轨道车辆永磁牵引电动机控制技术综述

轨道车辆永磁牵引电动机控制技术综述

张国中 高爽 梁启华

中车大连电力牵引研发中心有限公司 辽宁 大连 116052

摘要：随着我国轨道交通事业的快速发展，永磁牵引电动机因其高效、节能、环保等优点，逐渐成为轨道车辆牵引系统的重要选择。本文将对轨道车辆永磁牵引电动机的控制技术进行综述，以期为相关研究和应用提供参考。

关键词：轨道车辆；永磁牵引；电动机控制技术

1牵引变流器

牵引变流器作为轨道车辆永磁牵引电动机的核心部件，其性能直接影响着电动机的运行效率和可靠性。在轨道车辆永磁牵引电动机控制技术中，牵引变流器的设计与优化至关重要。首先，牵引变流器需要具备高效率、高功率密度、高可靠性等特点。为了满足这些要求，近年来，国内外学者对牵引变流器的研究取得了显著成果。一方面，针对牵引变流器的高效率问题，研究者们从多个角度进行了探讨。首先，优化变流器拓扑结构是提高效率的关键。例如，采用双电平、多电平等拓扑结构，可以有效降低开关器件的电压应力，提高变流器效率。此外，通过优化开关器件的选型、控制策略和散热设计，也能在一定程度上提高牵引变流器的效率。另一方面，针对牵引变流器的高功率密度问题，研究者们主要从以下两个方面入手。一是减小变流器体积和重量，提高功率密度。这需要采用小型化、轻量化的开关器件和磁性元件，以及优化变流器结构设计。二是提高变流器功率密度，降低损耗。这可以通过采用高频变压器、集成化技术等手段实现。此外，为了保证牵引变流器的可靠性，研究者们对变流器故障诊断和容错控制技术进行了深入研究。故障诊断技术主要包括基于信号处理、人工智能等方法，通过对变流器运行状态进行实时监测和分析，实现对故障的早期预警。容错控制技术则通过设计冗余控制策略，确保在部分元件故障的情况下，牵引变流器仍能保持正常运行。

2永磁牵引电动机控制技术

2.1矢量控制

矢量控制技术是永磁牵引电动机控制技术中的一种先进技术，它通过将电动机的定子电流分解为两个相互独立的分量，即转矩电流和磁链电流，从而实现对电动机的精确控制。这种控制方式不仅提高了电动机的运行效率，还使得电动机具有更高的动态响应速度和更强的抗干扰能力。矢量控制技术的核心在于将电动机的定子电流分解为转矩电流和磁链电流。转矩电流负责产生电动机的转矩，而磁链电流则负责产生电动机的磁链。通过分别控制这两个电流分量，可以实现对电动机转矩和磁链的独立调节，从而实现对电动机的精确控制。在矢量控制技术中，首先需要通过坐标变换将三相定子电流转换为两相电流，即转矩电流和磁链电流。这一过程称为坐标变换，主要包括Park变换和Clarke变换。Park变换将三相电流转换为两相电流，而Clarke变换则将两相电流转换为α-β坐标系的电流。通过坐标变换，可以将电动机的定子电流分解为转矩电流和磁链电流。

2.2直接转矩控制

直接转矩控制（DirectTorqueControl，简称DTC）作为一种先进的永磁牵引电动机控制技术，其核心在于实现对电动机转矩和磁通的精确控制。这种控制策略摒弃了传统的矢量控制方法，直接对电动机的转矩和磁通进行控制，从而提高了系统的动态响应速度和鲁棒性。在DTC系统中，通过检测电动机的定子电流和电压，实时计算出电动机的磁链和转矩，进而实现对转矩和磁通的直接控制。这种控制方式具有以下特点：首先，DTC系统具有快速响应能力。由于直接对转矩和磁通进行控制，系统无需进行复杂的坐标变换，从而大大缩短了控制响应时间。这对于牵引电动机来说尤为重要，因为它需要在短时间内完成启动、加速和制动等操作。其次，DTC系统具有较好的鲁棒性。在DTC控制策略中，不需要对电动机的参数进行精确的辨识，因此对电动机参数的变化具有较强的适应性。这使得DTC系统在复杂的工作环境下仍能保持良好的性能。再次，DTC系统具有较低的谐波含量。由于DTC控制策略直接控制转矩和磁通，避免了传统矢量控制中产生的谐波问题，从而提高了电动机的运行效率和功率因数。

2.3模型预测控制

模型预测控制（ModelPredictiveControl，MPC）是一种先进的控制策略，在永磁牵引电动机控制技术中得到了广泛应用。MPC通过建立精确的数学模型，对电动机的运行状态进行预测，并在此基础上进行最优控制决策，从而实现对电动机的高效、稳定运行。首先，MPC的核心在于建立精确的数学模型。在永磁牵引电动机控制中，通常采用线性或非线性模型来描述电动机的动态特性。这些模型包括电动机的电压、电流、转速、转矩等参数，以及它们之间的关系。通过精确的模型，MPC可以预测电动机在不同工况下的运行状态，为控制决策提供依据。其次，MPC通过预测电动机的未来状态，实现对电动机的实时控制。在MPC中，控制目标通常包括电动机的转速、转矩、电流等参数。通过预测这些参数的未来值，MPC可以计算出最优的控制策略，以实现控制目标。具体来说，MPC通过优化目标函数，在满足约束条件的前提下，寻找最优的控制输入，从而实现对电动机的精确控制。

2.4弱磁控制

弱磁控制是永磁牵引电动机控制技术中的一项重要技术，它通过调整电动机的励磁电流，实现对电动机磁场的控制，从而实现对电动机转速和转矩的调节。在弱磁控制中，电动机的励磁电流被降低到一定程度，使得电动机的磁场强度减弱，从而实现电动机的弱磁运行。弱磁控制的关键在于如何精确地控制励磁电流，以保证电动机在弱磁运行时仍能保持良好的性能。首先，需要建立精确的电动机数学模型，以便对电动机的磁场和电磁转矩进行准确计算。在此基础上，采用先进的控制算法，如PID控制、模糊控制、神经网络控制等，对励磁电流进行实时调整，使电动机在弱磁运行时保持稳定的转速和转矩。

2.5无位置传感器控制

无位置传感器控制技术是永磁牵引电动机控制领域的一项重要技术，它通过精确的算法和传感器技术，实现了对电动机的精确控制，从而提高了电动机的运行效率和可靠性。以下是关于无位置传感器控制技术的详细阐述。无位置传感器控制技术主要基于电动机的电磁转矩和转速之间的关系，通过检测电动机的电流、电压和转速等参数，利用先进的控制算法，实现对电动机的精确控制。这种控制方式具有以下特点：首先，无位置传感器控制技术具有高精度、高稳定性。由于无需安装位置传感器，避免了位置传感器安装、维护和故障等问题，从而提高了电动机的可靠性。同时，通过精确的算法，实现了对电动机的精确控制，使得电动机的运行更加稳定。其次，无位置传感器控制技术具有高效率。由于无需安装位置传感器，减少了电动机的体积和重量，降低了电动机的能耗。此外，通过精确的算法，实现了电动机的最佳运行状态，提高了电动机的运行效率。

结论

总之，永磁牵引电动机控制技术在轨道车辆领域具有广阔的应用前景。通过对该技术的深入研究，将为我国轨道交通事业的发展提供有力支持。

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