CN208530558U

CN208530558U - 一种重载机车牵引总量一致的控制装置

Info

Publication number: CN208530558U
Application number: CN201821133498.9U
Authority: CN
Inventors: ***; 聂睿; 张昌凡; 杨步充; 史来诚; 刘光伟
Original assignee: Hunan University of Technology
Current assignee: Hunan University of Technology
Priority date: 2018-07-16
Filing date: 2018-07-16
Publication date: 2019-02-22
Anticipated expiration: 2028-07-16

Abstract

本实用新型属于牵引力总量控制技术领域，公开了一种重载机车牵引总量一致的控制装置，包括：第一永磁同步牵引电机、第二永磁同步牵引电机、第三永磁同步牵引电机、第四永磁同步牵引电机、第一独立旋转车轮、第二独立旋转车轮、第三独立旋转车轮、第四独立旋转车轮、第一转矩传感器、第二转矩传感器、第三转矩传感器、第四转矩传感器、重构控制分配器、横摆控制器；加法器。本实用新型通过充分利用牵引电机动力冗余，进行动力再分配，以达到最优化利用机车所能产生的牵引力，在可调的有限时间内维持机车牵引力与电机发生故障前保持恒定。本实用新型能够提高机车牵引***的可靠性和机车行驶时的稳定性和安全性。

Description

一种重载机车牵引总量一致的控制装置

技术领域

本实用新型属于牵引力总量控制技术领域，尤其涉及一种重载机车牵引总量一致的控制装置。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：重载机车的安全性和可靠性备受关注，作为影响机车安全性最为关键部件之一的电机牵引***，由于其所处环境多变等各种复杂因素，存在很多潜在故障，例如：轨道环境由干燥向潮湿改变，机车粘着系数会发生改变，导致机车牵引力发生改变；机车在运行过程中会发生轴重转移，轴重减少最多的轮对最先发生空转，进而使机车牵引力损失。

一旦电机***出现故障，不可能在短时间内维修处理，可能会导致机车牵引不足，使机车不能正常运行，由此可能会造成很大的经济损失。

所以当电机牵引***中某一台电机出现故障时，如何重新分配牵引电机出力，使得在可调的有限时间内维持机车牵引力与电机发生故障前保持恒定，保证机车正常平稳运行的问题急需解决。

综上所述，现有技术存在的问题是：

当电机牵引***中某一台电机出现故障时，如何重新分配牵引电机出力，使得在可调的有限时间内维持机车牵引力与电机发生故障前保持恒定，保证机车正常平稳运行的问题急需解决。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种重载机车牵引总量一致的控制装置。

本实用新型是这样实现的，一种重载机车牵引总量一致的控制装置设置有：机车转向架，重构控制分配器、横摆控制器通过螺栓固定在机车转向架上，第一转矩传感器通过联轴器与第一永磁同步牵引电机连接，第二转矩传感器通过联轴器与第二永磁同步牵引电机连接，第三转矩传感器通过联轴器与第三永磁同步牵引电机连接，第四转矩传感器通过联轴器与第四永磁同步牵引电机连接，重构控制分配器分别通过数据线与第一转矩传感器、第二转矩传感器、第三转矩传感器、第四转矩传感器、横摆控制器连接；

通过重构控制分配器分别与第一转矩传感器、第二转矩传感器、第三转矩传感器、第四转矩传感器、横摆控制器连接，可以用于机车故障时对牵引力重新分配；通过第一转矩传感器、第二转矩传感器、第三转矩传感器、第四转矩传感器，可以实时获取各电机转矩信息；通过重构控制器实时解决牵引电机失效的突发情况，充分利用动力冗余，进行动力再分配，以达到最优化利用电机所能产生的牵引力，并在期望的时间内维持机车牵引力与故障前保持恒定，提高了牵引***的稳定性和可靠性。

进一步，横摆控制器通过螺栓固定在机车转向架重心位置，且通过数据线与第一转矩传感器、第二转矩传感器、第三转矩传感器、第四转矩传感器连接；

通过与转矩传感器相连，能够用于控制机车横摆。

进一步，加法器通过螺栓固定在机车转向架上，加法器分别通过数据线与第一转矩传感器、第二转矩传感器、第三转矩传感器、第四转矩传感器连接；

通过设置加法器，将转矩传感器测得的数据进行相加，保证总输出转矩不变。

进一步，第一永磁同步牵引电机、第二永磁同步牵引电机、第三永磁同步牵引电机分别通过轴箱与转向架连接，第一永磁同步牵引电机通过传动轴与第一独立旋转车轮连接，第二永磁同步牵引电机通过传动轴与第二独立旋转车轮连接，第三永磁同步牵引电机通过传动轴与第三独立旋转车轮连接，第四永磁同步牵引电机通过传动轴与第四独立旋转车轮连接。

通过采用多台永磁同步牵引电机控制车轮旋转，使各电机能够单独控制，减少故障时彼此间的干扰。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的重载机车牵引总量一致的控制装置结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的基于加权最小二乘控制分配的机车牵引力总量控制方法的控制框图；

图3是本实用新型实施例提供的机车起动到正常运行过程中，多电机***转矩变化图；

图4是本实用新型实施例提供的机车正常运行到进行故障重构过程中，多电机***转矩变化图；

图中：1、第一永磁同步牵引电机；2、第二永磁同步牵引电机；3、第三永磁同步牵引电机；4、第四永磁同步牵引电机；5、第一独立旋转车轮；6、第二独立旋转车轮；7、第三独立旋转车轮；8、第四独立旋转车轮；9、第一转矩传感器；10、第二转矩传感器；11、第三转矩传感器；12、第四转矩传感器；13、重构控制分配器；14、横摆控制器；15、加法器。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本实用新型的结构作详细的描述。

如图1所示，本实用新型实施例提供的重载机车牵引总量一致的控制装置包括：第一永磁同步牵引电机1、第二永磁同步牵引电机2、第三永磁同步牵引电机3、第四永磁同步牵引电机4、第一独立旋转车轮5、第二独立旋转车轮6、第三独立旋转车轮7、第四独立旋转车轮8、第一转矩传感器9、第二转矩传感器10、第三转矩传感器11、第四转矩传感器12、重构控制分配器13、横摆控制器14、加法器15。

重构控制分配器13、横摆控制器14通过螺栓固定在机车转向架上，第一转矩传感器9通过联轴器与第一永磁同步牵引电机1连接，第二转矩传感器10通过联轴器与第二永磁同步牵引电机2连接，第三转矩传感器11通过联轴器与第三永磁同步牵引电机3连接，第四转矩传感器12通过联轴器与第四永磁同步牵引电机4连接，重构控制分配器13通过数据线分别与第一转矩传感器9、第二转矩传感器10、第三转矩传感器11、第四转矩传感器12、横摆控制器14连接。

横摆控制器14通过螺栓固定在机车转向架重心位置，且通过数据线与第一转矩传感器9、第二转矩传感器10、第三转矩传感器11、第四转矩传感器12连接。

加法器15通过螺栓固定在机车转向架上，加法器15分别通过数据线与第一转矩传感器9、第二转矩传感器10、第三转矩传感器11、第四转矩传感器12连接。

第一永磁同步牵引电机1、第二永磁同步牵引电机2、第三永磁同步牵引电机3分别通过轴箱与机车转向架连接，第一永磁同步牵引电机1通过传动轴与第一独立旋转车轮5连接，第二永磁同步牵引电机2通过传动轴与第二独立旋转车轮6连接，第三永磁同步牵引电机3通过传动轴与第三独立旋转车轮7连接，第四永磁同步牵引电机4通过传动轴与第四独立旋转车轮8连接。

如图2所示，本实用新型实施例提供的基于加权最小二乘控制分配的机车牵引力总量控制方法，包括以下步骤：

步骤一，建立多电机***的数学模型；

式中：R_m为第m台电机定子电阻；u_rm＝u_dm+ju_qm，为定子电压空间矢量；ω_em为电角速度；i_rm＝i_dm+ji_qm，为定子电流空间矢量；ψ_rm＝ψ_dm+jψ_qm，为定子磁链空间矢量；ψ_fm为永磁体磁链；L_rm为定子电感；T_em为电磁转矩；p_0m为电机极对数。

假设永磁体磁链ψ_fm不变，则可以推出

步骤二，基于多电机***的数学模型构造Super-Twisting算法的滑模控制器，对多电机***的电磁转矩进行控制；

式中定义为转矩偏差，其中T_e ^*为实际值，T_e为测量值。

步骤三，所述的一般二阶Super-Twisting算法的表达式为：

对一般二阶Super-Twisting算法的稳定性证明如下：

令

故A是Hurwitz矩阵，对任意的正定对称矩阵Q，一定存在一个正定对称矩阵P，满足A^TP+PA＝-Q，考虑二次型函数V(x,y)＝ζ^TPζ作为备选Lyapunov函数，式中V(x,y)是连续正定函数，且径向无界。

其中V满足

由于可以得到

V^&≤-λ_min(Q)||ζ||₂

当时，V＝0，此时***能够收敛到原点。

步骤四，建立电机发生故障下的机车横摆模型；

式中：m为牵引机车质量，α为侧滑角，γ为横摆角速度，V为轮对速度，I_z为横摆转动惯量，t_r为机车轮对之间轴长，l_a、l_b分别为机车前后轮对与重心之间的距离，F_xi为发生侧滑时动车轮所受牵引力，F_yi为发生侧滑时产生的侧向力。

步骤五，基于机车横摆模型设计重构控制分配器，对电磁转矩进行重新分配；

当某台电机出现故障时，线性模型为x&＝Ax+B_uKu

K为执行器的效率矩阵，用来表示电机的有效水平，K＝diag{k₁,k₂,k₃,k₄}

对于第i台电机，k_i＝0表示电机完全失效，牵引力靠其它电机提供；0＜k_i＜1表示电机部分失效，该电机分配部分牵引力，少的部分靠其它电机弥补；k_i＝1表示电机正常运行，所有电机合理均分牵引力。只要K矩阵已知，即电机是否正常工作的状态已知，就可通过基于加权最小二乘控制分配算法解决多电机出现故障，如何对牵引力进行冗余分配问题。

基于加权最小二乘法控制分配算法如下：

min{μ||w_u(u-u_d)||²+(1-μ)||w_v(Bu-v)||²}

最终控制分配问题可以转变为

u＝(F_x1,F_x2,F_x3,F_x4)^T为各电机所需分配的牵引力，且u满足约束条件u_min＜u＜u_max，w_u,w_v分别为牵引力F_xi和横摆力矩M的加权矩阵。

其中

根据加权最小二乘控制分配方法可以得到各电机故障重构后的牵引力，然后通过牵引力与电磁转矩之间的换算关系得到各电机所需分配的转矩。使得总转矩与故障前总转矩保持一致。

下面结合实验对基于加权最小二乘控制分配的机车牵引力总量控制方法作详细的描述。

采用初始转矩给定1.5N.m作为电机参考转矩，本次仿真中p₀＝4，R_s1＝2.2Ω，L_s1＝8.8mH，ψ_f1＝0.174Wb，J₁＝0.0007，R_s1＝2.3Ω，L_s1＝8.5mH，ψ_f1＝0.176Wb，J₁＝0.0006，R_s1＝2.4Ω，L_s1＝8.7mH，ψ_f1＝0.175Wb，J₁＝0.0005，R_s1＝2.5Ω，L_s1＝8.6mH，ψ_f1＝0.173Wb，J₁＝0.0008。验证所设计的重构控制分配器在电机发生故障时的控制效果。

图3表明了电机从起动到正常运行，电机1,2,3,4的输出转矩均从0变化到1.5N.m，总输出转矩

图4表明当t＝0.8S时，电机1出现故障，输出转矩由1.5N.m变化到1.05N.m，这时重构控制器会根据加权最小二乘算法重新分配输出转矩，电机2,3,4的输出转矩会由1.5N.m变化到1.65N.m，以保证总输出转矩不变。

本实用新型的工作原理：四台永磁同步电机分别单独控制四个独立旋转车轮，转矩传感器实时获取各电机转矩信息，横摆控制器位于机车转向架重心位置，与转矩传感器相连，用于控制机车横摆，重构控制分配器分别与转矩传感器、横摆控制器相连，用于机车故障时对牵引力重新分配，加法器将转矩传感器测得的数据进行相加，保证总输出转矩不变。

当机车正常运行时，司机根据当前车速判断司控手柄该处档位，该档位所对应的总的转矩信息视为给定值，此时机车计算机处理***为了保证各电机均衡出力，故将给定值均分，然后通过机车总线传递每一台永磁同步电机，最后各电机再根据所接收到的转矩信息带动车轮旋转。传感器将测得的各电机实际输出转矩通过加法器求和，并与给定值比较，理论上两者数值一致。

一旦某电机发生故障，车轮会发生横摆，并向内外轨道挤压轮轨，影响行车安全，此时传感器会接收到变化的转矩信息，通过加法器之后，总的输出转矩也发生变化，此时重构控制器根据基于加权最小二乘法控制分配算法重构故障前的转矩信息，从而保证转矩恢复；同时横摆控制器动作，使机车横摆现象消失，最终总输出转矩不发生改变。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims

1.一种重载机车牵引总量一致的控制装置，其特征在于，所述的重载机车牵引总量一致的控制装置设置有：

机车转向架；

重构控制分配器、横摆控制器通过螺栓固定在机车转向架上，第一转矩传感器通过联轴器与第一永磁同步牵引电机连接，第二转矩传感器通过联轴器与第二永磁同步牵引电机连接，第三转矩传感器通过联轴器与第三永磁同步牵引电机连接，第四转矩传感器通过联轴器与第四永磁同步牵引电机连接，重构控制分配器分别通过数据线与第一转矩传感器、第二转矩传感器、第三转矩传感器、第四转矩传感器、横摆控制器连接。

2.如权利要求1所述的重载机车牵引总量一致的控制装置，其特征在于，横摆控制器通过螺栓固定在机车转向架重心位置，且通过数据线与第一转矩传感器、第二转矩传感器、第三转矩传感器、第四转矩传感器连接。

3.如权利要求1所述的重载机车牵引总量一致的控制装置，其特征在于，加法器通过螺栓固定在机车转向架上，加法器分别通过数据线与第一转矩传感器、第二转矩传感器、第三转矩传感器、第四转矩传感器连接。

4.如权利要求1所述的重载机车牵引总量一致的控制装置，其特征在于，第一永磁同步牵引电机、第二永磁同步牵引电机、第三永磁同步牵引电机分别通过轴箱与机车转向架连接，第一永磁同步牵引电机通过传动轴与第一独立旋转车轮连接，第二永磁同步牵引电机通过传动轴与第二独立旋转车轮连接，第三永磁同步牵引电机通过传动轴与第三独立旋转车轮连接，第四永磁同步牵引电机通过传动轴与第四独立旋转车轮连接。