地鐵車輛異步電機仿真與直接轉矩控制研究

劉國棟，余朝剛，朱文良

（上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海 201620）

0 引言

伴隨著經濟全球化發展以及中國更深度地參與世界分工，我國城市化進程加快，城市軌道交通成為我國今后發展公共交通的主旋律，為了緩解交通壓力，急需加快地鐵車輛的研究步伐。

電力牽引系統是城市軌道交通列車的重要組成部分。為保證列車行車安全以及正點運營，牽引系統要根據速度變化、車輛載荷變化、輪軌粘著系數等對牽引力進行精確控制。同時為保證牽引系統可靠性，還需要經常對牽引及其控制系統進行檢修。由于城市軌道交通列車牽引系統的好壞直接體現在列車的安全運行性能以及旅客乘坐的舒適程度、人身安全上，牽引系統精準控制在地鐵列車中的重要性日益提高[1]。

目前我國城市軌道交通車輛多為三相交流異步電機牽引傳動[2]，主流高性能控制方案分為矢量控制技術與直接轉矩控制技術[3]。文獻[4]對成都城軌車輛直接轉矩控制方案進行了可行性分析。文獻[5]采用恒定負載轉矩模擬完整搭建牽引制動控制系統仿真模型，在實際中城軌列車運行時負載轉矩是隨速度而改變的。文獻[6]采用恒定負載轉矩搭建城軌列車牽引系統實時仿真模型，與列車實際運行狀況不同。本研究以MATLAB 中Simulink 仿真工具建立城市軌道交通交流電力牽引及其控制系統的仿真模型，以異步牽引電機直接轉矩控制方法為主要原理，針對其定子磁鏈軌跡、牽引電機轉速、定子電流以及轉矩等進行數據分析，最后得出直接轉矩控制效果簡潔高效試驗結論，將有助于我國城市軌道交通車輛牽引技術的發展。

1 軌道車輛牽引系統結構

城市軌道交通車輛交流電力牽引系統主要包括受流裝置、牽引變流裝置、牽引電機以及制動電阻。軌道車輛交流傳動方式原理如圖1 所示，受電弓從接觸網受流，通過高速斷路器、線路接觸器、接地檢測裝置后，將DC 1 500V送入牽引電機控制模塊上，逆變成頻率電壓可調的三相交流電，平行供給車輛4 臺交流鼠籠式異步牽引電機，實現對牽引電機的調速，進而控制列車完成牽引、電制動等操作。

圖1 軌道車輛交流傳動方式原理示意圖

2 圓形磁鏈直接轉矩控制原理及建模

2.1 圓形磁鏈直接轉矩控制基本原理。直接轉矩控制（Direct Torque Control，DTC）變頻調速是繼矢量控制技術之后一種高效簡潔變頻調速技術，省去傳統PWM 信號發生器，更區別于矢量控制旋轉坐標的繁瑣變換及高度依賴定子與轉子參數，DTC 直接利用空間矢量分析模式，在定子坐標系下對異步牽引電機磁鏈與轉矩進行估算與控制，由滯環控制器對逆變器的開關進行高效快速控制，故而得到高動態性能轉矩。目前DTC 直接轉矩控制由于其系統結構簡潔、控制手段直接、動態性能高效等諸多優點成為一種優質異步牽引電機控制策略。

將估計旋轉速度與給定旋轉速度相比得出給定轉矩；將磁鏈估計與給定磁鏈進行比較，經由磁滯環比較器得出磁鏈控制信號；再經轉矩調節器將轉矩差作滯環處理得到轉矩控制信號；根據計算得出的轉子位移劃分扇區；根據分區以及轉矩和磁鏈控制信號，結合搜索表以獲得空間矢量，生成PWM 波；輸出給逆變器，給電機供電。

2.2 圓形磁鏈直接轉矩控制模型。采用DTC 直接轉矩控制方式來控制三相異步交流牽引電機的轉速，進而控制軌道車輛的車速。由圖2 可知整個直接轉矩控制系統仿真模型主要由主電路仿真模塊、磁鏈和轉矩估計模塊以及圓形磁鏈軌跡控制算法構成。各部分搭建成果如圖3 所示，圖4 為磁鏈軌跡控制算法內部結構包括磁鏈與轉矩滯環控制及分區選擇器。

圖2 圓形磁鏈直接轉矩控制系統原理框圖

圖3 地鐵電力牽引系統仿真模型

圖4 磁鏈與轉矩滯環控制子系統

對于圖3 中所示的DTC 仿真模型要求其能夠準確反映出DTC 控制特性以及具有高度穩定性，所以有必要對該模型進行必要的仿真波形檢驗。將檢驗模型參數設置為：測試時間1s，額定線電壓480V；目標轉矩63N·m；目標轉速550r/min 進行起動測試。

由圖5 可以看出，該圓形磁鏈軌跡DTC 仿真模型中定子磁鏈無明顯畸變，圖6 是牽引電機實時轉矩迅速穩定到目標值，由圖7 中可以看出定子端電流正弦波在趨于穩態過程中，波形亦無明顯變形，得證該仿真模型靜動態性能良好。

圖5 牽引電機定子電流正弦波檢驗

圖6 牽引電機實時轉矩監測檢驗

圖7 牽引電機定子磁鏈軌跡檢驗

3 仿真方案與分析

上海在運某線路城市軌道交通車輛牽引電機的相關參數如表1 所示。設定牽引電機在起動時的目標轉速為1 200r/min，牽引電機起動1.3s 后通過階梯函數向其施加一個大小為70N·m 的負載模擬載客工況，1.5s 后模擬司機控制牽引電機進入制動工況，至此完成一次完整地直接轉矩控制牽引電機牽引加速、惰行與制動減速的軌道車輛牽引電機仿真運行過程。仿真過程得到牽引電機定轉子磁鏈軌跡、定轉子電流正弦波形、車輛模擬實時轉矩輸出以及牽引電機實時轉速等多種仿真數據，其仿真結果分別如圖8 至圖11 所示。通過多組直觀數據可觀察基于該控制方式下系統響應的速度快慢與自調整效果，從而驗證該控制方式的穩定性與可靠性。

表1 某軌道車輛牽引電機相關參數表

圖8 仿真結果-定子磁鏈軌跡

圖9 仿真結果-定子電流正弦波形

圖10 仿真結果-實時轉矩輸出曲線

圖11 仿真結果-牽引電機實時轉速

如圖8 所示，牽引電機仿真運行過程中，多種工況下空間矢量幅值的控制效果均顯良好，牽引電機磁通變化接近規整圓形軌跡，判定磁通調整效果穩定。圖9 定子端電流變化趨勢與圖10 實時轉矩變化趨勢基本吻合，整個變化過程依照三種不同工況分為明顯的三段式，當牽引電機空載起動時，牽引電機轉矩迅速響應上升并達到穩定輸出；在1.3s 增加模擬列車負載時，轉矩再次迅速響應調整；在1.5s 迅速響應進入制動工況，實時轉矩輸出也隨之變化直至2.85s 時牽引電機轉速降為零時輸出轉矩也回歸零線。完整仿真過程中定子端三相電流正弦波形即逆變器輸出線電流三弦波形均呈穩定效果。

4 結論

通過對城市軌道車輛牽引電機直接轉矩控制方法的研究，基于MATLAB/Simulink 軟件搭建了一套完整的DTC 三相異步牽引電機仿真模型，并在此模型基礎上完成牽引電機處于牽引、惰行以及制動工況的仿真與分析。通過定子磁鏈及轉矩響應驗證了所搭建模型的可行性與穩定性。定子端電流正弦圖形規律、定子磁鏈收斂為規整圓形、轉矩控制及時響應，牽引電機穩定運行等多項仿真結果表明，采用直接轉矩控制方式控制的牽引電機對于要求高效穩定快速的城市軌道交通牽引制動系統來說既高效又快捷。