无速度传感器的动车组牵引电机控制算法
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２ ． ２ 转 速 的数学模 型
２ ． １ ． １ 基 于电压模 型 的方法 该 方法 的基 本思 想是 利用检 测得 到 的 电机 电
压 和 电流 ， 通 过静 止坐 标 系 下 的 电机 等 效 电路 推 导 出来 的方式 来计 算转 子 的磁链 ］ ． ｄ 轴转 子磁 链
，
和 电磁 兼 容 问题 同样 困扰 着 我们 ， 本 文 旨在通 过 建 立无 速 度传 感 器 的 牵 引 电机 矢 量 控 制 模 型 ， 为 提 高动 车组 的牵引 电机 控制 算 法提供 一 种新 的理 论 支持 ， 进 而提 高动 车组 的稳 定性 和 可靠 性 ．
过３ ｓ ／ ２ Ｓ 变换 ， 可 以等 效成 两 相静 止 坐 标 系下 的 电流 ｉ 和 ， 再 经 过 同步旋 转变换 ， 把 电机 定子 电 流分 解成 互相 垂直 的励 磁 电流 ｉ 和转矩 电流 ｉ ． 当观 察着 站在 铁心 上 ， 并与 坐标 系一起 旋 转时 ， 交
０ ９ ＝Ｋ ＋ （ ， 一 ， ） （ ７ ）
的计 算 方程 为
（ 一ｏ － Ｌ ） （ １ ）
式 中， 为转 子 电流 ； Ｌ 为励 磁 电流 ； Ｌ 为 定 子 电流 ； 为漏磁 系数 ； 为ｄ 轴定 子 电流 ； 为
制 、 ， 的矢 量控 制系统 ， 如图 １ 所示 ， 其 中ｉ 、 ｉ 、
ｉ 为三 相交 流输 入 ， 为 转速输 出 Ｊ ．
圈 ｉ ． ＊ ， 圈 ｉ ａ ｉ ｌ 置 ｉ ４
图１ 牵 引电机矢量控制基本原理
爿 ÷ 收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ ０ — ３ ０
基金项 目： 长春市科技支撑资助项 目（ １ ０ Ｋ Ｚ ０ ９ ） 作者简介 ： 赵 海波（ １ ９ ７ ８一） ， 男， 工程师 ， 博士 ， 主要从事的轨道车辆牵 引系统 、 试验测试的研究
Ｅ－ ｍａ ｉ ｌ ： ｚ ｈ ａ ｏ ｈ ａ ｉ ｂ ｏ ＠ｃ ｃ ｅ ａ ｒ ． ｃ ｏ ｍ． ｃ ｎ ．
电机 ， 因此 ， 可 以模仿 直 流 电机 的控 制方 法来 实现
１ 牵 引 电机 的控 制
目前 国际上最 常 用 的动 车组牵 引 电机 控制 技 术有 两种 ： 矢 量控 制 和直接 转矩 控 制 ， 我 国的动 车 组 普遍 采 用 的是矢 量控 制 ¨ ｊ ． 矢 量 控 制 的主 要 思 想是将 牵 引 电机 的定 子 电流变 换 到 以转子磁 场 定
文 献标 识 码 ： Ａ
Ｕ 引 百
实现 对磁 场 电流 和转矩 电流的独 立控 制 Ｅ ２ － ３ １ ． 在 三相 坐标 系下 的定 子 交 流 电流 ｉ 。 、 ｉ 、 ｉ 。 通
目前 的动 车组 牵 引 电机 的控 制 算 法 中 ， 速 度
信号都是通过在牵引电机的非驱动端安装的速度 传感器获得的 ， 但 是在此位置安装传感器面临着 工艺 方 面 的困难 ， 同 时 速度 传 感 器 的工 作 稳 定 性
第３ ４卷 第 ２期 ２ ０ １ ３年 ４月
大
连
交
通
大 学
学
报
Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ． ２ Ａｐｒ ． ２ ０１ ３
Ｊ ＯＵＲ ＮＡＬ ＯＦ ＤＡＬ Ｉ Ａ Ｎ Ｊ Ｉ ＡＯ ＴＯ ＮＧ ＵＮＩ ＶＥ ＲＳ Ｉ Ｔ Ｙ
文章编号 ： １ ６ ７ ３ － ９ ５ ９ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ １ ０ １ — ０ ３
Байду номын сангаас
１ ０ ２
大 连 交 通 大 学 学 报
第３ ４卷
２ 牵 引 电机 的 矢量 控 制 模 型
２ ． １ 磁 链 的数学 模型
压模 型 的转子 磁链 模 型相 比 ， 基 于 电流模 型 的转 子磁 链模 型可 以在 电机转 速 相对宽 的范 围内取得 良好 的精 度 Ｊ ．
＝
建立 转 速 的数 学模 型 的主要思 想是 通过 检测 电机定子 电流和 电压值 后 计 算 得 到其 数 值 ， 具 体 计算 方法 很多 ， 主要 有模 型参 考 自适 应算 法 、 卡尔 曼滤 波算 法和 神 经元 网络 算 法 、 应 用模 型参 考 自 适用算 法 以及式 （ ３ ）～（ ６ ） ， 可 以得 到 如下 的转速 数 学模 型 ｌ １ ｏ ｌ ：
对 异 步 电机 的控 制 ， 先 求 得直 流 电机 的控 制量 ， 再
经 过相 应 的坐标 反 变换 ， 就 实 现 了异 步 电机 的矢 量 控制 ［ ４ － ５ ］ ． 根 据 等 效 控 制理 论 ， 可 以构 成 直接 控
向的轴系 中， 经过力矩调节后 ， 将控制量反变换到
三相 系统 ， 经逆 变 器调 节 电机 的定子 电流和频 率 ，
等方面存在难度 的问题 ， 提 出了一种 基于无速度传感器 的动 车组牵 引电机控制算法 ， 摆脱 了原有控 制算 法中对速度信号 的依赖 ， 即通过建立 转子磁链观测模型和转速估计数 学模 型 ， 对 动车组 的牵引 电机 进行 矢量控制 ， 仿 真结果表 明， 该算法能得到 良好 的控制 效果． 关键词 ： 无速度传感器 ； 转子磁链 ； 转速 ； 牵引电机
无 速 度 传 感 器 的 动 车 组 牵 引 电机控 制算 法
赵 海波 ， 王有文 ， 于冰 洋
（ 中国北车集 团 长 春轨道客车股份有 限公 司 技术 中心基础研发部 ， 吉林 长春 １ ３ ０ １ ３ ９ ） 米
摘
要： 针对 目前 动车组牵引 电机 的控制算 法 中速度信号 的获取方法在工 艺安 装 、 电磁兼 容以及 可靠 性
流电机便等效成了直流电机． 其中， 交流电机的转
子总 磁通 就变 成 了等效 的直 流 电机 的磁通 ，
绕 组 相 当于直 流 电机 的励 磁 绕 组 ， ｉ 相 当于励 磁
电流 ， 绕组相 当于伪静止绕组 ， ｉ 相当于与转矩
成 正 比的电枢 电流 ， 这样 ， 异 步 电机便 等效成 直 流
２ ． １ ． １ 基 于电压模 型 的方法 该 方法 的基 本思 想是 利用检 测得 到 的 电机 电
压 和 电流 ， 通 过静 止坐 标 系 下 的 电机 等 效 电路 推 导 出来 的方式 来计 算转 子 的磁链 ］ ． ｄ 轴转 子磁 链
，
和 电磁 兼 容 问题 同样 困扰 着 我们 ， 本 文 旨在通 过 建 立无 速 度传 感 器 的 牵 引 电机 矢 量 控 制 模 型 ， 为 提 高动 车组 的牵引 电机 控制 算 法提供 一 种新 的理 论 支持 ， 进 而提 高动 车组 的稳 定性 和 可靠 性 ．
过３ ｓ ／ ２ Ｓ 变换 ， 可 以等 效成 两 相静 止 坐 标 系下 的 电流 ｉ 和 ， 再 经 过 同步旋 转变换 ， 把 电机 定子 电 流分 解成 互相 垂直 的励 磁 电流 ｉ 和转矩 电流 ｉ ． 当观 察着 站在 铁心 上 ， 并与 坐标 系一起 旋 转时 ， 交
０ ９ ＝Ｋ ＋ （ ， 一 ， ） （ ７ ）
的计 算 方程 为
（ 一ｏ － Ｌ ） （ １ ）
式 中， 为转 子 电流 ； Ｌ 为励 磁 电流 ； Ｌ 为 定 子 电流 ； 为漏磁 系数 ； 为ｄ 轴定 子 电流 ； 为
制 、 ， 的矢 量控 制系统 ， 如图 １ 所示 ， 其 中ｉ 、 ｉ 、
ｉ 为三 相交 流输 入 ， 为 转速输 出 Ｊ ．
圈 ｉ ． ＊ ， 圈 ｉ ａ ｉ ｌ 置 ｉ ４
图１ 牵 引电机矢量控制基本原理
爿 ÷ 收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ ０ — ３ ０
基金项 目： 长春市科技支撑资助项 目（ １ ０ Ｋ Ｚ ０ ９ ） 作者简介 ： 赵 海波（ １ ９ ７ ８一） ， 男， 工程师 ， 博士 ， 主要从事的轨道车辆牵 引系统 、 试验测试的研究
Ｅ－ ｍａ ｉ ｌ ： ｚ ｈ ａ ｏ ｈ ａ ｉ ｂ ｏ ＠ｃ ｃ ｅ ａ ｒ ． ｃ ｏ ｍ． ｃ ｎ ．
电机 ， 因此 ， 可 以模仿 直 流 电机 的控 制方 法来 实现
１ 牵 引 电机 的控 制
目前 国际上最 常 用 的动 车组牵 引 电机 控制 技 术有 两种 ： 矢 量控 制 和直接 转矩 控 制 ， 我 国的动 车 组 普遍 采 用 的是矢 量控 制 ¨ ｊ ． 矢 量 控 制 的主 要 思 想是将 牵 引 电机 的定 子 电流变 换 到 以转子磁 场 定
文 献标 识 码 ： Ａ
Ｕ 引 百
实现 对磁 场 电流 和转矩 电流的独 立控 制 Ｅ ２ － ３ １ ． 在 三相 坐标 系下 的定 子 交 流 电流 ｉ 。 、 ｉ 、 ｉ 。 通
目前 的动 车组 牵 引 电机 的控 制 算 法 中 ， 速 度
信号都是通过在牵引电机的非驱动端安装的速度 传感器获得的 ， 但 是在此位置安装传感器面临着 工艺 方 面 的困难 ， 同 时 速度 传 感 器 的工 作 稳 定 性
第３ ４卷 第 ２期 ２ ０ １ ３年 ４月
大
连
交
通
大 学
学
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Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ． ２ Ａｐｒ ． ２ ０１ ３
Ｊ ＯＵＲ ＮＡＬ ＯＦ ＤＡＬ Ｉ Ａ Ｎ Ｊ Ｉ ＡＯ ＴＯ ＮＧ ＵＮＩ ＶＥ ＲＳ Ｉ Ｔ Ｙ
文章编号 ： １ ６ ７ ３ － ９ ５ ９ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ １ ０ １ — ０ ３
Байду номын сангаас
１ ０ ２
大 连 交 通 大 学 学 报
第３ ４卷
２ 牵 引 电机 的 矢量 控 制 模 型
２ ． １ 磁 链 的数学 模型
压模 型 的转子 磁链 模 型相 比 ， 基 于 电流模 型 的转 子磁 链模 型可 以在 电机转 速 相对宽 的范 围内取得 良好 的精 度 Ｊ ．
＝
建立 转 速 的数 学模 型 的主要思 想是 通过 检测 电机定子 电流和 电压值 后 计 算 得 到其 数 值 ， 具 体 计算 方法 很多 ， 主要 有模 型参 考 自适 应算 法 、 卡尔 曼滤 波算 法和 神 经元 网络 算 法 、 应 用模 型参 考 自 适用算 法 以及式 （ ３ ）～（ ６ ） ， 可 以得 到 如下 的转速 数 学模 型 ｌ １ ｏ ｌ ：
对 异 步 电机 的控 制 ， 先 求 得直 流 电机 的控 制量 ， 再
经 过相 应 的坐标 反 变换 ， 就 实 现 了异 步 电机 的矢 量 控制 ［ ４ － ５ ］ ． 根 据 等 效 控 制理 论 ， 可 以构 成 直接 控
向的轴系 中， 经过力矩调节后 ， 将控制量反变换到
三相 系统 ， 经逆 变 器调 节 电机 的定子 电流和频 率 ，
等方面存在难度 的问题 ， 提 出了一种 基于无速度传感器 的动 车组牵 引电机控制算法 ， 摆脱 了原有控 制算 法中对速度信号 的依赖 ， 即通过建立 转子磁链观测模型和转速估计数 学模 型 ， 对 动车组 的牵引 电机 进行 矢量控制 ， 仿 真结果表 明， 该算法能得到 良好 的控制 效果． 关键词 ： 无速度传感器 ； 转子磁链 ； 转速 ； 牵引电机
无 速 度 传 感 器 的 动 车 组 牵 引 电机控 制算 法
赵 海波 ， 王有文 ， 于冰 洋
（ 中国北车集 团 长 春轨道客车股份有 限公 司 技术 中心基础研发部 ， 吉林 长春 １ ３ ０ １ ３ ９ ） 米
摘
要： 针对 目前 动车组牵引 电机 的控制算 法 中速度信号 的获取方法在工 艺安 装 、 电磁兼 容以及 可靠 性
流电机便等效成了直流电机． 其中， 交流电机的转
子总 磁通 就变 成 了等效 的直 流 电机 的磁通 ，
绕 组 相 当于直 流 电机 的励 磁 绕 组 ， ｉ 相 当于励 磁
电流 ， 绕组相 当于伪静止绕组 ， ｉ 相当于与转矩
成 正 比的电枢 电流 ， 这样 ， 异 步 电机便 等效成 直 流