一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制方法及系统

1.本发明涉及轨道交通控制技术领域，尤其是涉及一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制方法及系统。


背景技术：

2.随着城市化进程和城镇建设的不断深入，城市轨道交通受到越来越多的青睐。在交通运输行业迅速发展，交通总体耗能指标不断增长，耗电量急速增长的背景下，城轨列车的高效控制研究具有重要意义。
3.城轨交通系统的运营具有计划性、组织性；但与此同时，由于客流时空分布不均匀、列车运行情况复杂等一系列原因，列车运行需要根据实际情况及时调整以实现“按需”启停，这对电机的控制提出了较高的要求。城轨车辆中最常使用的电机为异步电机，它具有成本低，易于安装、使用和维护等优点。
4.异步电机进行建模时，需要忽略空间中存在的谐波、磁路饱和与铁芯损耗。在三相静止坐标系下，异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
5.目前应用较为广泛的异步电机控制方法主要有矢量控制、直接转矩控制、自适应控制和基于人工智能的控制等方式。传统变频调速系统的控制量是电机定子电压幅值和频率，不能任意控制定子磁通和转子磁通矢量的大小和位置，具有精度低、能耗高、效率差的缺陷；
6.而矢量或直接转矩控制技术使得异步电机可以像直流电机一样进行控制，大大提高了交流电机的性能和使用范围。
7.交流异步电机的矢量控制有转子磁场定向、气隙磁场定向、定子磁场定向三种。通过坐标变换对电机模型进行简化处理后，在按转子磁链定向同步旋转坐标系中，可得等效的直流电机模型。类似于直流电机中对电磁转矩和磁链的控制，可将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三项坐标系中的对应量进行控制。传统的直接磁场定向实现过程中，若磁链的幅值或相位不准，则系统性能将大大降低。


技术实现要素：

8.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种实用性高、更为精准控制的基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制方法及系统，以使列车根据实际需要实现按需启停，从而进一步提升列车的牵引制动性能。
9.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
10.本发明给出了一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制方法，该方法包括以下步骤：
11.步骤s1、基于轮对定轴转动方程，确定城轨列车异步电机的负载转矩；
12.步骤s2、结合不同的路况和运载需求，确定列车运行策略；
13.步骤s3、基于磁链观测器，搭建城轨列车异步电机控制模型，对城轨列车异步电机
进行控制。
14.优选地，所述步骤s1包括以下子步骤：
15.步骤s11、基于轮对定轴转动方程，计算单动轴输出轮轴牵引力；
16.步骤s12、基于单动轴输出轮轴牵引力和牵引电机运动方程，计算列车实际运行过程中的电机实际负载转矩。
17.优选地，所述步骤s11具体为：
18.1)轮对定轴转动方程：
19.f
mwrg2-f
t
r＝jwαwꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
20.其中，f
mv
为电机通过主动轮对从动轮的作用力；r
g2
为从动齿轮半径；f
t
为单动轴输出轴轮牵引力；r为车辆半径；jw为轮对与从动机构转动惯量之和；αw为轮对转动角加速度，计算公式为：
[0021][0022]
其中，ωw为轮对角速度，γ为蠕滑率，v为车辆直线运行速度；
[0023]
2)考虑轮轨之间的蠕滑现象，根据牛顿第二定律和轮对定轴转动方程，得到单动轴输出轮轴牵引力，表达式为：
[0024][0025]
其中，m为单动轴分配质量，fm为单动轴分配阻力，m为单动轴分配质量。
[0026]
优选地，所述步骤s12具体为：
[0027]
1)对于牵引电机，有运动方程：
[0028][0029]
其中，tm为牵引电机输出转矩，t
l
为牵引电机实际负载转矩，ωm为牵引电机机械角速度；
[0030]
2)齿轮存在传动效率，满足：
[0031]
t
l
＝f
wmrg1
＝f
mwrg1
/η
gear
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0032]
其中，η
gear
为齿轮传动效率。r
g1
为主动齿轮半径。
[0033]
3)电机实际负载转矩，表达式为：
[0034][0035]
式中，jw为轮对与从动机构的转动惯量之和；r为从动车轮半径；η
gear
为齿轮传动效率；ig为齿轮传动比；nm为牵引电机个数；m为车辆编组总质量；ωm为牵引电机角机械速度；f为车辆编组总阻力。
[0036]
优选地，所述步骤s2中的列车运行策略包括节时牵引策略、节能牵引策略和舒适牵引策略。
[0037]
优选地，所述步骤s3中的城轨列车异步电机控制模型为基于转子磁场定向控制的城轨列车异步电机控制模型，具体为：
[0038]
对交流电动机的采集电流信号ia、ib、ic进行clarke变换得到i
α
、i
β
，在进行park变换得到旋转正交坐标系下id、iq；
[0039]
将异步电机的采集电流信号输入至磁链观测器，磁链观测器输出转子磁链观测值，经过转速计算得到转速观测值；将给定转速与转速观测值的偏差输入至转速调节器，输出控制电流
[0040]
将输出电流与采集电流iq的偏差输入至电流调节器，将给定励磁电流与采集电流id的偏差输入至电流调节器，将两个电流调节器的输出依次经过ipark变换、空间矢量脉宽调制svpwm调节后作用于逆变器，由逆变器间接控制异步电机，形成闭环控制。
[0041]
优选地，所述磁链观测器为基于dq轴坐标系的转子磁链观测器，令d轴与转子磁链矢量重合，称作按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系：
[0042]
1)dq坐标系下的电压方程为：
[0043][0044]
式中，u
sd
、i
sd
、ψ
sd
分别为定子电压、电流、磁链沿d轴的分量，u
sq
、i
sq
、ψ
sq
分别为定子电压、电流、磁链沿q轴的分量；u
rd
、i
rd
、ψ
rd
分别为转子电压、电流、磁链沿d轴的分量，u
rq
、i
rq
、ψ
rq
分别为转子电压、电流、磁链沿q轴的分量；ω为转子转速，ω1为相对于定子dq坐标轴的旋转角速度；rs、rr分别为定子等效两绕组的电阻、转子等效两绕组的电阻；
[0045]
2)磁链方程为：
[0046][0047]
式中，ls为定子等效两绕组的自感，lr为转子等效两绕组的自感，lm为定子与转子同轴等效绕组间的互感；
[0048]
3)根据电压方程和磁链方程，计算转子磁链ψr和同步角速度ω1：
[0049][0050][0051]
将同步角速度ω1积分之后得到电机内部的旋转变换角度θ。
[0052]
优选地，所述空间矢量脉宽调制svpwm过程具体为：
[0053]
1)将交流电动机模型变换为等效直流电动机模型；
[0054]
2)进行扇区判断：
[0055]
逆变器输出的三相电压形成的空间矢量为：
[0056][0057]
定义参考变量以及约束条件，得到扇区值n与扇区号s具体的对应关系；
[0058]
3)计算作用时间：
[0059]
一个开关周期t0，某一时刻，电压矢量us旋转到第一扇区的某个位置，则us可由该区域的两个相邻非零矢量u1,u2和零矢量u0在时间上的不同组合得到，设三者的作用时间分别是t1,t2,t0，根据平衡等效原则，可得：
[0060]us
t0＝u1t1+u2t2+u0t0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0061]
其中，t0＝t1+t2+t0；
[0062]
定义参考变量：
[0063][0064]
得到各扇区内t1,t2,t0的值；
[0065]
根据七步法计算扇区矢量切换点输出空间矢量脉宽调制svpwm信号。
[0066]
优选地，所述定义参考变量以及约束条件，得到扇区值n与扇区号s具体的对应关系，具体为：
[0067]
定义参考变量为：
[0068][0069]
约束条件满足：
[0070][0071]
得到扇区值n＝a+2b+4c与扇区号s具体的对应关系。
[0072]
根据本发明的第二方面，提供了一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制系统，该系统包括：
[0073]
对交流电动机的采集电流信号ia、ib、ic经过clarke变换模块得到i
α
、i
β
，在经过park变换模块得到旋转正交坐标系下id、iq；
[0074]
将异步电机的采集电流信号输入至磁链观测器，磁链观测器输出转子磁链观测值，经过转速计算模块计算得到转速观测值；将给定转速与转速观测值的偏差输入至转速
调节器，输出控制电流
[0075]
将输出电流与采集电流iq的偏差输入至电流调节器，将给定励磁电流与采集电流id的偏差输入至电流调节器，将两个电流调节器的输出依次经过ipark变换模块、空间矢量脉宽调制svpwm模块调节后作用于逆变器，由逆变器间接控制异步电机，形成闭环控制；
[0076]
所述磁链观测器的实现上述的方法。
[0077]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0078]
1)将城轨列车的负载计算、牵引方式与基于磁链观测器的异步电机控制分离开来，增加了异步电机控制方式的一般实用性，适用于任意列车在任意运行工况下的电机控制；
[0079]
2)磁链观测器的设计中，交流电机的定子电压、电流和转速等都是易于测得的物理量，利用转子磁链观察模型可实现精准的磁链观测，通过异步电机模型的解耦实现矢量控制。
附图说明
[0080]
图1为不同牵引策略示意图；
[0081]
图2为磁链观测器实现图；
[0082]
图3为svpwm算法的实现；
[0083]
图4为基于磁链观测器的异步电机整体控制模型；
[0084]
图5为基于磁链观测器的城轨列车异步电机控制方法实现流程图；
[0085]
图6为实施例中的电机转速；
[0086]
图7为实施例中的电机转矩；
[0087]
图8为实施例中的电机三相电子电流；
[0088]
图9为磁链观测器观测到的磁链值。
具体实施方式
[0089]
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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0090]
实施例
[0091]
本实施例给出一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制方法，该方法包括以下步骤：
[0092]
步骤s1、基于轮对定轴转动方程，确定城轨列车异步电机的负载转矩；
[0093]
步骤s2、结合不同的路况和运载需求，确定列车运行策略，得到预设定速度和加速度轨迹；
[0094]
步骤s3、基于磁链观测器，搭建城轨列车异步电机控制模型，根据预设定速度和加速度轨迹，对城轨列车异步电机进行控制。
[0095]
接下来，对本发明的方法进行详细介绍，如图5所示。
[0096]
1、负载转矩的确定
[0097]
步骤s11、基于轮对定轴转动方程，计算单动轴输出轮轴牵引力，具体为：
[0098]
1)轮对定轴转动方程：
[0099]fmwrg2-f
t
r＝jwαwꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0100]
其中，f
mv
为电机通过主动轮对从动轮的作用力；r
g2
为从动齿轮半径；f
t
为单动轴输出轴轮牵引力；r为车辆半径；jw为轮对与从动机构转动惯量之和；αw为轮对转动角加速度，计算公式为：
[0101][0102]
其中，ωw为轮对角速度，γ为蠕滑率，v为车辆直线运行速度；
[0103]
2)考虑轮轨之间的蠕滑现象，根据牛顿第二定律和轮对定轴转动方程，得到单动轴输出轮轴牵引力，表达式为：
[0104][0105]
其中，m为单动轴分配质量，fm为单动轴分配阻力，m为单动轴分配质量。
[0106]
步骤s12、基于单动轴输出轮轴牵引力和牵引电机运动方程，计算列车实际运行过程中的电机实际负载转矩，具体为：
[0107]
1)对于牵引电机，有运动方程：
[0108][0109]
其中，tm为牵引电机输出转矩，t
l
为牵引电机实际负载转矩，ωm为牵引电机机械角速度；
[0110]
2)齿轮存在传动效率，满足：
[0111]
t
l
＝f
wmrg1
＝f
mwrg1
/η
gear
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0112]
其中，f
mw
为电机通过主动轮对从动轮的作用力，r
g1
为主动齿轮半径，η
gear
为齿轮传动效率；
[0113]
3)电机实际负载转矩，表达式为：
[0114][0115]
式中，jw为轮对与从动机构的转动惯量之和，η
gear
为齿轮传动效率，ig为齿轮传动比，m为车辆编组总质量，r为从动车轮半径，nm为牵引电机个数，γ为蠕滑率，ωm为牵引电机角机械速度；f为车辆编组总阻力。
[0116]
在列车实际运行过程中，由于蠕滑现象仅仅出现在车轮发生空转或滑行的情况下，故在正常行驶下可以忽略不计。则由以上关系式，可得电机实际负载转矩为：
[0117]
[0118]
式中，jw为轮对与从动机构的转动惯量之和；r为从动车轮半径；η
gear
为齿轮传动效率；γ为蠕滑率；ig为齿轮传动比；nm为牵引电机(动轴)个数；m为车辆编组总质量；ωm为牵引电机角机械速度；f为车辆编组总阻力。经测算，某城轨列车采用4动2拖的固定编组方式，列车满载时的负载转矩大约为2000n
·
m，制动时约为-1200n
·
m。
[0119]
2、列车运行策略的确定
[0120]
根据交通站间不同的路况、运载需求，列车会经历频繁的启、制动。通过分析列车受力、运行过程，可以明确列车在整个行驶过程中的运行情况，从而合理规划运行策略。目前实际工程研究中，最常用的三种策略是节时牵引策略、节能牵引策略和舒适牵引策略。如图1所示。
[0121]
节时牵引策略：要求列车以最短时间走完规定区间路程。列车以最大牵引力启动，达到最大速度v
max
后，以该速度匀速行驶一段时间，再以最大制动力减速运行直至停车。
[0122]
节能牵引策略：要求列车以最小能量损失走完规定区间路程。实际工程应用中，很难在每条线路都实现“最大加速-匀速行驶-惰行-最大制动”这种相对较优的操纵序列，只能以最大牵引力加速至v
t
，根据时间需求合理分配在s
t1
到s
t2
间匀速和惰行工况的比例，再采用最大制动力制动。
[0123]
舒适牵引策略：要求列车优先满足乘客舒适度的要求。相关研究指出适用于80％的乘客舒适度的最高加/减速度范围是1.2-1.4m/s2。
[0124]
本实施例中，列车运行时采用节能牵引策略，该策略要求列车以最短时间走完规定区间路程。列车以最大牵引力启动，达到最大速度v
max
后，以该速度匀速行驶一段时间，再以最大制动力减速运行直至停车。列车运行最大速度为80km/h，加速度为1m/s2。
[0125]
3、磁链观测器的设计
[0126]
交流异步电机的矢量控制通常有转子磁场定向、气隙磁场定向、定子磁场定向三种。传统的直接磁场定向实现过程中，若磁链的幅值或相位不准确，则系统性能将大大降低。按转子磁场定向可以实现励磁电流和转矩电流的完全解耦，从而实现磁场控制和转矩控制的完全解耦。
[0127]
磁链观测器的设计过程如图2所示。
[0128]
基于dq轴坐标系的转子磁链观测器，令d轴与转子磁链矢量重合，称作按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系。dq坐标系下的电压方程为：
[0129][0130]
式中，u
sd
、i
sd
、ψ
sd
分别为定子电压、电流、磁链沿d轴的分量，u
sq
、i
sq
、ψ
sq
分别为定子电压、电流、磁链沿q轴的分量。转子的电压、电流、磁链在dq轴上的分量与定子相似。ω为转子转速，ω1为相对于定子dq坐标轴的旋转角速度。
[0131]
dq坐标系下磁链方程为：
[0132][0133]
式中，ls为定子等效两绕组的自感，lr为转子等效两绕组的自感，lm为定子与转子同轴等效绕组间的互感。
[0134]
dq坐标系下转矩方程为：
[0135][0136]
dq旋转坐标系的旋转角速度ω1为：
[0137][0138]
定义坐标系的旋转角速度ω1与转子转速ω的差为转差ωs：
[0139][0140]
由状态方程
[0141][0142]
可以推出转子磁链ψr为：
[0143][0144]
其中，p为微分算子d/dt；tr为电磁时间常数：tr＝lr/rr，rr为转子等效两绕组的电阻。
[0145]
ω1积分之后即为电机内部的旋转变换角度θ。磁链观测器的设计如图1～5所示.
[0146]
转子磁链ψr和同步角速度ω1：
[0147][0148][0149]
ω1积分之后为电机内部的旋转变换角度θ。根据以上内容即可设计出磁链观测器。
[0150]
4、基于磁链观测器的城轨列车异步电动机的控制方法
[0151]
确定城轨列车异步电机的负载转矩；城轨列车运行策略分类，结合不同的路况和运载需求确定列车运行策略；基于磁链观测器，构建城轨列车异步电机控制系统，具体步骤为：
[0152]
1)svpwm算法的实现，如图3所示，具体包括以下步骤：
[0153]
step1、坐标变换
[0154]
坐标变换的目的是将交流电动机模型变换为等效直流电动机模型，通过变换，电机的分析和控制可大大简化。常用的坐标变换包括clarke变换和park变换两种。
[0155]
clarke变换是从三相坐标系abc变换到两相正交坐标系αβ，变换公式为：
[0156][0157]
park变换是从静止两相正交坐标系αβ变换到旋转正交坐标系dq，变换公式为：
[0158][0159]
step2、扇区判断
[0160]
逆变器输出的三相电压形成的空间矢量为：
[0161][0162]
定义以下参考变量：
[0163][0164]
再定义：
[0165]
可得扇区值n＝a+2b+4c与扇区号s具体的对应关系，如表1所示：
[0166]
表1
[0167]
扇区号s
ⅰⅱⅲⅳⅴⅵ
扇区值n315462
[0168]
step3、作用时间计算
[0169]
一个开关周期t0，某一时刻，电压矢量us旋转到第一扇区的某个位置，则us可由该区域的两个相邻非零矢量u1,u2和零矢量u0在时间上的不同组合得到，设三者的作用时间分别是t1,t2,t0，根据平衡等效原则，可得：
[0170]us
t0＝u1t1+u2t2+u0t0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0171]
其中，t0＝t1+t2+t0。
[0172]
定义以下参考变量：
[0173]
可得各扇区内t1,t2,t0的值，如表2所示：
[0174]
表2
[0175]
n123456t1zy-z-xx-yt2y-xxz-y-z
[0176]
根据七步法计算扇区矢量切换点即可输出svpwm信号。
[0177]
2)通过磁链观测器中的位置估算得出park变换中的并观测磁链数值；
[0178]
3)搭建异步电机控制系统整体模型。
[0179]
图4为基于磁链观测器的异步电机整体控制模型。
[0180]
接下来，给出本发明的系统实施例。一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制系统，该系统包括外环转速调节器asr、内环电流调节器acr、park变换及其逆变换、clark变换、电压矢量调制svpwm、磁链观测器等模块，采用转速-电流双闭环反馈控制，内外环均采用pi调节器。外环转速调节器asr实现转速稳定时的无静差控制，内环电流调节器acr控制电流跟随转速调节器的输出量变化。图中，n
*
为给定转速，i
d*
为给定励磁电流，i
q*
为给定转矩电流，id、iq为经2s/2r反变换到与转子磁链方向一致的dq坐标系内的电流，i
α
、i
β
为静止两相坐标系αβ内的电流，为转子磁链位置角。
[0181]
具体为：
[0182]
对交流电动机的采集电流信号ia、ib、ic经过clarke变换模块得到i
α
、i
β
，在经过park变换模块得到旋转正交坐标系下id、iq；
[0183]
将异步电机的采集电流信号输入至磁链观测器，磁链观测器输出转子磁链观测值，经过转速计算模块计算得到转速观测值；将给定转速与转速观测值的偏差输入至转速调节器，输出控制电流将输出电流与采集电流iq的偏差输入至电流调节器，将给定励磁电流与采集电流id的偏差输入至电流调节器，将两个电流调节器的输出依次经过ipark变换模块、空间矢量脉宽调制svpwm模块调节后作用于逆变器，由逆变器间接控制异步电机，形成闭环控制；磁链观测器的实现基于上述的磁链观测器设计方法。
[0184]
图6～9分别为本实施例中的电机转速、电机转矩、电机三相电子电流、磁链观测器观测到的磁链值结果图。
[0185]
本发明提出的基于磁链观测器的城轨列车异步电机的控制方法，可以使列车根据实际需要实现“按需”启停，从而进一步提升列车的牵引制动性能。
[0186]
本发明电子设备包括中央处理单元(cpu)，其可以根据存储在只读存储器(rom)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(ram)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在ram中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。cpu、rom以及ram通过总线彼此相连。输入/输出(i/o)接口也连接至总线。
[0187]
设备中的多个部件连接至i/o接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
[0188]
处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法s1～s3。例如，在一些实施例中，方法s1～s3可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由rom和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到ram并由cpu执行时，可以执行上文描述的方法s1～s3的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，cpu可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法s1～s3。
[0189]
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、专用标准产品(assp)、芯片上系统的系统(soc)、负载可编程逻辑设备(cpld)等等。
[0190]
用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
[0191]
在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
[0192]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤s1、基于轮对定轴转动方程，确定城轨列车异步电机的负载转矩；步骤s2、结合不同的路况和运载需求，确定列车运行策略，得到预设定速度和加速度轨迹；步骤s3、基于磁链观测器，搭建城轨列车异步电机控制模型，根据预设定速度和加速度轨迹，对城轨列车异步电机进行控制。2.根据权利要求1所述的一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制方法，其特征在于，所述步骤s1包括以下子步骤：步骤s11、基于轮对定轴转动方程，计算单动轴输出轮轴牵引力；步骤s12、基于单动轴输出轮轴牵引力和牵引电机运动方程，计算列车实际运行过程中的电机实际负载转矩。3.根据权利要求2所述的一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制方法，其特征在于，所述步骤s11具体为：1)轮对定轴转动方程：f
mw
r
g2-f
t
r＝j
w
α
w
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，f
mv
为电机通过主动轮对从动轮的作用力；r
g2
为从动齿轮半径；f
t
为单动轴输出轴轮牵引力；r为车辆半径；j
w
为轮对与从动机构转动惯量之和；α
w
为轮对转动角加速度，计算公式为：其中，ω
w
为轮对角速度，γ为蠕滑率，v为车辆直线运行速度；2)考虑轮轨之间的蠕滑现象，根据牛顿第二定律和轮对定轴转动方程，得到单动轴输出轮轴牵引力，表达式为：其中，m为单动轴分配质量，f
m
为单动轴分配阻力，m为单动轴分配质量。4.根据权利要求3所述的一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制方法，其特征在于，所述步骤s12具体为：1)对于牵引电机，有运动方程：其中，t
m
为牵引电机输出转矩，t
l
为牵引电机实际负载转矩，ω
m
为牵引电机机械角速度；2)齿轮存在传动效率，满足：t
l
＝f
wm
r
g1
＝f
mw
r
g1
/η
gear
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，f
mw
为电机通过主动轮对从动轮的作用力，r
g1
为主动齿轮半径，η
gear
为齿轮传动效率；
3)电机实际负载转矩，表达式为：式中，j
w
为轮对与从动机构的转动惯量之和，η
gear
为齿轮传动效率，i
g
为齿轮传动比，m为车辆编组总质量，r为从动车轮半径，n
m
为牵引电机个数，γ为蠕滑率，ω
m
为牵引电机角机械速度；f为车辆编组总阻力。5.根据权利要求1所述的一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制方法，其特征在于，所述步骤s3中的城轨列车异步电机控制模型为基于转子磁场定向控制的城轨列车异步电机控制模型，具体为：对交流电动机的采集电流信号i
a
、i
b
、i
c
进行clarke变换得到i
α
、i
β
，在进行park变换得到旋转正交坐标系下i
d
、i
q
；将异步电机的采集电流信号输入至磁链观测器，磁链观测器输出转子磁链观测值，经过转速计算得到转速观测值；将给定转速与转速观测值的偏差输入至转速调节器，输出控制电流将输出电流与采集电流i
q
的偏差输入至电流调节器，将给定励磁电流与采集电流i
d
的偏差输入至电流调节器，将两个电流调节器的输出依次经过ipark变换、空间矢量脉宽调制svpwm调节后作用于逆变器，由逆变器间接控制异步电机，形成闭环控制。6.根据权利要求5所述的一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制方法，其特征在于，所述磁链观测器为基于dq轴坐标系的转子磁链观测器，令d轴与转子磁链矢量重合，称作按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系：1)dq坐标系下的电压方程为：式中，u
sd
、i
sd
、ψ
sd
分别为定子电压、电流、磁链沿d轴的分量，u
sq
、i
sq
、ψ
sq
分别为定子电压、电流、磁链沿q轴的分量；u
rd
、i
rd
、ψ
rd
分别为转子电压、电流、磁链沿d轴的分量，u
rq
、i
rq
、ψ
rq
分别为转子电压、电流、磁链沿q轴的分量；ω为转子转速，ω1为相对于定子dq坐标轴的旋转角速度；r
s
、r
r
分别为定子等效两绕组的电阻、转子等效两绕组的电阻；2)磁链方程为：式中，l
s
为定子等效两绕组的自感，l
r
为转子等效两绕组的自感，l
m
为定子与转子同轴等效绕组间的互感；3)根据电压方程和磁链方程，计算转子磁链ψ
r
和同步角速度ω1：
将同步角速度ω1积分之后得到异步电机内部的旋转变换角度θ。7.根据权利要求5所述的一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制方法，其特征在于，所述空间矢量脉宽调制svpwm过程具体为：1)将交流电动机模型变换为等效直流电动机模型；2)进行扇区判断：逆变器输出的三相电压形成的空间矢量为：定义参考变量以及约束条件，得到扇区值n与扇区号s具体的对应关系；3)计算作用时间：一个开关周期t0，某一时刻，电压矢量u
s
旋转到第一扇区的某个位置，则u
s
可由该区域的两个相邻非零矢量u1,u2和零矢量u0在时间上的不同组合得到，设三者的作用时间分别是t1,t2,t0，根据平衡等效原则，可得：u
s
t0＝u1t1+u2t2+u0t0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)其中，t0＝t1+t2+t0；定义参考变量：得到各扇区内t1,t2,t0的值；根据七步法计算扇区矢量切换点输出空间矢量脉宽调制svpwm信号。8.根据权利要求7所述的一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制方法，其特征在于，所述定义参考变量以及约束条件，得到扇区值n与扇区号s具体的对应关系，具体为：定义参考变量为：约束条件满足：
得到扇区值n＝a+2b+4c与扇区号s具体的对应关系。9.根据权利要求1所述的一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制方法，其特征在于，所述步骤s2中的列车运行策略包括节时牵引策略、节能牵引策略和舒适牵引策略。10.一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制系统，其特征在于，该系统包括：对交流电动机的采集电流信号i
a
、i
b
、i
c
经过clarke变换模块得到i
α
、i
β
，在经过park变换模块得到旋转正交坐标系下i
d
、i
q
；将异步电机的采集电流信号输入至磁链观测器，磁链观测器输出转子磁链观测值，经过转速计算模块计算得到转速观测值；将给定转速与转速观测值的偏差输入至转速调节器，输出控制电流将输出电流与采集电流i
q
的偏差输入至电流调节器，将给定励磁电流与采集电流i
d
的偏差输入至电流调节器，将两个电流调节器的输出依次经过ipark变换模块、空间矢量脉宽调制svpwm模块调节后作用于逆变器，由逆变器间接控制异步电机，形成闭环控制；所述磁链观测器的实现基于权利要求7所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种基于磁链观测器的城轨交通异步电机控制方法及系统，该方法包括以下步骤：步骤S1、基于轮对定轴转动方程，确定城轨列车异步电机的负载转矩；步骤S2、结合不同的路况和运载需求，确定列车运行策略，得到预设定速度和加速度轨迹；步骤S3、基于磁链观测器，搭建城轨列车异步电机控制模型，根据预设定速度和加速度轨迹，对城轨列车异步电机进行控制。与现有技术相比，本发明将城轨列车的负载计算、牵引方式与基于磁链观测器的异步电机控制分离开来，增加了异步电机控制方式的一般实用性，利用转子磁链观测器可实现更精准的磁链观测，通过异步电机模型的解耦实现矢量控制。通过异步电机模型的解耦实现矢量控制。通过异步电机模型的解耦实现矢量控制。


技术研发人员：陆润芝 潘登
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/8/5