无速度传感器矢量控制系统在地铁车辆上的应用

摘 要：结合广州地铁 3 号线车辆速度传感器" title="速度传感器">速度传感器 " title="无速度传感器" title="无速度传感器">无速度传感器 ">无速度传感器 矢量控制系统" title="控制系统">控制系统 的应用，介绍了无速度传感器矢量控制" title="矢量控制">矢量控制 系统 SITRAC的控制结构、速度估算方法以及估算模型的建立，并且通过对低速工作点的试验数据进行分析论证了该系统在低速时也具有完全的可靠性。

关键词：SITRAC 牵引控制系统；速度传感器；矢量控制

0 引言

随着人们对地铁列车乘坐舒适性的要求越来越高,作为地铁列车核心组成的牵引系统就必须有越来越高的动态调速性能。广州地铁 3 号线是国内第一条快速（ 120 km/h） 运营的地铁线路，试运营半年多以来其列车优良的牵引性能得到了乘客的好评，稳定而可靠的牵引系统减少了车辆的维护工作量。本文详细介绍了该车辆采用的 SITRAC 牵引控制系统的控制结构、算法，并结合该系统在广州地铁 3 号线列车上的实际应用证明了无速度传感器控制系统的可靠性和稳定性。

1 无速度传感器矢量控制的基本原理

所谓无速度传感器变频调速控制系统就是取消了变压变频调速系统的速度检测装置" title="检测装置">检测装置 ，通过间接计算法求出列车运行中牵引电机的实际转速值作为转速的反馈信号。我们把计算转速实际值的这一模型称之为转速推算器。它的基本组成原理是: 在电机的定子侧装设电压传感器和电流传感器，通过检测三相电压 uA，uB，uC 和三相电流 iA，iB，iC。根据 3/2 变换（ 矢量控制中三相轴系到二相轴系的变换） 静止轴系中的两相电压 usα，usβ 及两相电流isα，isβ，由定子静止轴系（ α- β） 中的两相电压、电流可以推算定子磁链，估算电机的实际转速。转速推算器的结构如图 1 所示。

由于转速推算器受转子参数的影响，因而基于转子磁链定向的转速推算器还需要考虑转子参数的改变。此外，转速推算器的实用性还取决于其精度和快速性。随着计算机运算性能和运算速度的不断提高，现代矢量控制方法已经能够非常精确地以高度的动态性控制感性设备中的磁通和力矩。同时为了抑制高频的机械振动，优化牵引系统部件的电磁噪声并能够获得尽可能低的可预见的谐波电流，就有必要使用校准并且优化过的 IGBT 控制脉冲。西门子公司新推出的牵引控制系统 SITRAC 不但满足了这一尖端的要求，更重要的是实现了无速度传感器的控制。这一新的控制特点减小了驱动器的复杂性并且增强了系统的可靠性。 SITRAC 的控制特点有:

1） 无速度传感器运作增强了系统可靠性；
2） 高度动态性的设定值有效衰减了电气和机械影响；
3） 高度的扰动动态性: 通过抵抗由轨道和电源系统引起的扰动，增强了牵引系统的稳定性；
4） 先进的优化脉冲模式: 较高的转换利用，限制了对电源系统和机械的反应；
5） 脉冲模式中连续的交叉点: 高的转换利用率，连续的无冲击工作；
6） 自我调节，自动参数识别，自动牵引系统自检: 简化调试，改善了诊断和维护；
7） 高级编程语言“Ansi- C”: 独立硬件；
8） 集成的软件模拟，较短的开发时间，完善的软件设计增强了软件的质量。

2 系统的控制结构

图 2 是 SITRAC 无速度传感器控制系统的框图。此控制模型图解了一个完整的逆变器模型，图中的电机模型是用来为电流控制器计算机械设备模型的定子电流和磁通空间矢量" title="空间矢量">空间矢量 。电机模型的输入仅仅是定子电压空间矢量和估算速度以及同样是估算值的机械参数。在这个系统中电机电压不是由测量得到而是通过逆变器门控信号、直流电压测量值、电机电流和相关的 IGBT 参数重新构建。电机速度是通过电流空间矢量测量值和模型定子电流空间矢量进行比较而估算得到。

3 无速度传感器牵引系统速度估算的策略

在无速度传感器的牵引系统中，为了识别速度必须建立一个电感设备的精确模型，这个模型依靠计算所得的定子电压和估算所得的电机参数来估算电机磁通和定子电流空间矢量。由于这个电机模型必须准确地用相关的模块来描述，因此这个电机的模型参数也就必须随着饱和度及定子绕组和转子绕组的温度变化而得到调整。在稳态的情况下，定子电流空间矢量测量值和估算值之间的差值能独立地用来估算电机的参数。定子频率接近零时，只是理论上可以估算出稳定的速度。实际上，模型参数和实际系统之间的差值是不可避免的，为了进行速度估计有必要设一最小定子频率 fsmin。为了使这一定子频率 fsmin 最小化，电机模型与实际电机（ 见图 3） 之间的定子阻抗及定子电压差值必须保持尽可能的小。在低频情况下，基本的定子电压空间矢量的幅值相对比较小，所以定子阻抗或逆变器电子管建摸的误差对速度的估算有很大的影响。

通过各种离线测量，就可以确定逆变器的特性。在低频情况下定子阻抗必须作为二次侧模型参数在线进行确定。由于转子阻抗是随着定子绕组温度变化的，要估算速度，就必须在线对定子绕组的参数进行精确测量。

在每一次停站（ 速度为零） 时，通过一个短时的测量来进行定子和转子阻抗的识别，这样就有可能以精确的电机参数来对列车进行下一次的启动。这里，定子阻抗的估算是通过励磁之后（ 图4 中: 0.2 s）

无速度传感器牵引控制的一种严重运行情况是所谓的飞速起动，也就是不知道实际电机速度进行驱动的起动运行，而 SITRAC 系统能够处理这种严重的运行。

需要注意的是，只有在牵引逆变器工作，如逆变器没有被封锁时估算的速度才有效。因此有必要在列车上至少安装 2 个速度传感器，目的主要是进行零速检测（ 门释放功能） 、后溜保护及给司机速度信息。额外增加的这一速度测量确保了在任何牵引逆变器封锁的情况下列车有高度的冗余和可靠性。

4 低频时无速度传感器系统的运行

无速度传感器的牵引系统也可以工作在低速和列车倒行模式下。在此工作点上逆变器输出频率跨越“0”值,控制模式难以辨识感应电机中磁通的方向。图 5 证实了SITRAC 能够应付这一严酷的工作状态: 在 2 s 时列车在有坡度的轨道上倒行，通过施加一个合适的向前的牵引力，车辆停住并且频率在过零时调整牵引力矩保持频率为零而没有不稳定的磁通定向，这就可认为计算速度等于测量速度。

5 动态性能

以下利用 SITRAC 牵引控制系统的优良动态性能对典型测量进行了处理。图 6 说明了在力矩参考值阶跃（ 较小阶跃: 15% 正常力矩； 较大阶跃: 100% 正常力矩） 改变的情况下 SITRAC 的力矩控制品质； 此外它还说明了即使直流线电压快速改变，SITRAC 也能够精确控制力矩,这也是铁路应用中满足运行的基本特征。

6 系统实际运行情况

至今，广州地铁 3 号线车辆牵引系统在 9 个月的运行中共出现 3 次故障，分析如下:

1） 第一次故障是一块模拟 / 数字转换器故障造成逆变器不工作。

2） 第二次故障是一台逆变器不运转造成了整列车不牵引。广州地铁 3 号线每列车共安装了 2 个电机速度传感器（ A，C 车各一个） ，该信号提供给 ICU（ 逆变器控制单元） 作为参考速度。正常情况下，如果在 A 车的逆变器控制单元不能再运转了，来自于动车速度传感器的相关信号也会丢失，因此其它的速度传感器（ 来自于 C 车） 应该被使用。但是，出现故障时安装在列车上的列车控制单元（ VCU） 软件没有执行所描述的以上功能。该问题后来通过修改 VCU 软件得到了解决。

3） 第三次故障是由于一个速度传感器出现故障造成，故障时以上第二点描述的 VCU 功能也执行了，但由于在此前的一次维护中输入了错误的轮径值造成了错误的参考速度最终导致了空转滑行。

根据以上的分析，目前出现的几次故障都是其它原因造成的，SITRAC 无速度传感器的牵引控制系统本身并没有出现故障，运行是稳定的。目前 120 km/h 第一阶段的运行实验已经完成，运行良好。

7 结论

无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的，实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，而要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的。但我们看到，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到无速度传感器的矢量控制方式。在广州地铁 3 号线列车的实际应用中，无速度传感器的牵引系统完全解决了诸如电机参数动态变化、倒行等诸多问题。上文通过分析和运行实践证明了SITRAC 牵引控制系统能很好地完成地铁列车牵引控制的需求。