杜连超
（天津轨道交通运营集团有限公司 天津 300380）
摘要：牵引传动控制系统是城轨车辆的核心技术，采用无速度传感器矢量控制技术有助于提高牵引控制系统的稳定性，节约车辆制造和维修成本，本文主要以城轨车辆为背景，对无速度传感器矢量控制的实际应用进行了分析和研究。
关键词：城轨车辆；无速度传感器；矢量控制
1 引言
在城市轨道交通领域，车辆牵引传动系统是车辆装备系统的关键与核心，目前已实现了无速度传感器矢量控制下驱动的感应电机为列车提供动力。该方式主要是通过电机的电流、电压计算出电机转速，因此不必在电机轴端安装速度传感器，可实现电机的轻量化，并且增加电机容量。在维护保养以及可靠性方面上，可以减除PG传感器（速度传感器）的维护保养工作，消除由PG传感器故障引起的整个系统故障，同时还具有减少车辆装配时速度传感器布线的优点。
无速度传感器矢量控制已被广泛应用于一般工业，但是由于城轨车辆的特殊应用背景，如车辆在运营过程中的反牵引、制动以及惰行和停站使得逆变器反复停止、启动，另外还有网压变化、车轮空转和打滑时稳定控制等原因，导致了其在轨道交通车辆上的应用晚于其它领域。
2 城轨车辆无速度传感器矢量控制的应用
2.1无速度传感器矢量控制的应用意义
城轨车辆系统无速度传感器矢量控制有着特殊的意义：
（1）惰行后的重新启动
无速度传感器矢量控制是利用电机电压和电流演算出电机转子的旋转频率，城轨车辆上为了减少逆变器的损失，惰行时逆变器停止工作，如果逆变器停止工作则得不到速度信息，当重新启动牵引时，为了避免转矩冲击必须使推算速度迅速和实际速度一致，因此重新启动逆变器时初始速度的推算非常重要。
（2）空转、打滑控制性能
在城轨车辆中，一般由一台逆变器同时驱动四台牵引电机，如果将几台电机视为一台电机来控制，得到的速度推算值相当于各电机的平均速度，而无法像传统牵引系统那样每个牵引电机都带有速度传感器，用各个电机的转子旋转频率检测出空转和打滑，所以在应用无速度传感器矢量控制时，对空转、打滑控制性能的评价非常重要。
（3）电制动应用
近几年，为了提高再生率和车辆的乘坐舒适度、减少制动闸瓦的磨耗、降低噪声，至车辆停止为止一直使用再生制动纯电制动的车辆越来越多。在低速范围，无速度传感器矢量控制中主电路元件的死区时间、电机常数设定值误差的影响很大，导致速度推算值易产生误差，可影响车辆的稳定运行。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此，在利用无速度传感器矢量控制时，在低速范围提高速度推算精度，保证性能同等或高于过去的系统是非常重要的。
2.2控制系统的基本构成
除使用速度推算器代替了由PG传感器信号演算出转子旋转频率以外，基本与过去的系统相同，只需更改控制软件即可，不仅可以应用于使用1kHz以上的高开关频率IGBT、IPM的VVVF逆变器，还可应用于使用300～500Hz低开关频率GTO的装置。
将工业中实际应用的励磁观测器为基础经过改良应用在了城轨车辆上，所以在低速范围也可达到动作稳定，转子旋转频率演算部的速度推算基本原理就是通过使感应电机的等效电路模式推算出的电流与电机电流检测值之间的误差接近零来推算转子旋转频率。此外，车辆惰行时逆变器停止工作，所以惰行中的电机电流和电压输入信号都为零，转子旋转频率无法推算，因此在刚启动时利用初始速度推算部来推算速度，初始速度的推算方法就是利用直流励磁时感应电机固有的电流振动特性，在电流控制环路中增幅，由电流振动频率得到转子旋转频率。
2.3 外部信息补助提高可靠性
城轨车辆一般为了给速度表、ATS等安全设备提供速度信息，在转向架轴端安装速度传感器，在无速度传感器矢量控制车辆上也装有同样的装置，辅助性地利用这样的外部速度信息可以消除既有的带速度传感器控制车辆和无速度传感器控制车辆之间的使用差异，还可提高系统的冗余性和可靠性。在目前城轨车辆中以TIMS为代表的列车信息管理装置可以方便地传送高可靠性的车速信息，这样就不再需要从车速传感器到逆变器装置直接布线。
（1）提高速度信息的可靠性
速度推算值不仅用于电机矢量控制部，还用于各种时序控制、保护处理，所以提高其可靠性是非常重要的。为了防备万一出现速度推算值有误，该系统可监视速度推算器推算的转子旋转频率不得远离车速传感器检测的速度，由此提高了速度信息的可靠性。而且当判断出车速传感器信号有问题时，将仅使用速度推算器推算的转子旋转频率，系统完全处于无传感器状态下工作，实现了冗余性的提高。
（2）防止车辆停止时逆变器动作
正如以上所述，惰行、停车时逆变器停止动作，得不到转子旋转频率，因此停车情况下要制动时，为了判断速度是否在再生制动动作可能的范围内，则启动逆变器推算初始速度，因此要使停车中的主电路短时通电，而在既有的带速度传感器车辆上没有该动作，因而导致了车辆的使用不同。为此，辅助性地利用车速传感器的速度信息检测出是否停车可解决上述问题。
（3）恒速运行功能的对应
将车辆速度控制在一定速度的恒速运行控制是通过用实际速度和设定速度之差切换牵引、惰行、制动模式来保持一定的速度运行。无速度传感器矢量控制系统中，惰行时逆变器停止，得不到车辆速度，难以进行恒速控制。此时，可采用惰行中不停止逆变器，一直采集转子旋转频率的方法，但是如果惰行中使用车速传感器的速度信息，就可和原来的系统一样进行恒速运行控制。
3 行车试验结果
以装载GTO的VVVF逆变器的列车为例，利用无速度传感器矢量控制的行车试验为例进行说明。
（1）基本性能
恒速状态下的速度推算误差大约为0.1km/h以下，可确认到从启动到车辆特有的高速范围单发脉冲弱磁场范围都可以稳定控制。此外，还确认到无论在满载还是空载状态，乘坐舒适性、加速性能都与过去的带速度传感器车辆相同。
（2）初始速度的推算精度
初始速度推算结果与实际速度的平均误差大约0.30km/h，由此可确认到初始速度推算动作稳定。
（3）空转再粘着控制性能
经确认在无速度传感器矢量控制的车辆上可得到18%以上的粘着系数，与带速度传感器控制的车辆具有同等的空转再粘着性能，此外速度推算值也一直稳定在实际值附近。
4 总结
本文主要以城轨车辆为背景，对无速度传感器矢量控制技术的构成及原理进行了研究分析，介绍了无速度传感器矢量控制在城轨车辆中应用的意义，同时通过行车试验证实了在实际车辆应用中的可行性、冗余性、以及稳定性。
参考文献：
[1]唐聪.异步牵引电机无速度传感器矢量控制的研究[J].电力电子技术.2018（11）
[2]苟立峰.用于地铁车辆的无速度传感器矢量控制策略研究[D].北京交通大学硕士研究生论文.2015
[3]白雪.无速度传感器矢量控制策略研究[D].北京交通大学硕士研究生论文.2017
论文作者:杜连超
论文发表刊物:《云南电业》2019年8期
论文发表时间:2020/1/3
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