基于高速動車組網(wǎng)絡的牽引電機控制研究

王元東 王元亮 宋程 王作航 徐濱全

摘要：本文首先建立基于高速動車組網(wǎng)絡的牽引電機控制模型。然后針對高速動車組交流異步牽引電機的非線性及強耦合特征，對牽引電機非線性模型使用逆系統(tǒng)法將其解耦為轉子磁鏈與轉子轉速兩個線性子系統(tǒng)，將線性化后的牽引電機模型引入列車通信控制網(wǎng)絡（Train Communication Network，TCN）之中，并使用動態(tài)輸出反饋控制法設計牽引電機的網(wǎng)絡控制器。最后進行實驗，實驗結果證明：本文采用動態(tài)輸出反饋控制法設計的網(wǎng)絡控制器比把PD控制器作為網(wǎng)絡控制器的方法更好，既可快速地實現(xiàn)轉速與轉子磁鏈的動態(tài)解耦也可使牽引電機的轉速更平穩(wěn)且轉子磁鏈曲線的超調(diào)量更小。

關鍵詞：高速動車組;牽引電機;TCN;網(wǎng)絡控制器;網(wǎng)絡時延

中圖分類號：U266.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）20-0063-02

0? 引言

交流異步牽引電機已被廣泛地應用于高速動車組的研制中。當前，高速動車組的牽引控制是通過TCN來實現(xiàn)的[1]。但TCN也給異步電機牽引系統(tǒng)帶來了網(wǎng)絡時延，使得對異步電機牽引控制系統(tǒng)的設計較困難。當前的網(wǎng)絡控制分析方法主要集中在線性系統(tǒng)領域，故要實現(xiàn)異步牽引電機的網(wǎng)絡化控制，就必須解決異步牽引電機線性化解耦的問題。本文針對以上問題，考慮不確定的網(wǎng)絡時延，采用逆系統(tǒng)法實現(xiàn)了轉子磁鏈與轉速的動態(tài)解耦控制。

1? 基于高速動車組網(wǎng)絡的牽引電機逆解耦控制模型

本文所研究的基于高速動車組網(wǎng)絡的異步牽引電機控制結構可分為：牽引電機偽線性復合系統(tǒng)、具有不確定時延的列車通信控制網(wǎng)絡、網(wǎng)絡控制器，如圖1所示。

1.1 高速動車組網(wǎng)絡控制系統(tǒng)與不確定的時延? 當前，研究表明高速動車組網(wǎng)絡控制系統(tǒng)存在時延，傳感器到控制器及控制器到執(zhí)行器均存在時延[2]。時延是導致系統(tǒng)不穩(wěn)定的重要因素。設？子sc與？子ca分別表示傳感器到控制器的時延、控制器到執(zhí)行器時延?？刂破髋c執(zhí)行器均由事件驅(qū)動，系統(tǒng)存在不確定時延，控制率一定時，傳感器到控制器的時延和控制器到執(zhí)行器時延可寫為？子k=？子sc+？子ca。0？燮？子min？燮？子k？燮？子max？燮T，其中？子max與？子min為常數(shù)，T為采樣周期。

1.2 基于高速動車組網(wǎng)絡的牽引電機控制模型? 牽引電機的驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡控制器提供的轉子轉速控制信號va與轉子磁通控制信號vb，使牽引電機輸出轉速與磁鏈幅值精確地跟蹤參考信號。網(wǎng)絡化的牽引電機控制系統(tǒng)狀態(tài)空間可描述為：

其中：

采樣周期為T，網(wǎng)絡化的異步牽引電機控制系統(tǒng)可被數(shù)字化為：

其中：椎1，？椎2是時變的。B1、B2、D、E為定常矩陣，其與F（？子K）的取值根據(jù)系統(tǒng)系數(shù)矩陣A的特征值為互異還是有零特征根和重根的情況而定，系統(tǒng)穩(wěn)定條件為FT（？子K）F（？子K）？燮I。

1.3 高速動車組牽引電機的網(wǎng)絡控制器? 使用動態(tài)輸出反饋控制法設計反饋控制器為：

其中，分別表示控制器的狀態(tài)、控制器的輸出，矩陣Ac、Bc和K是已知的適當維數(shù)的矩陣。當網(wǎng)絡時延為0？燮？子K？燮T時，考慮式（2）和（5），可得閉環(huán)系統(tǒng)模型為：

對包含不確定時延0？燮？子K？燮T的動態(tài)輸出反饋閉環(huán)系統(tǒng)，如存在正定矩陣P、M及N，且標量？著和？著1？叟0滿足W<0，則對任意滿足■條件的不確定時延，閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

2? 實驗與結果分析

本文將基于TCN標準的高速動車組的交流異步牽引電機作為研究對象，實驗中所用軟件為MATLAB。交流異步牽引電機的相關參數(shù)如下：額定電壓為2.75 kV，額定功率為562 kW，額定頻率為138 Hz，轉子漏電感為1.91 mH，定子漏電感為1.42 mH，互感為53.7 mH，極對數(shù)為2，磁鏈給定？鬃ref=1.52Wb，轉速給定？棕ref=205rad/s，系統(tǒng)實驗的結構框圖，如圖2所示。

當采用PD控制器補償網(wǎng)絡時延對系統(tǒng)的影響時[3]，采樣周期為0.01s。轉子磁鏈幅值與轉速初始值分別為？鬃ref=1.5Wb及？棕ref=205rad/s，在t=1.5s時給定轉速變?yōu)椋孔豶ef=314rad/s，而轉子磁鏈幅值在t=2.5s時，磁鏈為？鬃ref=0.8Wb，轉子磁鏈及轉速的輸出響應分別如圖3（a）、3（b）所示。當采用式（5）所述的網(wǎng)絡控制器來補償網(wǎng)絡時延對系統(tǒng)的影響時，轉子磁鏈及轉速的輸出響應分別如圖4（a）、4（b）所示。由圖3（a）與圖4（a）可知：當采用PD控制器時，牽引電機轉子磁鏈曲線的超調(diào)量較大且在25s后轉子磁鏈曲線振蕩很劇烈，但當采用本文所提出的網(wǎng)絡控制器時，牽引電機轉子磁鏈曲線的超調(diào)量明顯減小且轉子磁鏈曲線振蕩的程度顯著地得到改善。由圖3（b）與圖4（b）可知：當采用PD控制器時，牽引電機轉速曲線有明顯的振蕩且趨于穩(wěn)定的時間較長，但采用本文所提出的網(wǎng)絡控制器時，牽引電機轉速曲線較平穩(wěn)且趨于穩(wěn)定的時間明顯變短。

3? 結語

本文應用逆系統(tǒng)法對具有非線性、強耦合的異步牽引電機模型進行線性化解耦，然后考慮存在不確定網(wǎng)絡時延的情況，使用動態(tài)輸出反饋控制法設計反饋控制器。結果表明：本文所提出的方法可快速地實現(xiàn)轉速與轉子磁鏈的動態(tài)解耦，所設計的網(wǎng)絡控制器比PD控制器對有網(wǎng)絡不確定時延的系統(tǒng)具有更好的控制效果。

參考文獻：

[1]HESPANHAJP，NAGHSHTABRIZI P，XU Y G.Asurvey of recent results in networked control systems[J]. Proceedings of the IEEE， 2007， 95（1）：138-162.

[2]馮曉云.電力牽引交流傳動及其控制系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]SeppoSaarinen.WabtecECP Brake System[Z].Chicago：AnnualTechnicalConference，2000.