基于高速動車組網絡的牽引電機控制研究

王元東 王元亮 宋程 王作航 徐濱全

摘要：本文首先建立基于高速動車組網絡的牽引電機控制模型。然后針對高速動車組交流異步牽引電機的非線性及強耦合特征，對牽引電機非線性模型使用逆系統法將其解耦為轉子磁鏈與轉子轉速兩個線性子系統，將線性化后的牽引電機模型引入列車通信控制網絡（Train Communication Network，TCN）之中，并使用動態輸出反饋控制法設計牽引電機的網絡控制器。最后進行實驗，實驗結果證明：本文采用動態輸出反饋控制法設計的網絡控制器比把PD控制器作為網絡控制器的方法更好，既可快速地實現轉速與轉子磁鏈的動態解耦也可使牽引電機的轉速更平穩且轉子磁鏈曲線的超調量更小。

關鍵詞：高速動車組;牽引電機;TCN;網絡控制器;網絡時延

中圖分類號：U266.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）20-0063-02

0? 引言

交流異步牽引電機已被廣泛地應用于高速動車組的研制中。當前，高速動車組的牽引控制是通過TCN來實現的[1]。但TCN也給異步電機牽引系統帶來了網絡時延，使得對異步電機牽引控制系統的設計較困難。當前的網絡控制分析方法主要集中在線性系統領域，故要實現異步牽引電機的網絡化控制，就必須解決異步牽引電機線性化解耦的問題。本文針對以上問題，考慮不確定的網絡時延，采用逆系統法實現了轉子磁鏈與轉速的動態解耦控制。

1? 基于高速動車組網絡的牽引電機逆解耦控制模型

本文所研究的基于高速動車組網絡的異步牽引電機控制結構可分為：牽引電機偽線性復合系統、具有不確定時延的列車通信控制網絡、網絡控制器，如圖1所示。

1.1 高速動車組網絡控制系統與不確定的時延? 當前，研究表明高速動車組網絡控制系統存在時延，傳感器到控制器及控制器到執行器均存在時延[2]。時延是導致系統不穩定的重要因素。設？子sc與？子ca分別表示傳感器到控制器的時延、控制器到執行器時延。控制器與執行器均由事件驅動，系統存在不確定時延，控制率一定時，傳感器到控制器的時延和控制器到執行器時延可寫為？子k=？子sc+？子ca。0？燮？子min？燮？子k？燮？子max？燮T，其中？子max與？子min為常數，T為采樣周期。

1.2 基于高速動車組網絡的牽引電機控制模型? 牽引電機的驅動系統根據網絡控制器提供的轉子轉速控制信號va與轉子磁通控制信號vb，使牽引電機輸出轉速與磁鏈幅值精確地跟蹤參考信號。網絡化的牽引電機控制系統狀態空間可描述為：

其中：

采樣周期為T，網絡化的異步牽引電機控制系統可被數字化為：

其中：椎1，？椎2是時變的。B1、B2、D、E為定常矩陣，其與F（？子K）的取值根據系統系數矩陣A的特征值為互異還是有零特征根和重根的情況而定，系統穩定條件為FT（？子K）F（？子K）？燮I。

1.3 高速動車組牽引電機的網絡控制器? 使用動態輸出反饋控制法設計反饋控制器為：

其中，分別表示控制器的狀態、控制器的輸出，矩陣Ac、Bc和K是已知的適當維數的矩陣。當網絡時延為0？燮？子K？燮T時，考慮式（2）和（5），可得閉環系統模型為：

對包含不確定時延0？燮？子K？燮T的動態輸出反饋閉環系統，如存在正定矩陣P、M及N，且標量？著和？著1？叟0滿足W<0，則對任意滿足■條件的不確定時延，閉環系統是穩定的。

2? 實驗與結果分析

本文將基于TCN標準的高速動車組的交流異步牽引電機作為研究對象，實驗中所用軟件為MATLAB。交流異步牽引電機的相關參數如下：額定電壓為2.75 kV，額定功率為562 kW，額定頻率為138 Hz，轉子漏電感為1.91 mH，定子漏電感為1.42 mH，互感為53.7 mH，極對數為2，磁鏈給定？鬃ref=1.52Wb，轉速給定？棕ref=205rad/s，系統實驗的結構框圖，如圖2所示。

當采用PD控制器補償網絡時延對系統的影響時[3]，采樣周期為0.01s。轉子磁鏈幅值與轉速初始值分別為？鬃ref=1.5Wb及？棕ref=205rad/s，在t=1.5s時給定轉速變為？棕ref=314rad/s，而轉子磁鏈幅值在t=2.5s時，磁鏈為？鬃ref=0.8Wb，轉子磁鏈及轉速的輸出響應分別如圖3（a）、3（b）所示。當采用式（5）所述的網絡控制器來補償網絡時延對系統的影響時，轉子磁鏈及轉速的輸出響應分別如圖4（a）、4（b）所示。由圖3（a）與圖4（a）可知：當采用PD控制器時，牽引電機轉子磁鏈曲線的超調量較大且在25s后轉子磁鏈曲線振蕩很劇烈，但當采用本文所提出的網絡控制器時，牽引電機轉子磁鏈曲線的超調量明顯減小且轉子磁鏈曲線振蕩的程度顯著地得到改善。由圖3（b）與圖4（b）可知：當采用PD控制器時，牽引電機轉速曲線有明顯的振蕩且趨于穩定的時間較長，但采用本文所提出的網絡控制器時，牽引電機轉速曲線較平穩且趨于穩定的時間明顯變短。

3? 結語

本文應用逆系統法對具有非線性、強耦合的異步牽引電機模型進行線性化解耦，然后考慮存在不確定網絡時延的情況，使用動態輸出反饋控制法設計反饋控制器。結果表明：本文所提出的方法可快速地實現轉速與轉子磁鏈的動態解耦，所設計的網絡控制器比PD控制器對有網絡不確定時延的系統具有更好的控制效果。

參考文獻：

[1]HESPANHAJP，NAGHSHTABRIZI P，XU Y G.Asurvey of recent results in networked control systems[J]. Proceedings of the IEEE， 2007， 95（1）：138-162.

[2]馮曉云.電力牽引交流傳動及其控制系統[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]SeppoSaarinen.WabtecECP Brake System[Z].Chicago：AnnualTechnicalConference，2000.