0 引言
隨著人們對地鐵列車乘坐舒適性的要求越來越高,作為地鐵列車核心組成的牽引系統(tǒng)就必須有越來越高的動態(tài)調(diào)速性能。廣州地鐵 3 號線是國內(nèi)第一條快速( 120 km/h) 運(yùn)營的地鐵線路, 試運(yùn)營半年多以來其列車優(yōu)良的牽引性能得到了乘客的好評, 穩(wěn)定而可靠的牽引系統(tǒng)減少了車輛的維護(hù)工作量。本文詳細(xì)介紹了該車輛采用的 SITRAC 牽引控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)、算法, 并結(jié)合該系統(tǒng)在廣州地鐵 3 號線列車上的實際應(yīng)用證明了無速度傳感器控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
1 無速度傳感器矢量控制的基本原理
所謂無速度傳感器變頻調(diào)速控制系統(tǒng)就是取消了變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的速度檢測裝置, 通過間接計算法求出列車運(yùn)行中牽引電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速值作為轉(zhuǎn)速的反饋信號。我們把計算轉(zhuǎn)速實際值的這一模型稱之為轉(zhuǎn)速推算器。它的基本組成原理是: 在電機(jī)的定子側(cè)裝設(shè)電壓傳感器和電流傳感器, 通過檢測三相電壓 uA, uB, uC 和三相電流 iA, iB, iC。根據(jù) 3/2 變換( 矢量控制中三相軸系到二相軸系的變換) 靜止軸系中的兩相電壓 usα, usβ 及兩相電流isα, isβ, 由定子靜止軸系( α- β) 中的兩相電壓、電流可以推算定子磁鏈, 估算電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速推算器的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
由于轉(zhuǎn)速推算器受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響, 因而基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的轉(zhuǎn)速推算器還需要考慮轉(zhuǎn)子參數(shù)的改變。此外, 轉(zhuǎn)速推算器的實用性還取決于其精度和快速性。隨著計算機(jī)運(yùn)算性能和運(yùn)算速度的不斷提高, 現(xiàn)代矢量控制方法已經(jīng)能夠非常精確地以高度的動態(tài)性控制感性設(shè)備中的磁通和力矩。同時為了抑制高頻的機(jī)械振動, 優(yōu)化牽引系統(tǒng)部件的電磁噪聲并能夠獲得盡可能低的可預(yù)見的諧波電流, 就有必要使用校準(zhǔn)并且優(yōu)化過的 IGBT 控制脈沖。西門子公司新推出的牽引控制系統(tǒng) SITRAC 不但滿足了這一尖端的要求, 更重要的是實現(xiàn)了無速度傳感器的控制。這一新的控制特點(diǎn)減小了驅(qū)動器的復(fù)雜性并且增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。SITRAC 的控制特點(diǎn)有:
1) 無速度傳感器運(yùn)作增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性;
2) 高度動態(tài)性的設(shè)定值有效衰減了電氣和機(jī)械影響;
3) 高度的擾動動態(tài)性: 通過抵抗由軌道和電源系統(tǒng)引起的擾動, 增強(qiáng)了牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性;
4) 先進(jìn)的優(yōu)化脈沖模式: 較高的轉(zhuǎn)換利用, 限制了對電源系統(tǒng)和機(jī)械的反應(yīng);
5) 脈沖模式中連續(xù)的交叉點(diǎn): 高的轉(zhuǎn)換利用率, 連續(xù)的無沖擊工作;
6) 自我調(diào)節(jié), 自動參數(shù)識別, 自動牽引系統(tǒng)自檢: 簡化調(diào)試, 改善了診斷和維護(hù);
7) 高級編程語言“Ansi- C”: 獨(dú)立硬件;
8) 集成的軟件模擬, 較短的開發(fā)時間, 完善的軟件設(shè)計增強(qiáng)了軟件的質(zhì)量。
2 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)
圖 2 是 SITRAC 無速度傳感器控制系統(tǒng)的框圖。此控制模型圖解了一個完整的逆變器模型, 圖中的電機(jī)模型是用來為電流控制器計算機(jī)械設(shè)備模型的定子電流和磁通空間矢量。電機(jī)模型的輸入僅僅是定子電壓空間矢量和估算速度以及同樣是估算值的機(jī)械參數(shù)。在這個系統(tǒng)中電機(jī)電壓不是由測量得到而是通過逆變器門控信號、直流電壓測量值、電機(jī)電流和相關(guān)的 IGBT 參數(shù)重新構(gòu)建。電機(jī)速度是通過電流空間矢量測量值和模型定子電流空間矢量進(jìn)行比較而估算得到。
