行过程中电气车辆能够停止。
图2是根据本发明的电气车辆控制装置实施例，说明制动过程中不同部分的速度和信号时间关系波形图。
在0时刻，制动指令信号3为“1”表示已施行制动。此时，在参考转速信号6足够高期间，速度信号19和电气制动运行信号22为“1”。为了保证速度以恒定速率下降并将以t0时刻的速度将车辆停止，参考转速信号6的虚线表示，可以设想在t0时刻按特性曲线(1)所示的转矩电流特性曲线9逐步下降的一种方法。
然而，转矩电流特性曲线9按这样的突然改变并不可取，因为这种改变也引起平稳行驶因制动力的突然变坏而恶劣。鉴此，在t0到td(s)期间，通过如特性曲线(2)中的点划线所示使转矩电流按一定斜度降低，减少制动力的突然改变产生的震动就值得考虑。但是，如果在t0(s)时间开始降低转矩电流特性曲线，仍然在t0(s)后td(s)期间存在一个向前的驱动力，这就不可能保持停止状态。
这里，如果速度信号19(电气制动操作信号22)在早于时刻t0(s)被降低，t0(s)是当车辆被认为在时间间隔td/2(s)内以恒定减速度停止的时刻，td/2(s)是转矩电流特性曲线9中斜向下降时间的一半。当转矩电流特性曲线9完全下降为0时，参考转速信号6也恰好在(t0+td/2)(s)时刻为0。因此，可以完全停止车辆并保持停止状态。
从以上可知，通过在td(s)时间间隔里按一定斜度减少转矩电流特性曲线9实现车辆停止，速度信号19降为Fr0(Hz)，此时速度按恒定减速度β(Hz/s)降低，转速Fr0(Hz)可以用下列方程求得。
Fr0＝β×td/2                        …(2)
而且，考虑到参考转速信号6检测的延迟dt，速度信号19必须以此速度降低的转速Fr0(Hz)可以采用下式得到。
Fr0＝β×(td/2+dt)                   …(3)
这里，参考转速信号6的检测延迟dt可以是为消除噪声等引入的第一级延迟单元的时间常数。
参考图3，将对根据本发明的电气车辆控制装置的第二个实施例进行说明。
图3所示电气车辆控制装置没有配备图1所示的估算单元27。在图3的控制装置中，当驾驶员操作台2进行制动时，制动指令信号3的输出为“1”，参考转速信号6输入电流指令计算单元1，由此产生激励电流指令8和转矩电流特性曲线9a。
这里，根据第一个实施例的一组特殊规则，采自与单个或多个感应电动机4(或者图中未表示的转轮)相耦合的转速检测器5发出的转速信号26，由速度计算单元25可以得出参考转速信号6。
矢量控制计算单元10输入参考转速信号6，激励电流指令8，转矩电流特性曲线9b和从电流检测11a，11b，11c中获得的电动机电流检测值12a，12b，12c，生成一个电压指令13给倒相器的输出电压。
电压指令13输入PWU倒相器16中，从电压指令13计算出来的门信号常用来控制构成主电路的转换装置，直流电源17通过滤波器电容器18成为直流电，转换成为三相电源，然后供给感应电动机4。
参考转速信号6输入比较器19，当参考转速信号6大于Fr0(Hz)时，该比较器输出一个速度信号20。
逻辑和电路21根据制动指令信号3的求反和速度信号20产生一个电气制动操作信号22。换句话说，在供电运行、断电运行和制动过程中，当估算的转速信号28大于Fr0(Hz)，电气制动运行信号22变为“1”，而当估算转速信号28小于或等于Fr0(Hz)时，电气制动运行信号22为“0”。
变速率限幅器23输出制动转矩下降信号24，该变速率限幅器将电气制动运行信号输入-1/td(1/s)的限幅器值作为下限。制动转矩下降信号24乘上转矩电流特性曲线9a，以便产生转矩电流特性曲线9b，所述转矩电流特性曲线9b以一定斜度在td(s)期间下降，此时参考转速信号6在制动过程变为小于Fr0(Hz)。
以此方式，转矩电流特性曲线9b按一定斜度降低，抑制了电气制动器断开时的震动，由此也防止了稳定运行情况变坏。这里Fr0(Hz)是制动过程中转矩电流开始减少的起始速度，td(s)是进行制动减少转矩电流的时间，Fr0(Hz)和td(s)设置为确保良好稳定运行过程中电气车辆能够停止。
结合图4，下面将对本发明的第三个实施例进行说明。图4是表示根据本发明的电气车辆的控制装置的第三个实施例框图。
在图4的电气车辆控制装置中，制动指令信号3，在驾驶员操作台2施加制动操作时输出为“1”，参考转速信号6输入电流指令计算单元1，由此生成一个激励电流指令8和转矩电流特性曲线9a。
这里，根据第一个实施例的一组特殊规则，采自与单个或多个感应电动机4(或者图中未表示的转轮)相耦合的转速检测器5发出的转速信号26，由速度计算单元25可以得出参考转速信号6。
参考转速信号6，激励电流指令8，转矩电流特性曲线9b和电流检测器11a，11b，11c产生的电动机电流检测值12a，12b，12c输入到矢量控制计算单元10中，生成PMW倒相器16的输出电压指令13。电压指令13输入PWM倒相器16，与电压指令13算出来的门信号一同常用来控制构成主电路的转换装置，直流电源17经过滤波器电容器18形成的直流电转换成三相电源，供给感应电动机4。
制动指令信号3和参考转速信号6输入速度估算单元27，当参考转速信号6在进行制动时小于一定值Frb(Hz)，该时刻的减速度β(Hz/s)可以采用对参考转速信号6求导求得并储存，并输出根据下列方程计算的转速信号28。
Frh＝Frb×βt                                   …(4)
Frh(Hz)是经估算的转速信号28，Frb(Hz)是在进行速度估算起始的速度，β(Hz/s)是在Frb(Hz)的减速度储存值，t(秒)是小于Frb(Hz)为0的时间。
参考转速信号6输入比较器19a，该比较器输出一个速度信号20a，当参考转速信号6大于Fr0(Hz)时，速度信号20a为“1”。估算的转速信号28输入比较器19b，当估算转速信号28大于Fr0(Hz)时，该比较器输出一个速度信号20b为“1”。
逻辑和电路29通过将速度信号20a和20b进行逻辑相加，生成一个速度信号20c。换言之，当速度信号20a和20b中任何一个或是两个都为“1”，速度信号20c为“1”。
逻辑和电路21根据制动指令信号3的求反和速度信号20c产生一个电气制动操作信号22。换句话说，在供电运行、断电运行和制动过程中，当估算的转速信号28大于Fr0(Hz)，电气制动运行信号22变为“1”，而当参考转速6或估算转速信号28小于或等于Fr0(Hz)时，电气制动运行信号22为“0”。
变速率限幅器23输出制动转矩下降信号24，该变速率限幅器将电气制动运行信号输入-1/td(1/s)的限幅器值作为下限。制动转矩下降信号24乘上转矩电流特性曲线9a，以便产生转矩电流特性曲线9b，所述转矩电流特性曲线9b以一定斜度在td(s)期间下降，此时参考转速信号6或估算转速28在制动过程变为小于Fr0(Hz)。
以此方式，转矩电流特性曲线9b按一定斜度降低，抑制了电气制动器断开时的震动，由此也防止了稳定运行情况变坏。这里Fr0(Hz)是转矩电流开始减少的起始速度，td(s)是进行制动减少转矩的时间，Fr0(Hz)和td(s)设置为确保良好稳定运行过程中电气车辆能够停止。
图5是根据本发明的电气车辆的控制装置的第四个实施例进行说明的框图。参考图5，将在下面说明本发明的另一个实施例。图5中，当驾驶员操作台2进行制动时，制动指令信号3输出“1”，参考转速检测信号6输入电流指令计算单元1，由此产生激励电流指令8和转矩电流特性曲线9a。这里，速度计算单元25用与单个或多个感应电动机4(或图中未表示出的转轮)相耦合的转速检测器发出的转速信号26，根据第一个实施例的特定规则，得出参考转速信号6。
参考转速信号6，激励电流指令8，转矩电流特性曲线9b和电流检测器11a，11b，11c产生的电动机电流检测值12a，12b，12c输入到矢量控制计算单元10中，形成PWN倒相器16的输出电压指令13。电压指令13输入PWM倒相器16，与电压指令13算出来的门信号一同常用来控制构成主电路的转换装置，直流电源17经过滤波器电容器18形成的直流电转换成三相电源，供给感应电动机4。
制动指令信号3和参考转速信号6输入速度估算单元27，当参考转速信号6在进行制动时小于一定值Frb(Hz)，该时刻的减速度3(Hz/s)可以采用对参考转速信号6求导的方法求得并储存，并输出根据下列方程估算的转速信号28。
Frh＝Frb-βt                                …(5)
Frh(Hz)是经估算的转速信号28，Frb(Hz)是在进行速度估算起始的速度，β(Hz/s)是在Frb(Hz)的减速度储存值，t(秒)是小于Frb(Hz)为0的时间。
参考转速信号6和估算转速信号28输入选择器30，该选择器选取两个信号中较低的一个，输出此信号作为最低转速信号31。最低转速信号31输入比较器19，当最低转速信号31大于Fr0(Hz)时，比较器输出速度信号20a为“1”。
制动指令信号3的求反和速度信号20c通过逻辑和电路21，生成一个电气制动操作信号22。换言之，换句话说，在供电运行、断电运行和制动过程中，当参考转速信号6和估算转速信号28都大于Fr0(Hz)，电气制动运行信号22变为“1”，而当参考转速6或估算转速信号28小于或等于Fr0(Hz)时，电气制动运行信号22为“0”。
变速率限幅器23输出制动转矩下降信号24，该变速率限幅器将电气制动运行信号输入-1/td(1/s)的限幅器值作为下限。制动转矩下降信号24乘上转矩电流特性曲线9a，因此转矩电流特性曲线9a以一定斜度在td(s)期间下降，此时参考转速信号6或估算转速28在制动过程变为小于Fr0(Hz)。
以此方式，通过使转矩电流特性曲线9b按一定斜度降低，抑制了电气制动器断开时的震动，由此也防止了稳定运行情况变坏。这里Fr0(Hz)是转矩电流开始减少的起始速度，td(s)是进行制动减少转矩的时间，Fr0(Hz)和td(s)设置为确保良好稳定运行过程中电气车辆能够停止。
根据本发明，通过减少以预定变化率的末速度的制动力来阻止平稳行驶过程中的变坏，鉴于在末速度减少制动力的变化率以及速度检测的延迟，从电动机转速和转动减速，通过求得断开电气制动时间的方法完全使电气车辆停止，这是可以实现的。

Claims (6)

1.一种电气车辆的控制装置，包括为至少一个电动机配置的电源转换器，检测所述电动机速度的速度检测器，控制所述电源转换器以控制所述电动机转矩的控制器，以及根据所述速度检测器输出的所述电动机的检测速度，计算减速度的计算单元，其中：
当所述电动机的检测速度降低到预定速度之下时，在所述电动机的所述检测速度基础上，估算出所述电动机接下来的速度；以及
根据估算速度，通过所述控制器实现所述电动机转矩控制。
2.根据权利要求1的电气车辆控制装置，其中可以实现所述的转矩控制，使得电动机的估算速度降到低于预定速度时，电动机转矩能够以预定变化率降低。
3.一种电气车辆的控制装置，包括为至少一个电动机配置的电源转换器，检测所述电动机速度的速度检测器，控制所述电源转换器以控制所述电动机转矩的控制器，以及根据所述电动机的检测速度，计算减速度的计算单元，其中：
所述控制器实现转矩控制，使得在所述电动机的检测速度降到低于预定速度时，转矩能够以预定变化率减小。
4.根据权利要求3的电气车辆控制装置，其中：
提供一种估算用的速度估算单元，当所述电动机的检测速度降到预定速度之下时，在所述电动机所述检测速度基础上，可以估算出接下来的电动机速度；以及
可以实现转矩控制，使得所述电动机检测速度或所述电动机估算速度下降到预定速度以下时，转矩以预定变化率减小。
5.根据权利要求3的电气车辆控制装置，其中：
提供一种估算用的速度估算单元，当所述电动机的检测速度降低到预定速度之下时，在所述电动机检测速度基础上，估算所述电动机接下来的速度，以及实现转矩控制，使得所述电动机检测速度最小值和所述电动机估算速度降到低于预定速度时，转矩能够以预定变化率减小。
6.根据权利要求1所述的电气车辆的控制装置，其中：
当所述电动机检测速度降到低于预定速度时，根据所述电动机检测速度和减速度，估算出所述电动机接下来的速度，而且
根据所述电动机检测速度或估算速度，所述控制器实现转矩控制。
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