无速度传感器控制技术及其在大功率牵引传动中的应用
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Abstract :T he paper point s out t hat the f ault level of speed senso rs i n hig h pow er AC t racti on drive sy stem s is hig h and summ ari zes a lot of me ri ts in senso rless co ntro l .T hen the paper intro duces t he present si tuation of the speed sensorless technolog y applied in railw ay t ract ion in fo reig n countries , sum marizes t he comm on me thods of on-line speed esti matio n in induction cont rol , and analy zes t heir respect ive advantages , disadv ant ages and applicatio n pro spect .Aiming at o vercom ing t he dif ficul ties of restart ing t he induct ion mo to r a t an unknow n speed and operating i t wi th infini tely slow cro ssi ng of t he zero speed in speed sensorless technology , the technical schemes f or sdut ion current ly available abroad a re proposed .Fi nally , t he m ethods fo r fur ther improving the speed est imatio n accuracy are sum marized and t he pro spect of the applicati on of speed sensorless technology in rai lw ay t ract ion is predict ed . Key words:asy nchronous m ot or ;elect ri c drive ;speed senso rless ;speed est imatio n
丁荣军1, 2 , 桂卫华1
(1.中南大学 信息科学与工程学院 , 湖南 长沙 410075;2.株洲南车时代电气股份有限公司 , 湖南 株洲 412001)
摘 要 :首先介绍在大功率电力牵引交流传动中 , 速度传感器在实际应用中存在故障率高的 问题 , 总结了采用 无 速度传感器控制带来的诸多优点 , 接着分析了目前国 外无速度传感 器技术研 究及其在轨 道牵引传动 中应用的 现 状 , 总结了异步电机转速在线估计的常用方法 , 分析了各种方法的优缺点和应用前景 。 针对无速度传感器技术 在 轨道牵 引传动中应用的主要难点 ——— 电动机带速度重投 、零频 附近稳定运行等进行分析 , 介绍了目前国外解决 这 几个难 点的技术方案 , 总结了进一步提高转速估计精度的方法 , 预测了无速度传感器技术在轨道牵引传动中应 用 的前景 。 关键词 :异步电机 ;电力牵引 ;无速度传感器 ;速度估计 中图分类号 :U264 .4 文献标志码 :A
第 30 卷第 1 期 2 0 0 8 年2月
铁 道 学 报 JO U RN A L O F T H E CH IN A RAI LW A Y SOCIET Y
V ol .30 N o .1 F ebruary 2008
文章编号 :1001-8360(2008)01-0075-07
无速度传感器控制技术及其在大功率 牵引传动中的应用研究
磁链观测器的好坏直接决定转速估计的精度 ;②需要 同时进行电机参数的在线辨识 , 电机参数的变化严重
影响转速估计的精度 ;③没有任何误差纠正环节 , 系统 的抗干扰性能较差 。 1 .1 .2 采用自适应原理进行电机转速估计
自适应控制系统必须提供被控对象当前状态的连
续信息 , 也就是辨识对象 ;它必须将当前系统性能与期 望的或最优的性能相比较 , 并做出使系统趋向期望或 最优性能的决策 ;最后 , 对控制器进行适当的修正 , 以 驱使系统走向最优状态 。 这三方面的功能是自适应控 制系统所必须具备的功能 。适应控制系统大体上可分
(2)提高了传动控制单元(DC U)的系统可靠性 。 去掉速度传感器后可以避免因为速度传感器机械故障 导致的系统故障 。
(3)节约成本 。 不仅省掉了速度传感器的费用 , 同时省掉了许多连接电缆的费用 , 这笔费用在动力分 散电动车组 、地铁列车 、轻轨车中尤为可观 。 在提高系 统可靠性的同时相应地减少了生命周期花费 。
ω=
-ψrα
+LRσr (ψμα ψrβ
-ψrα)
当 ψrα > ψrβ , 转速估计表达式为
(1 )
ω=
ψrα
-R L
r (ψμβ
σ
ψrα
-ψrβ )
(2 )
式(1 )、式(2 )中 , Rr 为转子电阻 ;ω为电机旋转电角
速度 ;L σ为电机漏感 ;ψμα 、ψμβ 为 α、β 坐标系中的定子磁
采用无速度传感器控制主要的优点如下 : (1)减小了牵引电机的体积 , 提高了电机输出功 率 。 通常速度传感器的厚度大约 40 mm 左右 , 牵引电
76
铁 道 学 报
第 30 卷
机的定子大约 200 m m 左右 , 去掉速度传感器后 , 同样 尺寸的牵引电机转矩可以提高 20 %。 所以没有速度 传感器的牵引电机体积可以进一步减小 。
收稿日期 :2007-04-05 ;修回日期 :2007-08-15 作者简介 :丁荣军(1961 —), 男 , 江苏 宜兴 人 , 教授 级高 级工 程
师 , 博士研究生 。 E-mail :di ngrj @t eg .cn
度传感器 , 而速度传感器却是引起机车故障的主要根 源之一 , 不能满足传动控制设备对可靠性的要求 。 日 本曾对一些铁路运营公司因速度传感器导致的故障进 行过统计 , 结果显示每半年就有 9 起因速度传感器问 题导致的故障[ 3] 。 因此 , 无速度传感器控制技术的研 究成为电机控制理论和应用研究的热点方向[ 4] 。
交流传动技术是实现铁路重载运输和高速牵引的 基础 , 在机车车辆行业 , 交流传动以其优 越的运行性 能 、显著的节能效果 、低运营成本以及良好的可靠性和 可维护性等优越性[ 1 , 2] , 对电力牵引领域 产生了巨大 的影响 , 成为机车电传动技术发展的必然选择 。在现 有的电力牵引系统中 , 高性能控制技术依赖于位置速
目前 , 国外几个主要技术领先的轨道牵引传动设 备供应商如德国西门子 , 加拿大庞巴迪 , 日本三菱 、东 芝等公司经过对无速度传感器技术进行的长期研究和 实验 , 取得阶段性成果 。 1998 年以来 , 陆续有采用无 速度传感器技术的有轨电车 、城市轻轨车 、地铁车辆进 行试验[ 6 , 7] 。 而后西门子交通部又将无速度传感器技 术应用于 Bosto n 和上海地铁三号线 , 由西门子交通部 和德国鲁尔大学联合开发的应用于更大功率的无速度 传感器控制装置在西班牙地铁 EM U(电动车组)也已 经通过测试 。
采用自适应方法进行转速估计是当前应用在轨道 牵引 传 动 控 制 系 统 中 一 种 常 用 方 法[ 5 ～ 8] , Colin S chauder 在 1989 年率先提出一种模型参考自适应系 统[ 10] , 利用电机定子电流信号进行转速估计 , 以电机 转子磁链的电压模型作为参考模型 , 电机的电流模型 作为可调模型 , 建立一个模型参考自适应系统来估计 电机转速 , 利用 P opov 超稳定性定理给出了转速估计 的算法 。 从此 , 学者们在此基础上对 M RAS 做了大量 的研究 。 Hi sao Kubo ta 提出电机 全阶状态观测器作 为参考模型构成转速自适应观测器[ 11 ～ 13] , 利用基于李 雅普诺夫定理得到参数自适应律 。 而几乎同时 , Yang Geng 采用 P opo v 的超稳定性定理推导出参数自适应 律 。 在上述几种转速估计方法中 , 参考模型都需要一 个积分环 节 , 并受 到 定子 电阻 变化 的影 响 , 而 Peng Fang-zheng 等提出一种新的模型参考自适应方法[ 14] , 以定子反电动势(back-EM F)代替转子磁链作为参考 模型和可调模型的观测对象 , 从而避免了在参考模型 中的积分环节在低速时也具有较好的转速估计能力 。 而后 , Li Zhen 等提出了一种参考模型和可调模型可 以互换的转速 、转子时间常数估计方法[ 15] , 2 个模型在 估计不同变量的时候可以互为参考 。
链 ;ψrα、ψrβ 为 α、β 坐标系中的转子磁链 。
这种转速估计方法在 2 个公式之间切换时可能引
起转速估计的不连续 。
(2)同时采用定子磁场定向坐标系和转子磁场定
向坐标系的开环转速估计
这种方法在计算转子磁链空间矢量时分别采用 2 个不同的坐标系 :定子磁场定向坐标系和转子磁场定 向坐标系 , 2 个坐标系中的转子磁场空间矢量旋转的 速度差值就是电机转速 。 推导出的表达式如下
无速度传感器控制在轨道牵引传动中的应用必须 要解决许多技术上的难题 。转速是异步电机动态模型 中一个非常关键的参数 , 高性能交流传动控制方法中 的直接转矩控制需要转速信号进行准确的磁链计算 , 而磁场定向控制也需要转速信号进行磁场位置计算 , 因此转速的测量误差或者计算误差将直接导致转矩控 制性能的恶化 , 从而引起转矩脉动 、电机发热严重 、电 机过流等故障[ 5] 。 由于轨道牵引传动控制的特殊性 , 无速度传感器控制还必须解决诸如过电分相后电机带 速度重投 、零速附近稳定发挥出额定转矩 、低速发电状 态整个控制系统的稳定性等问题 。
转速开环估计方法的根本出发点在于基于动态关
系的电机派克方程 , 根据电机内部的电磁量与电机转 速定义获得转速的估计式 。这种方法一般需要与电机
参数的在线辨识环节同时使用时才能达到比较准确的
估计转速的效果 。开环估计转速的方法根据所选择坐 标系的差异最终表达式有所不同[ 9] 。
(1)采用定子磁场定向坐标系的开环转速估计 在只采用定子磁场定向坐标系的情况下 , 估计转 速的表达式有以下 2 种情况 : 当 ψrα ≤ ψrβ , 转速估计表达式为
Research of Speed Sensorless Control Technology and Its Application in High Power AC Traction Drive
DIN G Rong-jun1 , 2 , G U I Wei-hua1
(1 .S chool of Inf ormation Science & Engineering , Cent ral Sou th U ni versi ty , Changsha 410075 , Chi na; 2 .Zhuz hou CS R Ti mes El ectric Co ., Lt d ., Zhu zhou 412001 , Chi na)
ω=
ψrβ
-R rψμβ Lσ
ψrα -
ψrα
-R L
r ψμα
σ
ψrβ
ψ2rα +ψ2rβ
(3 )
Biblioteka Baidu
式中参数的意义同式(1 )和式(2 )。
采用开环方法进行转 速估计的优点 在于原理简
单 , 不需要复杂的控制算法 , 结构简单 , 实时性强 。 但 其缺点也很明显 :①需要对电机磁链进行准确地计算 ,
为两类 , 一类是模型参考自适应系统(m odel reference
第 1期
无速度传感 器控制技术及其在大功率牵引传动中的应用研究
77
adapt ive sy stem , 简称 M RAS);另一类是自校正控制 系统(self-t uning cont rol sy stem), 这类自适应系统的 一个主要特点是在线(on-li ne)辨识对象数学模型的参 数 , 进而修改控制器的参数 。
1 转速估计方法
速度辨识方法是无速度传感器控制技术的核心 , 任何高性能电机控制方法都必须依赖于对速度信息的 精确测量或估计 。 一般来说 , 异步电机的转速估计方 法可分为利用定子电压电流的基波分量来估计转速和 向定子电压或电流注入高频分量来估计转速两大类 。 实际应用中主要采用第一类方法 。 这类方法中 , 比较 典型的有基于电机动态模型的转速开环计算法 、采用 自适应原理进行的转速估计法 、扩展卡尔曼转速估计 法 、滑模观测器法等 。 1 .1 利用定子电压电流的基波分量估计转速的方法 1 .1 .1 基于电机动态模型的转速开环估计方法
丁荣军1, 2 , 桂卫华1
(1.中南大学 信息科学与工程学院 , 湖南 长沙 410075;2.株洲南车时代电气股份有限公司 , 湖南 株洲 412001)
摘 要 :首先介绍在大功率电力牵引交流传动中 , 速度传感器在实际应用中存在故障率高的 问题 , 总结了采用 无 速度传感器控制带来的诸多优点 , 接着分析了目前国 外无速度传感 器技术研 究及其在轨 道牵引传动 中应用的 现 状 , 总结了异步电机转速在线估计的常用方法 , 分析了各种方法的优缺点和应用前景 。 针对无速度传感器技术 在 轨道牵 引传动中应用的主要难点 ——— 电动机带速度重投 、零频 附近稳定运行等进行分析 , 介绍了目前国外解决 这 几个难 点的技术方案 , 总结了进一步提高转速估计精度的方法 , 预测了无速度传感器技术在轨道牵引传动中应 用 的前景 。 关键词 :异步电机 ;电力牵引 ;无速度传感器 ;速度估计 中图分类号 :U264 .4 文献标志码 :A
第 30 卷第 1 期 2 0 0 8 年2月
铁 道 学 报 JO U RN A L O F T H E CH IN A RAI LW A Y SOCIET Y
V ol .30 N o .1 F ebruary 2008
文章编号 :1001-8360(2008)01-0075-07
无速度传感器控制技术及其在大功率 牵引传动中的应用研究
磁链观测器的好坏直接决定转速估计的精度 ;②需要 同时进行电机参数的在线辨识 , 电机参数的变化严重
影响转速估计的精度 ;③没有任何误差纠正环节 , 系统 的抗干扰性能较差 。 1 .1 .2 采用自适应原理进行电机转速估计
自适应控制系统必须提供被控对象当前状态的连
续信息 , 也就是辨识对象 ;它必须将当前系统性能与期 望的或最优的性能相比较 , 并做出使系统趋向期望或 最优性能的决策 ;最后 , 对控制器进行适当的修正 , 以 驱使系统走向最优状态 。 这三方面的功能是自适应控 制系统所必须具备的功能 。适应控制系统大体上可分
(2)提高了传动控制单元(DC U)的系统可靠性 。 去掉速度传感器后可以避免因为速度传感器机械故障 导致的系统故障 。
(3)节约成本 。 不仅省掉了速度传感器的费用 , 同时省掉了许多连接电缆的费用 , 这笔费用在动力分 散电动车组 、地铁列车 、轻轨车中尤为可观 。 在提高系 统可靠性的同时相应地减少了生命周期花费 。
ω=
-ψrα
+LRσr (ψμα ψrβ
-ψrα)
当 ψrα > ψrβ , 转速估计表达式为
(1 )
ω=
ψrα
-R L
r (ψμβ
σ
ψrα
-ψrβ )
(2 )
式(1 )、式(2 )中 , Rr 为转子电阻 ;ω为电机旋转电角
速度 ;L σ为电机漏感 ;ψμα 、ψμβ 为 α、β 坐标系中的定子磁
采用无速度传感器控制主要的优点如下 : (1)减小了牵引电机的体积 , 提高了电机输出功 率 。 通常速度传感器的厚度大约 40 mm 左右 , 牵引电
76
铁 道 学 报
第 30 卷
机的定子大约 200 m m 左右 , 去掉速度传感器后 , 同样 尺寸的牵引电机转矩可以提高 20 %。 所以没有速度 传感器的牵引电机体积可以进一步减小 。
收稿日期 :2007-04-05 ;修回日期 :2007-08-15 作者简介 :丁荣军(1961 —), 男 , 江苏 宜兴 人 , 教授 级高 级工 程
师 , 博士研究生 。 E-mail :di ngrj @t eg .cn
度传感器 , 而速度传感器却是引起机车故障的主要根 源之一 , 不能满足传动控制设备对可靠性的要求 。 日 本曾对一些铁路运营公司因速度传感器导致的故障进 行过统计 , 结果显示每半年就有 9 起因速度传感器问 题导致的故障[ 3] 。 因此 , 无速度传感器控制技术的研 究成为电机控制理论和应用研究的热点方向[ 4] 。
交流传动技术是实现铁路重载运输和高速牵引的 基础 , 在机车车辆行业 , 交流传动以其优 越的运行性 能 、显著的节能效果 、低运营成本以及良好的可靠性和 可维护性等优越性[ 1 , 2] , 对电力牵引领域 产生了巨大 的影响 , 成为机车电传动技术发展的必然选择 。在现 有的电力牵引系统中 , 高性能控制技术依赖于位置速
目前 , 国外几个主要技术领先的轨道牵引传动设 备供应商如德国西门子 , 加拿大庞巴迪 , 日本三菱 、东 芝等公司经过对无速度传感器技术进行的长期研究和 实验 , 取得阶段性成果 。 1998 年以来 , 陆续有采用无 速度传感器技术的有轨电车 、城市轻轨车 、地铁车辆进 行试验[ 6 , 7] 。 而后西门子交通部又将无速度传感器技 术应用于 Bosto n 和上海地铁三号线 , 由西门子交通部 和德国鲁尔大学联合开发的应用于更大功率的无速度 传感器控制装置在西班牙地铁 EM U(电动车组)也已 经通过测试 。
采用自适应方法进行转速估计是当前应用在轨道 牵引 传 动 控 制 系 统 中 一 种 常 用 方 法[ 5 ～ 8] , Colin S chauder 在 1989 年率先提出一种模型参考自适应系 统[ 10] , 利用电机定子电流信号进行转速估计 , 以电机 转子磁链的电压模型作为参考模型 , 电机的电流模型 作为可调模型 , 建立一个模型参考自适应系统来估计 电机转速 , 利用 P opov 超稳定性定理给出了转速估计 的算法 。 从此 , 学者们在此基础上对 M RAS 做了大量 的研究 。 Hi sao Kubo ta 提出电机 全阶状态观测器作 为参考模型构成转速自适应观测器[ 11 ～ 13] , 利用基于李 雅普诺夫定理得到参数自适应律 。 而几乎同时 , Yang Geng 采用 P opo v 的超稳定性定理推导出参数自适应 律 。 在上述几种转速估计方法中 , 参考模型都需要一 个积分环 节 , 并受 到 定子 电阻 变化 的影 响 , 而 Peng Fang-zheng 等提出一种新的模型参考自适应方法[ 14] , 以定子反电动势(back-EM F)代替转子磁链作为参考 模型和可调模型的观测对象 , 从而避免了在参考模型 中的积分环节在低速时也具有较好的转速估计能力 。 而后 , Li Zhen 等提出了一种参考模型和可调模型可 以互换的转速 、转子时间常数估计方法[ 15] , 2 个模型在 估计不同变量的时候可以互为参考 。
链 ;ψrα、ψrβ 为 α、β 坐标系中的转子磁链 。
这种转速估计方法在 2 个公式之间切换时可能引
起转速估计的不连续 。
(2)同时采用定子磁场定向坐标系和转子磁场定
向坐标系的开环转速估计
这种方法在计算转子磁链空间矢量时分别采用 2 个不同的坐标系 :定子磁场定向坐标系和转子磁场定 向坐标系 , 2 个坐标系中的转子磁场空间矢量旋转的 速度差值就是电机转速 。 推导出的表达式如下
无速度传感器控制在轨道牵引传动中的应用必须 要解决许多技术上的难题 。转速是异步电机动态模型 中一个非常关键的参数 , 高性能交流传动控制方法中 的直接转矩控制需要转速信号进行准确的磁链计算 , 而磁场定向控制也需要转速信号进行磁场位置计算 , 因此转速的测量误差或者计算误差将直接导致转矩控 制性能的恶化 , 从而引起转矩脉动 、电机发热严重 、电 机过流等故障[ 5] 。 由于轨道牵引传动控制的特殊性 , 无速度传感器控制还必须解决诸如过电分相后电机带 速度重投 、零速附近稳定发挥出额定转矩 、低速发电状 态整个控制系统的稳定性等问题 。
转速开环估计方法的根本出发点在于基于动态关
系的电机派克方程 , 根据电机内部的电磁量与电机转 速定义获得转速的估计式 。这种方法一般需要与电机
参数的在线辨识环节同时使用时才能达到比较准确的
估计转速的效果 。开环估计转速的方法根据所选择坐 标系的差异最终表达式有所不同[ 9] 。
(1)采用定子磁场定向坐标系的开环转速估计 在只采用定子磁场定向坐标系的情况下 , 估计转 速的表达式有以下 2 种情况 : 当 ψrα ≤ ψrβ , 转速估计表达式为
Research of Speed Sensorless Control Technology and Its Application in High Power AC Traction Drive
DIN G Rong-jun1 , 2 , G U I Wei-hua1
(1 .S chool of Inf ormation Science & Engineering , Cent ral Sou th U ni versi ty , Changsha 410075 , Chi na; 2 .Zhuz hou CS R Ti mes El ectric Co ., Lt d ., Zhu zhou 412001 , Chi na)
ω=
ψrβ
-R rψμβ Lσ
ψrα -
ψrα
-R L
r ψμα
σ
ψrβ
ψ2rα +ψ2rβ
(3 )
Biblioteka Baidu
式中参数的意义同式(1 )和式(2 )。
采用开环方法进行转 速估计的优点 在于原理简
单 , 不需要复杂的控制算法 , 结构简单 , 实时性强 。 但 其缺点也很明显 :①需要对电机磁链进行准确地计算 ,
为两类 , 一类是模型参考自适应系统(m odel reference
第 1期
无速度传感 器控制技术及其在大功率牵引传动中的应用研究
77
adapt ive sy stem , 简称 M RAS);另一类是自校正控制 系统(self-t uning cont rol sy stem), 这类自适应系统的 一个主要特点是在线(on-li ne)辨识对象数学模型的参 数 , 进而修改控制器的参数 。
1 转速估计方法
速度辨识方法是无速度传感器控制技术的核心 , 任何高性能电机控制方法都必须依赖于对速度信息的 精确测量或估计 。 一般来说 , 异步电机的转速估计方 法可分为利用定子电压电流的基波分量来估计转速和 向定子电压或电流注入高频分量来估计转速两大类 。 实际应用中主要采用第一类方法 。 这类方法中 , 比较 典型的有基于电机动态模型的转速开环计算法 、采用 自适应原理进行的转速估计法 、扩展卡尔曼转速估计 法 、滑模观测器法等 。 1 .1 利用定子电压电流的基波分量估计转速的方法 1 .1 .1 基于电机动态模型的转速开环估计方法