地铁牵引电传动系统与其控制技术研究

摘要

牵引电传动系统是地铁车辆装备的核心。本文针对异步电动机矢量控制中的电压解耦问题、磁链观测器的实现、地铁车辆防滑/防空转控制技术以及纯电制动控制策略分别展开研究，并通过软件仿真以及地面、现场实验验证了理论研究成果的正确性。
　　基于异步电动机动态模型的转子磁场定向控制已被广泛应用于地铁车辆控制中。目前地铁牵引变流器主电路拓扑以电压源型逆变器为主，为了能够更好地实现异步电动机的解耦控制，本文采用了一种电压前馈解耦的控制策略，结合空间矢量脉宽调制技术，对电压源型逆变器进行控制，提高了系统的动态响应。
　　传统的电压模型磁链观测器中由于包含纯积分环节，当采样值存在直流偏置时会导致积分饱和，严重影响观测器的性能。本文针对电压模型磁链观测器存在的问题，提出了一种改进型电压模型磁链观测器，以高通滤波串联低通滤波代替原来的纯积分环节，并对其相位和幅值进行实时补偿，提高了观测器的准确性。
　　一阶扰动观测器可以获取当前路面的黏着系数等信息。在此基础上，本文设计了一种稳定且不会放大系统噪声的一阶扰动观测器来获取当前路面的黏着系数及其导数值的信息，并结合黏着特性曲线的特点，提出了一种以PI调节器为核心、转矩微调函数C(t)为辅助的基于最优黏着利用的地铁车辆防滑/防空转控制策略，从而有效防止车辆空转/打滑现象的发生，实现恶劣轮轨接触条件下的最优黏着利用。
　　目前，城轨车辆均采用电空联合制动的制动方式。电空联合制动在切换时会导致乘坐舒适度变差，而且空气制动还会带来闸瓦磨损等一系列问题。本文提出了一种在制动过程中采用再生制动自然过渡至反接制动的纯电制动控制策略，并对现有的地铁车辆测速方法进行了改进，确保能够更准确地检测列车速度和及时切除逆变器防止列车反向运行。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景和意义

1．2 地铁牵引电传动系统控制技术研究现状及发展趋势

1．2．1 矢量控制技术研究现状及发展趋势

1．2．2 车辆防滑／防空转控制技术研究现状及发展趋势

1．2．3 纯电制动控制技术研究现状

1．3 论文主要工作

2 电压解耦型矢量控制系统的研究

2．1 坐标变换

2．1．1 三相／两相静止坐标变换

2．1．2 两相静止／两相旋转坐标变换

2．2 异步电动机动态模型

2．3 异步电动机的转子磁场定向控制策略

2．4 异步电动机矢量控制系统中的电压解耦控制

2．4．1 电压解耦算法的本质

2．4．2 不同电压解耦算法的比较

2．4．3 电压前馈解耦预控

2．5 空间矢量脉宽调制技术

2．5．1 空间矢量脉宽调制(SV PWM)基本原理

2．5．2 空间矢量脉宽调制(SV PWM)控制方法

2．6 仿真与实验

2．6．1 仿真研究

2．6．2 实验验证

2．7 本章小结

3 异步电动机矢量控制中磁链观测器的研究

3．1 根据定子电压和定子电流计算磁链

3．2 根据定子电流和转速计算磁链

3．3 根据定子电压、定子电流和转速计算磁链

3．4 改进型电压模型转子磁链观测器研究

3．5 两电平电压源型逆变器输出电压重构方法研究

3．6 仿真与实验

3．6．1 仿真研究

3．6．2 实验验证

3．7 本章小结

4 面向地铁车辆的防滑／防空转控制技术研究

4．1 车辆轮轨黏着机理分析

4．2 地铁车辆动力学模型建立

4．3 基于最优黏着利用的地铁防滑／防空转控制策略

4．3．1 地铁车辆防滑／防空转控制方法比较

4．3．2 针对实际黏着系数的状态观测器设计

4．3．3 基于最优黏着利用的防滑／防空转控制策略研究

4．4 地铁车辆纯电制动控制策略研究

4．4．1 城市轨道交通车辆制动方式介绍

4．4．2 地铁车辆纯电制动分析

4．4．3 地铁车辆转速测量方法改进

4．5 仿真与实验

4．5．1 仿真研究

4．5．2 实验验证

4．6 本章小结

5 结论

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

作者简历

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