城市軌道交通車輛牽引與負(fù)載模擬半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

渠開發(fā)，武奇生，陳圓媛，張會(huì)欣

(1.長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，西安 710064；2. 河南交通投資集團(tuán)有限公司，鄭州 450000)

0 引 言

城市軌道交通規(guī)模不斷增大，如何合理有效地研究車輛控制性能成為了亟待解決的問題。研究牽引電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)控制方法，需要考慮牽引電機(jī)的負(fù)載特性并建立牽引電機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)，為研究方案提供接近真實(shí)的電機(jī)運(yùn)行環(huán)境[1]。電動(dòng)負(fù)載模擬系統(tǒng)利用交流電機(jī)或直流電機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的機(jī)械能，通過控制轉(zhuǎn)矩的形式為承載設(shè)備進(jìn)行加載來模擬負(fù)載，因此負(fù)載模擬系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是對轉(zhuǎn)矩的控制。為了使電動(dòng)負(fù)載模擬系統(tǒng)的機(jī)械特性與實(shí)際機(jī)械負(fù)載相同，模擬系統(tǒng)應(yīng)能夠迅速補(bǔ)償因承載對象速度改變而出現(xiàn)在負(fù)載電機(jī)中的反電動(dòng)勢[2]。

由于電機(jī)負(fù)載在機(jī)電測試、民用以及國防各領(lǐng)域的巨大作用，我國已對電動(dòng)負(fù)載模擬技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[3]利用電流、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)復(fù)合控制策略，使用內(nèi)?？刂频牟呗栽O(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)矩、電流調(diào)節(jié)器,以此設(shè)計(jì)了基于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載模擬系統(tǒng)。在負(fù)載模擬系統(tǒng)基礎(chǔ)上，借助 Matlab對系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。文獻(xiàn)[4]以永磁同步電機(jī)作為加載電機(jī)，分析了負(fù)載模擬器的工作原理，并推導(dǎo)、構(gòu)建了模擬系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 使用PID 算法對電流、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行雙閉環(huán)控制，為防止加載對象主動(dòng)運(yùn)動(dòng)而引起多余力矩，引入前饋補(bǔ)償。 隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，對電機(jī)負(fù)載模擬技術(shù)的研究將更加的深入。

國外對電動(dòng)負(fù)載模擬技術(shù)的研究工作開展較早，并已取得了一系列成果。早在1998 年，英國的 Hewson C.R.等人[5]通過控制作為負(fù)載電機(jī)的直流電機(jī)，模擬了線性以及非線性機(jī)械負(fù)載特性，并比較了多種控制方案。韓國的Ryu Hyung Min 等人[6]選取普通直流電機(jī)作為負(fù)載電機(jī)，并模擬高速電梯牽引電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性的系統(tǒng)。但是這些方法都具有一定的局限性，難以在實(shí)際工程中，尤其是模擬實(shí)際城市軌道列車牽引電機(jī)負(fù)載中得到有效應(yīng)用。

車輛運(yùn)行負(fù)載模擬技術(shù)可以克服真車試驗(yàn)成本大、可行性較低及試驗(yàn)周期長等缺點(diǎn)，具有非常高的學(xué)術(shù)、工程運(yùn)用價(jià)值。本文首先計(jì)算了列車牽引力與阻力，從力的角度構(gòu)建列車牽引負(fù)載轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)建模，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，建立一套由牽引電機(jī)系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成的城市軌道交通車輛牽引與負(fù)載模擬半實(shí)物仿真平臺(tái)。并通過軟件編程設(shè)計(jì)來測量和采集相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)阻力加載系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明所提出的系統(tǒng)控制方法合理有效，能準(zhǔn)確模擬列車牽引電機(jī)負(fù)載。

1 仿真平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本城市軌道交通車輛牽引與負(fù)載模擬半實(shí)物仿真平臺(tái)由牽引電機(jī)及其控制系統(tǒng)、慣性負(fù)載及其加載系統(tǒng)、虛擬儀器測控設(shè)備以及工控計(jì)算機(jī)組成，仿真平臺(tái)實(shí)物如圖1所示，作品實(shí)現(xiàn)了小型化，一體化 。利用皮帶飛輪組模擬慣性負(fù)載。使用了永磁電機(jī)進(jìn)行負(fù)載阻力的電模擬方式，相較于液壓模擬，磁滯模擬具有體積小、阻力模擬精度高等眾多優(yōu)點(diǎn)。并使用鋁型材搭建整體框架，可重塑性能強(qiáng)。

圖1 1仿真平臺(tái)實(shí)物圖

2 仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

2.1 理論分析

城市交通列車在運(yùn)行過程中受到的運(yùn)行阻力，主要包括基本阻力、曲線附加阻力、隧道附加阻力和坡道附加阻力等阻力[7]。從力的角度推導(dǎo)牽引電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)表達(dá)式，并將軌道列車運(yùn)行時(shí)的旋轉(zhuǎn)慣量和平動(dòng)慣量折算成飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為之后的負(fù)載阻力模擬加載試驗(yàn)平臺(tái)的建立提供理論基礎(chǔ)。

從力的角度推導(dǎo)出牽引電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)表達(dá)式，首先分析如圖2所示的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力情況。

圖2 輪對傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力分析

圖2左側(cè)為牽引電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，右側(cè)則為輪對和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。細(xì)線代表傳動(dòng)齒輪，粗線代表電機(jī)軸和輪對。圖中箭頭表示電機(jī)、車輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向。采用了列車阻力經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)牽引電機(jī)負(fù)載表達(dá)式[8]，并忽略部分因素。

對于牽引電機(jī)，有轉(zhuǎn)矩公式：

(1)

列車在運(yùn)行時(shí)，牽引電機(jī)的主動(dòng)齒輪和輪對的從動(dòng)齒輪之間存在一對作用力F1和反作用力F2：

F1=F2

(2)

將F1和F2轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩的形式，F(xiàn)1轉(zhuǎn)換為牽引電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，F(xiàn)2轉(zhuǎn)換為傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tt：

TL=F1r1

(3)

Tt=F2R2

(4)

在鐵路上，定義齒輪傳動(dòng)比為

(5)

由于列車在行駛過程中，鋼軌與輪對之間會(huì)出現(xiàn)蠕滑現(xiàn)象，且二者存在蛇形運(yùn)動(dòng)，當(dāng)車輪以角速度ωw轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，列車以速度v行駛，理論上車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度應(yīng)和車輛行駛速度相等。但由于輪對與鋼軌之間出現(xiàn)的蠕滑現(xiàn)象，在利用角速度計(jì)算列車的運(yùn)行速度時(shí)須加入衰減系數(shù)ε：

(6)

圖3分析了單節(jié)列車運(yùn)行時(shí)的受力情況，為了便于計(jì)算，將轉(zhuǎn)向架以及車體看作為一質(zhì)點(diǎn)，由于上述的受力公式中已考慮了部件摩擦損耗，因此可以認(rèn)為列車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的各個(gè)部件之間存在作用力和反作用力，公式如下：

(7)

(8)

(9)

Fr5=N2Fr4

(10)

圖3 單節(jié)列車的受力分析

推導(dǎo)公式時(shí)，忽略由于車鉤力等因素而導(dǎo)致的阻力分配不平均的情況，假設(shè)車輛行駛時(shí)的基本阻力 平均分配給每節(jié)列車車廂，將式(5)、式(6)帶入上式，可獲得基本運(yùn)行阻力F與ωm的關(guān)系：

(11)

最終推出牽引電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

(12)

2.2 仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)制作

設(shè)計(jì)制作城市軌道交通車輛牽引與負(fù)載模擬半實(shí)物仿真平臺(tái)，圖4為機(jī)械總體設(shè)計(jì)圖。仿真平臺(tái)由四部分組成。

圖4 機(jī)械總體設(shè)計(jì)圖

2.2.1 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)

牽引傳動(dòng)系統(tǒng)是城市軌道列車的重要組成部分，負(fù)責(zé)為車輛運(yùn)行提供動(dòng)力，不同的城市軌道列車牽引系統(tǒng)雖然組成各不相同，但基本由以下幾部分組成：高速斷路器、牽引電機(jī)，受流系統(tǒng)(集電靴/受電弓)、牽引逆變器(VVVF)、牽引控制單元(DCU/UNAS)以及制動(dòng)電阻等。為更加真實(shí)有效的模擬城市軌道列車的牽引系統(tǒng)，采用1.75 kW的交流異步電機(jī)和三菱的AC700變頻器，將380 V工頻交流電經(jīng)過整流逆變單元的調(diào)壓、濾波、整流后模擬軌道車輛直流母線供電，經(jīng)過牽引以及制動(dòng)逆變電路把直流電逆變?yōu)榉岛皖l率可以調(diào)節(jié)的交流電，給三相交流異步電機(jī)供電。

2.2.2 慣性飛輪系統(tǒng)

慣性飛輪系統(tǒng)能夠模擬列車行駛時(shí)的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，通過轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以模擬列車運(yùn)行時(shí)受到的加速阻力來測試牽引加速能力。本文采用三級飛輪來模擬列車運(yùn)行時(shí)的空載、滿載以及超載等三種不同工況。

2.2.3 測控系統(tǒng)

建立測控系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)通過信號(hào)調(diào)理電路再輸入數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)，通過Labview進(jìn)行處理分析并以圖形曲線形式顯示在面板中，后期通過調(diào)用Matlab代碼來輸出負(fù)載控制信號(hào)，使用驅(qū)動(dòng)電路控制負(fù)載電機(jī)，從而模擬不同的工況條件?；贚abview的城市軌道交通車輛牽引與負(fù)載模擬半實(shí)物仿真平臺(tái)的測控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡、傳感器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)以及Labview程序構(gòu)成?；贚abview軟件，通過數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對交流異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行快速無誤地檢測，采集并顯示電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等基本參數(shù)。

基于LabVIEW的城市軌道交通車輛牽引與負(fù)載模擬半實(shí)物仿真平臺(tái)系統(tǒng)軟件主要包括了6個(gè)模塊：參數(shù)初始化模塊、串口通信模塊、牽引電機(jī)控制模塊、負(fù)載阻力加載模塊、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理模塊以及運(yùn)行線路設(shè)計(jì)模塊。牽引電機(jī)的控制模塊是系統(tǒng)軟件的核心，包含牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制以及牽引電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。通過串口與變頻器進(jìn)行通信來控制牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速來完成對牽引電機(jī)的控制。牽引電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算是實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)際列車的數(shù)學(xué)建模過程。負(fù)載阻力加載模塊主要包括手動(dòng)和自動(dòng)加載區(qū)域。手動(dòng)加載區(qū)域可以方便使用者進(jìn)行研究調(diào)試，而自動(dòng)加載區(qū)域則是通過給定相關(guān)參數(shù)，直接繪出速度曲線和負(fù)載曲線，實(shí)現(xiàn)對牽引電機(jī)和負(fù)載電機(jī)的自動(dòng)控制，使系統(tǒng)更加智能化。軟件主界面如圖5所示。

圖5 軟件主界面圖

2.2.4 負(fù)載模擬系統(tǒng)

負(fù)載模擬系統(tǒng)能夠模擬列車行駛時(shí)受到的阻力，通過模擬負(fù)載的加載可以使?fàn)恳齻鲃?dòng)系統(tǒng)與實(shí)際運(yùn)行工況更加接近。由于城市軌道列車運(yùn)行時(shí)通常由6到8輛列車編為一組，每列車有4到6節(jié)動(dòng)車組成，每節(jié)車有4臺(tái)牽引電機(jī)，實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)不足以模擬整列車的運(yùn)行阻力，所以系統(tǒng)將列車的運(yùn)行阻力分別平均分配到各臺(tái)牽引電機(jī)，通過負(fù)載轉(zhuǎn)矩的形式加載到牽引電機(jī)上來模擬列車運(yùn)行時(shí)的阻力。

3 結(jié)果分析

城市軌道交通車輛牽引與負(fù)載模擬半實(shí)物仿真平臺(tái)就是根據(jù)采集的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速來計(jì)算列車運(yùn)行受到的基本阻力，并且根據(jù)實(shí)際城市軌道交通車輛參數(shù)算出列車運(yùn)行的各種附加阻力，使用Labview軟件計(jì)算出每臺(tái)牽引電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并通過負(fù)載測功機(jī)的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制加載到牽引電機(jī)上。以此能在平臺(tái)的虛擬儀器端顯示列車運(yùn)行時(shí)的負(fù)載變化曲線以及轉(zhuǎn)矩變化曲線。

研究所得的城市軌道交通車輛牽引與負(fù)載模擬半實(shí)物仿真平臺(tái)負(fù)載加載有手動(dòng)加載和自動(dòng)加載兩種模式。

(1)手動(dòng)加載

手動(dòng)加載是依據(jù)電機(jī)運(yùn)行的速度來控制負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩的加載，可以通過手動(dòng)操作加載任意數(shù)值，使系統(tǒng)調(diào)試更加方便。

(2)自動(dòng)加載

圖6為自動(dòng)加載時(shí)采集的牽引電機(jī)電流、電壓的曲線，由圖可以看出，牽引電機(jī)在起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流很大，之后逐漸減小，并最終趨于穩(wěn)定值。而牽引電機(jī)的電壓則隨著時(shí)間一直增大，逐漸趨于穩(wěn)定，并保持不變。

圖6 自動(dòng)加載下牽引電機(jī)電流電壓曲線

如圖7所示，為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線顯示，隨著電機(jī)的運(yùn)行，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也逐漸增大，這和自動(dòng)加載設(shè)定有關(guān)。

圖7 牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線圖

圖8為牽引特性的運(yùn)行特性曲線顯示：

圖8 運(yùn)行特性曲線顯示

由以上所測牽引電機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以看出，電動(dòng)負(fù)載模擬系統(tǒng)的機(jī)械特性與實(shí)際機(jī)械負(fù)載相符合，故城市軌道交通車輛牽引與負(fù)載模擬半實(shí)物仿真平臺(tái)能準(zhǔn)確模擬列車牽引電機(jī)負(fù)載。

4 結(jié) 語

該文通過對列車運(yùn)行進(jìn)行受力分析，建立一套由牽引電機(jī)系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成的城市軌道交通車輛牽引與負(fù)載模擬半實(shí)物仿真平臺(tái)。并通過軟件編程設(shè)計(jì)來測量和采集相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)阻力加載系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明所提出的系統(tǒng)控制方法合理有效，能準(zhǔn)確模擬列車牽引電機(jī)負(fù)載。后期與列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(ATC)結(jié)合，在不同行車工況下，顯示牽引電機(jī)數(shù)據(jù)，調(diào)控動(dòng)力分配，具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值與工程運(yùn)用價(jià)值。