高速列车牵引电机的同步虚拟主轴控制研究

　　0 引 言
　　高速动车组一般是指运营时速350 km以上，运量大，密度高，距离长的新一代高速列车。以主流的CRH02型高速列车为例，其能在200 km/h~300 km/h速度区间内正常运行。列车运行时，采用8节编组，4动4拖的分布。其中8个编组又被分为2个动力单元，每个动力单元包含2个动车和2个拖车。
　　随着我国高速列车系统的发展，越来越多的列车由传统的内燃机或者单电机驱动转变为多电机同步驱动。列车牵引电动机和普通电动机的一个不同之处是在同一列车上的数台牵引电动机，不论在电的方面还是机械方面都是连接在一起的。因此，同一台机车上牵引电动机特性有差异，个别轮对发生空转、滑行等原因，均有可能造成各电机的负载分配不均，有的电机处于过载运行，有的电机又处于欠载运行状态，从而使机车牵引力不能充分发挥，增加了运行成本，也使得对于各电机的精确控制变得更为困难。在列车运行的情况下，如果不能利用电同步而需要利用机械力保持同步，将会加剧列车部件的损耗，轻则会增加维护成本，严重的更可能会导致安全隐患。所以随着高速铁路系统的发展，找到一种适用于高速列车的有着良好同步性的多电机同步控制策略也变得越来越重要。
　　常见的电同步控制方式主要有主令同步、主从同步、交叉耦合同步、虚拟主轴同步等等。主令控制和主从控制电机之间耦合程度较低，不适合于对同步性能要求较高的场合。交叉耦合同步控制（Cross Cou⁃pling Control）系统中电机之间耦合程度较高，但是数据处理较为复杂，主要用于两台电机间的同步控制。虚拟主轴同步控制（Electronic Virtual Line-Shafting，EVLS），通过控制算法模拟机械主轴，从而实现各个单元之间的同步。这种同步控制方式能根据系统输入的转速信号做出快速响应，同时能较好地保持各个电机之间的同步性。
　　本研究将虚拟主轴控制应用到高速铁路牵引包机中，并用Matlab等软件进行仿真。
　　1 虚拟主轴控制原理
　　虚拟主轴控制最早由Lorenz教授和Meyer教授提出。主要目的是通过这种新的控制策略使电同步模拟出类似于传统机械主轴控制的优秀机械刚性以及系统稳定性，以克服转速变化时瞬态转速的不同步所导致的系统失同步。同时也保留了电同步控制适用性强，维护简单的特点。
　　传统的机械主轴控制之中，各个电机通过齿轮箱以及锥形滑轮和一个机械主轴相连实现耦合。其系统结构图如图1所示。控制过程中，这一系统通过机械主轴实现了信号的双向传递。而齿轮部分除了传动之外，也有着使系统中不同额定速度的电机之间同步运动的功能。
　　2 仿真模型的建立
　　本研究对CRH02型高速列车牵引电机系统进行建模。首先基于矢量控制建立的单电机控制模型如图2所示。笔者在单电机控制中使用id=0控制，设i*d=0，通过转速差和转角差加权得到i*q，之后通过坐标变换得到abc相电流的输入值，并通过逆变器输入给电机。其中在 i*q的计算中，速差和转角差两者在计中的加权系数在机械主轴中是由主轴和连接器决定的。而在虚拟主轴之中则可以人为设定。由于控制目标是良好的同步性，且考虑到实际使用中需要减少机械连接损耗的需要，在建模过程中增加转角信号的比重，使得转角和转速之比为6 1。
　　本研究建立的主轴在Matlab中的模型如图3所示。在建模过程中由于式（2）的形式和PI控制器的数学形式基本相同，所以为了简化建模过程就考虑使用PI控制器模块来完成主轴转矩T 的计算。通过这个办法，在不改变系统传递函数关系的前提下，简化了建模过程。
　　考虑到虚拟主轴系统中，其所虚拟的主轴速度和电机真实转速无直接关联。故在加速阶段会出现主轴的转速与转角和电机实际有较大的差值。转速差值并不会对控制系统有较大影响，但是转角由于是转速的积分，且牵引电机加速有一个过程，并不能瞬间到达设定的转速，同时列车一般设定转速较高。所以在经过加速过程之后，主轴和电机内轴的转角会有较大的差值，而如果通过系统本身对差值进行调节则会出现较大的超调，超调值可能会达到设定转速的130%。这在实际的列车运行中是不允许的。解决办法由两个：一是采用目标转速逐渐增加的办法，使主轴和电机内轴同步，但这种办法设定的加速度难以确定，过大则依然会出现超调，过小则增长加速过程，且电机无法发挥最大转矩。另一种是在启动过程中仅考虑转速环进行控制，启动过程基本结束后，再加入转角环同时给转角环一个补偿值，来抵消之前加速过程中积累的转角差。这种方法能较好地利用电机最大转矩，较快的加速到达设定转速，同时也可以有效地消除加速过程结束之后的超调。
　　3 仿真结果与分析
　　本研究基于上述模型进行仿真，首先测试模型对于负载扰动的响应性能。笔者设定4台电机的转速为4 000 r/min，初始负载为1 300 Nm，0 s时4台电机初始速度都为0，开始带负载启动，分别在1.5 s，3 s，5 s时刻对电机1施加100 Nm，-50 Nm，-130 Nm的负载扰动，并在 8 s 时结束扰动，负载恢复为初始的 1300 Nm。
　　在启动和稳定运行阶段，当无负载扰动时4台电机之间都能保持较好的同步，且启动过程也较平稳和迅速，同时在启动结束也没有出现明显的超调，有着良好的启动性能。其在全过程中输出的转矩和设定的相同。当负载扰动出现后，系统内有扰动和无扰动电机之间的转速差十分不明显。
　　4 结束语
　　本研究的主要工作是将虚拟主轴控制应用到了高速铁路牵引电机之中，并且进行了建模仿真。通过仿真结果可以看出：
　　（1）虚拟主轴控制应用在列车牵引电机上有着响应迅速，同步性好，适用范围广等优点。
　　（2）高速列车牵引电机和传统的虚拟主轴控制应用场合有一定的不同，但通过对于加速过程的单独控制以及对于转角和转速比重的调节，能使得其适用于高速列车的应用条件。