永磁同步牵引系统零速电制动策略研究

夏 猛，马法运，张春磊，曾凡飞，蔡纪卫，李 华

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

0 引 言

近年来，由于功率密度高、效率高、体积小、维护成本低的特点，永磁同步电机在国内外轨道交通牵引领域逐渐被广泛关注[1]。永磁同步电机作为机车牵引电机已成为一个新的研究方向[2-3]。日本、法国和德国等国经过十几年的努力，已取得很大的进展。日本研发的永磁同步电机已在低地板轻轨车辆、轨距可变电动车组和新干线商速电动车组上完成了试验与运行[4-5]。德国和法国也都在城轨列车和高速动车组上应用了永磁同步牵引电机[6-7]。

制动系统作为轨道牵引传动系统中非常重要的一部分，其性能的好坏直接决定了运行中的列车能否安全停车，因此对于制动的研究非常重要。目前，世界上轨道车辆大多采用电-空联合制动方式，即在高速采用电制动，列车制动减速到5 km/h时，需要切除电制动而实施空气制动，该制动方式在电、空制动切换时可能会引起加速度的突变，使乘客感觉不适，同时，会造成停车位置不准[8]。

针对电-空联合制动存在的问题，日本东京大学的曾根悟教授提出纯电制动的概念，该制动方式在低速停车时不进行电-空切换，直接由电磁力来承担列车制动所需的制动力。采用纯电制动相应动作时间快、制动减速度平稳，同时也减少了使用空气制动时带来的机械部件的维护工作量及维护成本。文献[9]针对直线电机轨道交通系统，讨论了直线电机纯电制动过程中再生制动到反接制动的切换方式,及反接制动后为防止列车反向运行的制动切除问题。文献[10]研究了高速列车异步牵引纯电制动的实现方式，针对低速情况下，现有速度传感器无法合理判断列车零速度的状态，通过改变对速度传感器脉冲信号的处理方法，提高测速精度。

以上文献都是针对于牵引电机为直线电机或者异步电机的系统，而针对于永磁同步牵引系统，纯电制动策略研究的很少。针对于此，本文首先研究了永磁同步电机控制策略，在此基础上对永磁同步电机制动方式进行了分析，并提出一种适合永磁同步电机的零速电制动策略，通过仿真和试验验证所提控制策略的可行性与有效性。

1 永磁同步电机矢量控制原理

根据永磁体的位置不同，永磁同步电机可分为表贴式和内置式两种。表贴式永磁同步电机交直轴磁阻近似相等，交直轴电感也近似相等，其属于隐极式电机。内置式永磁同步电机交直轴磁阻相差较大，对应的交直轴电感差异也很大，属于凸极式电机，其中内置式永磁同步电机在轨道交通领域应用较多，因此，本文以内置式永磁同步电机为研究的对象展开讨论。

1.1 永磁同步电机数学模型

永磁同步电机在稳态时于dq坐标系下的电压方程如下：

式中，ud和uq为电机在dq轴电压；id和iq为dq轴电流；Rs和ωr为电机定子内阻和电机电角速度；Ld和Lq为电机dq轴电感；ψf为永磁体磁链。

电磁转矩方程为

Te=1.5np[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]

(2)

式中，np为电机的极对数。

电机的运动方程为

(3)

式中，J为电机转子与系统的转动惯量；Ωr为电机机械角速度；RΩ为阻尼系数；RΩΩr为阻尼转矩；TL为负载转矩。

1.2 基于磁场定向的矢量控制

通过解耦实现转矩和磁链独立控制的磁场定向矢量控制在轨道牵引传动系统中得到广泛的应用。目前，我国引进以及自主研发生产的高速列车动车组普遍采用转子磁场定向矢量控制[11]。

在永磁同步电机矢量控制系统中，电机在恒转矩区运行时，永磁同步电机的主要损耗为永磁同步电机的铜耗。为减少系统损耗，采用最大转矩电流比(MPTA)控制。即在永磁同步电机给定转矩条件下，永磁同步电机定子电流矢量的幅值最小。永磁同步电机定子电流矢量幅值最小不仅使电机铜耗最小，也减小了逆变器和整流器的损耗，降低了系统的整体损耗。

对于内置式永磁同步电机，在MPTA控制下，其d轴电流可以根据q轴电流计算的到：

由式(4)可知，当牵引电机转矩给定为固定值时，d、q轴电流为唯一确定的值。

基于以上理论，可得永磁同步电机矢量控制系统的控制原理图，如图1所示。

如图1所示，当给定电机牵引转矩指令确定后，根据式(2)和式(4)，可唯一确定采用MPTA控制下电机dq轴电流的指令值。为了能够独立的控制电机的交直轴电流，消除电机交直轴电流耦合对电机控制性能的影响，提高电流响应速度，采用前馈解耦控制，图1中解耦项usd_fb、usq_fb根据式(1)计算得到。同时，为了提高dq轴电流的瞬态响应能力，在电压前馈的基础上，增加dq轴电流控制器，进而得到dq轴电压指令，如式(5)所示。

式中，isd_PI和isq_PI为dq轴PI控制器的输出，其大小如式(6)所示。

2 永磁同步电机零速电制动控制策略

图2为异步电机纯电制动过程，通过改变电机转差频率，使电机定子频率小于转子频率，电机输出反向制动力，当电机定子频率小于零时，必须改变旋转磁场的方向，进入反接制动过程，通过产生反向的牵引力矩来实现列车的制动。

图2 异步电机纯电制动过程

由上图可知，异步电机在实现纯电制动过程中存在以下问题。首先，异步电机牵引控制系统通过安装在轴箱盖上的传感器探头产生脉冲信号，处理后获得轮轴转速，该测速方法在低速下，存在很大误差，如果测速不准，可能导致电机停车不稳，甚至发生抖动；其次，电机在定子频率小于零时，进行反接制动，此时，如果制动力没有及时撤出，会导致列车反向旋转而不能停车。相比异步电机，永磁同步电机在纯电制动过程中则不存以上问题，可实现电制动到零平稳停车。

永磁同步电机在整个制动过程中电机转速与定子频率成正比例，如式(7)所示。电机速度为零时，电机定子频率也等于零，因此，永磁同步电机电制动过程不存在反接制动。

同时，永磁同步电机控制系统中，采用旋转变压器测量转子位置，旋转变压器具有耐高温、耐湿度、抗冲击性好、抗干扰能力强等突出优点，可以精确可靠的产生转子绝对位置信息，因此，永磁同步电机在低速下仍可实现精确速度控制，保证列车准确停车。

基于以上分析，本文针对永磁同步牵引传动系统，提出一种适合于永磁同步电机的零速电制动策略，其制动过程如图3所示。

图3 永磁同步电机零速电制动过程

通过施加反向电制动力，使定子频率不断减小，相应的电机速度也在不断减小，由于永磁同步电机转速与定子频率成正比例，通过再生制动可实现电制动到零。在电机转速减小到零时，为了保证电机不出现反向转动，使机械制动装置作用，闸瓦抱闸，即施加机械制动力。电机停止转动后，电制动力线性减小到零。列车需要再次启动时，解除闸瓦抱闸，即可正常加速运行。

3 仿真和实验验证

3.1 仿真结果与分析

为了验证本文所提永磁同步电机零速电制动策略的正确性和可行性，基于永磁同步电机对拖试验平台参数，利用Matlab/Simulink中S-function搭建永磁同步电机磁场定向矢量控制模型，进行仿真验证，仿真所用主要参数如表1所示。

表1 仿真和实验所用电机参数

采用图1所示永磁同步电机矢量控制策略进行Matlab仿真。仿真过程为：牵引级位为10级，加速到5 s，电机转速到1800 r/min，恒速运行2.5 s，8 s时开始制动，仍采用最大级位制动，12.3 s时电机转速为零，16 s时采用10级牵引加速。仿真结果如图4和图5所示。

图4 Matlab仿真结果(一)

图4为整个仿真过程电机输出转矩、机械转矩、电机转速和电机三相电流的仿真结果。

图5 Matlab仿真结果(二)

图5为整个仿真过程电机dq轴电流和dq轴电压的仿真结果。

由上仿真结果可知，电机在经过加速启动和惰行运行后，在8 s后施加电制动力，电机转速减小，在12.3 s时，电机转速减小到零速，此时开始施加机械制动力，保证电机不反向转动。在经过一段延时后，减小电机电制动力到零，电制动到零后，撤去机械制动力。由图5仿真结果可知，在电机整个加减速过程中，dq轴电流和dq轴电压都可保持精确控制，没有冲击，且该制动策略在电机转速减小到零前不要施加空气制动，而且停车后不影响再次启动。

3.2 实验结果与分析

实验系统如图6所示，主要包括母线高断箱、断路器箱、电抗器箱、VVVF逆变器箱、制动电阻和永磁同步牵引电机。控制部分采用DSP+FPGA框架。

图6 永磁牵引系统试验平台

图7 实验结果

基于图6所示永磁牵引系统实验平台，采用MPTA控制，牵引加速7 s，惰行5 s后，进行电制动减速，电机在17.5 s时，转速减小到零速，施加机械抱闸。延时一段时间，减小电制动力到零，同时缓解机械抱闸，在32 s时，重新牵引电机加速，电机可正常启动运行，实验结果如图7所示。

由实验结果可知，采用本文所提出的零速电制动策略，可实现电机在减速到零前仅施加电制动力，在需要空气制动力，如图7所示，电机转速在17.5 s时减小到零时，施加机械抱闸后，可使电机转速保持为零，此时电机定子频率为零，电机相电流为直流分量。在电机停稳后，减小电制动力到零，之后解除机械抱闸。在整个加减速过程中，电机电流可实现精确控制，且没有电流冲击。

4 结 语

本文针对轨道牵引传动系统中永磁同步电机控制策略进行了研究，提出一种适合于永磁同步牵引系统的零速电制动控制策略，并通过仿真和实验进行验证。该方法可实现在列车制动到零速前完全采用电制动，不需要施加空气制动力，从而实现列车精准停车。同时，该方法结构简单，易于实现，具有一定的工程实用价值。