轨道交通车辆牵引电机无位置-速度传感器控制关键技术研究

轨道交通车辆牵引电机无位置-速度传感器控制关键技术探究
关键词：轨道交通；牵引电机；无传感器控制；反电动势定位；控制策略。

一、引言
随着城市化进程的加快、人口的快速增长和交通需求的日益增长，轨道交通在现代城市交通运输中扮演着越来越重要的角色。

而轨道交通车辆的牵引系统作为车辆的核心控制系统，其稳定性和可靠性对车辆的安全和运行质量有着重要的影响。

传统的轨道交通车辆牵引系统一般接受位置/速度传感器来确保系统
的控制精度，但传感器的安装和维护成本较高，同时也容易受到环境因素的影响导致控制精度下降。

因此，在不需要位置/
速度传感器的条件下，如何实现轨道交通车辆牵引电机的无传感器控制成为了一个重要的探究方向。

本文主要针对轨道交通车辆牵引电机无位置/速度传感器控制
关键技术探究进行了探讨，着重分析了不需要位置/速度传感
器的牵引电机控制关键技术及其探究现状和应用现状，包括反电动势定位、磁场定位及其他无传感器控制技术，并通过仿真和试验验证提出的控制系统方案的可行性。

二、牵引电机无传感器控制技术分析
2.1 传统牵引电机控制方法的优缺点
传统的轨道交通车辆牵引电机控制方法一般接受位置/速度传
感器来得到牵引电机的运行状态信息，并依据控制算法对电机进行控制。

这种方法的优点是控制精度高且稳定，但也有不足之处。

起首是传感器的安装和维护成本较高，其次是传感器容易受到环境因素的影响导致控制精度下降。

2.2 反电动势定位技术
反电动势定位技术是一种不需要位置/速度传感器的电机控制
技术。

在反电动势定位技术中，通过观察电机发动机端的反电动势波形来推算转子位置、转速等信息，并依据控制算法对电机进行控制。

反电动势定位技术的优点是不需要传感器，因此可以降低系统成本并提高控制精度。

但也存在一些限制，例如电机负载变化大或在低速高扭矩应用下容易失效等。

2.3 磁场定位技术
磁场定位技术是一种基于磁场传感器感应电机永磁体或电枢上的磁场，通过推算转子位置、转速等信息并依据控制算法对电机进行控制的技术。

磁场定位技术具有无需母线电压、转矩参考和相序检测等特点，适用于高转矩、低速应用场景。

但其复杂度较高，需要较多的计算资源。

2.4 其他无传感器控制技术
除了反电动势定位技术和磁场定位技术外，还有其他的无传感器控制技术，例如模型参考自适应控制技术、滑模控制技术等。

这些技术具有一定的优点，但也都存在各自的限制。

三、基于反电动势定位的轨道交通车辆牵引电机无传感器控制系统设计
3.1 系统框图
基于反电动势定位技术，设计了一种轨道交通车辆牵引电机的无传感器控制系统，其系统框图如下图所示：
图1 轨道交通车辆牵引电机无传感器控制系统框图
在图中，Ti、Ui、φi分别表示电机的电流、电压和转子位置，Ψi表示电机发电机端的反电动势。

控制器通过观察反电动势
波形来推算转子位置及转速信息，并依据控制策略产生电流指令，通过PWM控制器输出电压控制电流。

3.2 控制策略设计
控制策略主要包括反电动势定位、转速预估和电流调整等部分。

其中，反电动势定位通过将电机转子中的永磁体视为磁极，推算转子位置及转速信息；转速预估通过利用反电动势波形的周期性、频率及外形信息，推算电机的转速；电流调整通过控制电机的转矩输出实现车辆的牵引。

详尽实现过程详见本文的。

3.2.1 反电动势定位
反电动势定位是无传感器控制的核心技术，其基本思路是利用电机发电机端的反电动势波形推算电机转子位置及转速信息。

详尽实现过程如下：
起首，通过PWM控制器输出一组三相交叉的正弦波电压信号，作用于电机的三相绕组上，使电机转子产生运动；
其次，依据电机的电流和电压信息，计算出电机发电机端的反电动势信号，通过采集反电动势信号的波形信息，推算出电机转子位置及转速。

假设电机发电机端的反电动势波形为一个正弦波，其周期为T，幅值为Ψm，则电机的转子位置θ与反电动势波形的相位差
δ之间满足以下干系：
θ = δ × 360°/T
转速ω可通过计算反电动势波形的频率f得到：
ω = 2πf
通过反电动势定位技术，不仅可以实时得到电机的转子位置及转速信息，而且可以提高系统的稳定性和可靠性，从而实现无传感器控制。

3.2.2 转速预估
转速预估是在反电动势定位的基础上进一步推算出电机的转速信息。

在反电动势波形的周期性、频率及外形信息都已知的状况下，可以利用以下公式计算电机的转速：
ω = 2πf
其中，f为反电动势波形的频率，可通过采集反电动势波形的周期计算得到。

转速预估技术的精度和稳定性直接影响控制系统的性能，因此需要结合实际状况选择合适的采样频率和计算方法。

3.2.3 电流调整
电流调整是控制系统的最后一步，其目标是依据电机所需的牵引转矩输出，生成合适的电流指令，通过PWM控制器输出的电压控制电机电流，以实现车辆的牵引。

电流调整可以接受PID 控制算法或其他调整算法，以实现精确的转矩控制。

3.3 控制系统实现
基于反电动势定位技术的轨道交通车辆牵引电机无传感器控制系统，需要实现以下功能模块：
1）反电动势定位模块：该模块通过采集电机的反电动势波形信息，实时推算电机的转子位置及转速；
2）转速预估模块：该模块依据反电动势波形的周期、频率及外形信息，进一步推算出电机的转速；
3）电流调整模块：该模块依据电机牵引转矩需求，生成合适的电流指令，控制电机的转矩输出。

基于以上功能模块，可以实现基于反电动势定位的轨道交通车
辆牵引电机无传感器控制系统。

系统的详尽实现过程涉及到硬件设计和软件实现两个方面，其中硬件设计主要包括电机驱动电路、采集电路、控制器硬件等方面；软件实现主要包括控制算法编写、数据采集与处理、控制指令输出等方面。

四、结论
本文介绍了基于反电动势定位的轨道交通车辆牵引电机无传感器控制技术，详尽阐述了该技术的原理和实现方法。

与传统的传感器控制技术相比，基于反电动势定位的无传感器控制技术具有简易、可靠、精度高等优点，可以提高控制系统的稳定性和可靠性。

将来随着电子技术的不息革新，反电动势定位技术在轨道交通车辆牵引电机控制领域的应用前景将会更加宽广。

将来随着轨道交通车辆的不息智能化和自动化，基于反电动势定位技术的无传感器控制技术将会更加广泛地应用在车辆牵引电机控制系统中。

该技术不仅可以提高控制系统的稳定性和可靠性，还可以降低系统的成本，提高系统的效率和性能。

同时，该技术还具有一定的适应性和灵活性，可以应用于不同类型的电机和控制系统。

将来，随着反电动势定位技术的进一步探究和进步，还有一些需要解决的技术难题。

比如，在高速运动状况下，由于电机的反电动势波形变化较快，可能导致定位精度下降，需要进一步优化算法和控制方法。

此外，在特殊环境条件下，比如温度变化较大的状况下，电机的参数可能会发生变化，从而影响定位精度和控制效果。

因此，需要进一步探究该技术在不同环境条件下的适应性和稳定性，提高系统在实际应用中的可靠性和性
能。

总之，基于反电动势定位的轨道交通车辆牵引电机无传感器控制技术是当今控制技术领域的热点之一，有宽广的应用前景和市场空间。

将来，该技术将会持续进步壮大，成为轨道交通车辆控制系统中的重要组成部分，为构建智能化和安全可靠的轨道交通系统做出贡献。

随着城市化进程加速，城市轨道交通的进步越来越受到关注。

基于反电动势定位的轨道交通车辆牵引电机无传感器控制技术不仅适用于城市轨道交通，还能广泛应用于高速铁路、地铁等领域。

将来，该技术有望成为驱动轨道交通进步的重要力气。

起首，该技术可以提高系统的稳定性和可靠性，从而提高系统的安全性。

反电动势定位技术通过测量电机的反电动势信号来确定电机的位置和速度，实现无需传感器的控制。

相比传统的传感器控制系统，该技术能够克服传感器易于损坏、寿命短、安装复杂等问题，提高系统的可靠性和稳定性。

其次，该技术还可以降低系统的成本，提高系统的效率和性能。

传统的传感器控制系统需要使用大量的传感器设备，增加了系统的成本和复杂度。

而反电动势定位技术可以通过缩减传感器设备的使用来降低系统成本，并且由于不需要传感器信号的采集和处理过程，还能提高系统的效率和性能。

最后，该技术还具有一定的适应性和灵活性，可以应用于不同类型的电机和控制系统。

该技术不仅适用于直流电机，还适用
于沟通电机和异步电机等不同类型的电机控制系统。

在实际应用中，可以通过简易地调整算法和控制方法来适应不同类型的电机和控制系统，提高系统的灵活性和适应性。

由于反电动势定位技术具有以上优点，将来该技术将会得到更广泛的应用和推广。

同时，该技术在实际应用过程中，还需要进一步探究和进步。

为了提高系统的定位精度和控制效果，需要进一步优化算法和控制方法，并应对特殊环境条件下电机参数变化等问题，提高系统在实际应用中的可靠性和稳定性。

将来，轨道交通领域的从业者们会在反电动势定位技术的基础上，不息推陈出新，为构建更智能和更安全的轨道交通系统贡献力气。

综上所述，反电动势定位技术作为一种优秀的电机控制技术，可以克服传统传感器控制系统的不足之处，并且具有降低系统成本、提高系统效率和灵活性等优点。

在轨道交通领域中，使用反电动势定位技术可以有效提高列车的运行精度和稳定性，缩减事故风险，为轨道交通系统的进步做出重要贡献。