推荐基于干扰观测器考虑转向架振动的防滑再粘着控制Word文档下载推荐.docx

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简介

由多个单元组成的电动市郊列车在人口众多的大城市是很有用的运输工具。

高加速度和通勤列车制动性能都需要高效率的集体运输工具实现。

一般来说，切向力的电动火车车轴重量，功能和铁路之间的切向力和带动系数轮。

切向力系数的特点是强烈影响铁轨条件和驱动轮，如潮湿，灰尘，油污等。

当切向力系数下降，产生动力车轮的打滑现象。

当火车有滑移现象，便影响车辆的加速性能和制动性能。

此外，铁路和驱动轮有一些磨损。

因此，电动火车的驾驶系统应该有一个好的防滑再粘着控制系统。

图1.JR-East线205-5000系列市郊列车

为了抑制滑移现象，我们已经提出在防滑再粘着控制系统的干扰观测控制的基础上。

我们已经证实，这套系统驱动高附着力利用率列车。

我们已应用该方法的实际电动多个单位，这是205-5000系列（如图1所示[东日本铁路公司]）。

这些列车舒适的驾驶性能。

当驾驶车轮打滑现象生成，降低牵引电机的扭矩，以抑制其下滑的现象。

在电机转矩的幅度取决于利用扰动观测到的切向力的大小。

切向力的估计对转向架振动产生影响。

因此，切向力估算不能有一个具体值。

过去,提出了系统的振动现象不考虑实际转向架动力学电动通勤列车。

当电力机车运行的轨道连接点,它已经转向架的振动现象。

它使估计的切向力强迫振动。

因此,驾驶控制系统不能确定适当的扭矩作为参考,有时降低最高切向力的利用率。

为了提高控制系统防滑再粘着的振动现象,结合实际转向架系统,本文提出了一种新的控制系统--基于扰动观测器考虑转向架系统的共振频率的防滑再粘着控制系统。

滑移现象和切向力估测

电动列车依靠动力车轮和铁轨间的切向力运动。

图2.显示了电动列车的总体结构。

此外，它由四个驱动轮和两个异步电动机（如图3）所示带动的转向架。

它有一些共振频率。

起初，这篇文章作出了切向力估算模型，然后设计了防滑再粘着控制系统。

电动火车的运动方程是从

（1）至（4）式。

（1）是机车车辆的运动，以及（3）描述了电动火车动力车轮的运动。

在（3）中，F·

r是轮子转矩对应的铁轨和驱动轮间的切向力，如图4所示。

图2电动列车的总体结构

图3电动列车的转向架图4单个车轮的模型

这里：

M---车轮的重量

vt---列车的牵引速度

F---切向力

Fd（vt）---列车的运行阻力

µ

（vs）---切向力系数

W---列车的轴重

g---重力加速度

J---车轮的转动惯量

ωd---车轮的角速度

τ---车轮扭矩

r---车轮半径

vs---滑移速度

vd---车轮速度（vd=r*ωd）

对电机转速公式是（5）式。

τL是异步电动机的负载转矩对应于铁轨和驱动轮之间的切向力,如式（6）所示。

使用公式（3）,本文得出了重要运动方程,如图7所示。

因此普通的扰动观测器估计电机负载转矩τL、切向力F,如图8所示。

普通的扰动观测器划分为零级扰动,估计观察者扰动力矩。

Jm---电机惯性力矩

ωm---电机的角速度

τm---电机的名义转矩

τL---电机的实际转矩

ˆτL---电机的估计负载转矩

ˆF---估计的切向力

Rg---齿轮装置传动比

切向力系数μ是一个滑动速度vs的函数，如图5所示。

最大切向力是由最大切向力系数µ

max决定的。

最大切向力系数µ

max叫做粘着系数。

当电动火车驱动轮的扭矩τ超过最大切向力时，电动火车有滑移现象。

因此，再粘着控制系统应形成对电机扭矩和粘着的控制。

基于干扰观测器的再粘着控制系统和无线传感器的矢量控制

理想化的防滑再粘着控制应该在最大切向力处保持接近切向力。

通常，电动火车的驾驶系统具有低转速（60脉冲/转）的速度传感器。

为了迅速抑制下滑的现象是很难控制电动机转矩的。

图5.切向力系数与滑移速度之间的关系曲线

为了实现快速扭矩响应，就使用了无线传感器矢量控制系统。

无线传感器矢量控制系统采用电机电压和电流估计相互联系的异步电机间的磁通量。

无线传感器矢量控制系统比普通异步电动机的矢量控制系统在速度方面具有许多优点。

防滑控制的主要的优势在于它是从缓慢转矩响应由低解析度编码器引起。

电动列车牵引电机的平均角速度ωm由无线传感器矢量控制系统迅速做出判断。

车轮的速度也从无线传感器矢量控制系统得到。

图6所示为基于扰动观测器的防滑再粘着控制系统和无线传感器矢量控制。

图6基于扰动观测器的防滑再粘着控制系统和无线传感器矢量控制

为了实现再粘着，当列车处于加速模式时，电机扭矩的变化如图7所示。

再粘着控制的计算如下所示：

1.当检测到有滑移现象时，电机扭矩减小到τL−lim，它是基于切向力估计的，并且电机扭矩在T1间保持为常数。

2.T1之后，电机扭矩增加直至到τL−rec，这也是有切向力估算的。

3.电机扭矩在T2间为常数，并逐步地增加知道再检测到滑移想象。

图7防滑再粘着控制的扭矩参考模式

考虑转向架动力学的高阶扰动观测的设计

电力机车的车转向架如图3所示。

本文对转向架的动力学系统的第一个共振频率，假设如下：

该高阶扰动观测系统的平面图如图8所示。

在图8中，τL是转向架系统的干扰力矩，而且是一个用式（11）定义的步函数。

τL是异步电动机干扰扭矩，并且振荡扭矩如（10）所示。

在电机的转矩方程均为式（12）。

图8.干扰观测器的平面系统

利用式（10）和（11），从平面系统的模型方程，获得了式（13）（14）和（15）。

从（12）（15），利用Goliaths方法实现高阶扰动观测。

拟议的高阶扰动观测状态方程式从式（16）获取。

拟议的高阶扰动观测器输出方程从式子（17）（18）和（19）得到。

此外，图9显示了考虑转向架振动切向力估计框图。

τL的估计使用式（20）。

使用这种新的切向力估计方法，切向力的估计如式（8）所示。

图9考虑转向架振动使用干扰观测器的切向力的估计

数值模拟结果

为了证明了该方法的有效性,提出了防滑再粘着控制系统，得到了数值仿真的结果。

我们已经证实有效利用2M1C转向架模型无线传感器矢量控制系统。

本文使用具有无线传感器矢量控制系统4M1C动力车模型模拟出新的仿真结果。

图10显示了本文提出的干扰观测和常规的干扰观测得到的数值模拟的结果

这里

τmref---参考电机扭矩

F---实际切向力

vt---牵引速度

ˆvd---计算加速度

FJ---轴箱弹簧上的力

该电动机扭矩在粘着区保持恒定值条件下，1号轴转向架振动产生5、10和15s。

在图10中，估计的切向力就没有用提出的防滑再粘着控制系统。

图10所示为只有观察的扰动观测器。

表1转向架振动的振幅

表1所示为估计切向力振动的振幅。

使用高阶扰动观测器，振动波形的振幅大约为常规类型的1/3。

此外，收敛时间比传统的类型的小。

拟议的扰动观测器可以有效减少估计切向力的振动。

图10估计切向力的振动图

接下来，本文阐述了防滑再粘着控制的数值模拟结果。

图11显示了传统控制方法的数值模拟结果，图12显示了所提出的控制方法的数值模拟结果。

图11传统方法的数值模拟结果图12.新方法的数值模拟结果

---切向力系数

r---切向力利用率

大约在t=5、10、15秒，该转向架产生振动。

在图11中，估计的切向力由于转向架振动产生振动波形。

为此，也就无法适当地确定电机参考转矩，最大切向力的利用率变低。

相反的，在图12中，由于估计切向力的振动变小，电机参考转矩可以适当的确定，而最大切向力的利用率保持在很高值。

因此，建议的高阶扰动观测器可以有效地减少估计切向力的振动波形。

总结

为了提高控制系统防滑再粘着,结合实际转向架系统的振动现象,本文提出了一种新的基于高阶扰动观测器虑转向架系统的谐振频率的防滑控制系统。

拟议中的高阶扰动观测器有效的抑制估计切向力的振动。

应用所提出的高阶扰动观测器的，振幅、振动波形变得约为传统的类型的1/3。

拟议中的高阶扰动观测器能有效保持最高切向力的利用率。

最大切向力的利用率提高5%。

数值仿真结果指出,提出的控制方法具有性能优良的驱动加速度。

参考资料

[1].清水，光大石，吨佐野，第安川，吨户籍“基于扰动观测考虑转向架振动的防滑再粘附控制”。

20XX年的政协名古屋，电源转换的第四次会议，日本名古屋，pp.1376-138（20XX-4）

[2].美内田，吨大山，和野村“制动时的附着力和防滑控制”，铁路技术研究所报告，第15卷第5期，pp.1-6（20XX-5）（日语）

[3].吨古屋，和河村“连续使用牵引系数测定牵引力测试仪”，20XX年国民大会记录I.E.E.日本，Vol.5，pp.306（20XX-3）（日语）

[4].美国户，中泽，吨片见，和一村正彦“考虑轮对打滑和再粘着控制的车辆”，外部评价日本吨，Vol.121三维，9号，第.923-932（20XX-9）（日语）