（电气工程专业论文）无速度传感器电力机车直流斩波调速系统的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 煤矿是国家能源的重要组成部分。随着国民经济的快速发展，对煤矿资源的 需求量越来越大。自从国外引入电力机车以来，矿用电力机车一直是矿山最重要 的运输形式，而目前大部分矿用电力机车都是采用串电阻调速。该方法虽然比较 成熟，但是有大量的能源消耗在电阻上，造成能源的极大浪费，这与发展节能经 济相违背，所以电机车调速方式的改进是急需解决的问题。随着微机控制和电力 电子技术的快速发展，出现了一种先进的调速方式，即直流斩波调速。直流斩波 器应用于电力机车调速，节约了大量电能，且实现了电力机车无级连续速度调节， 平滑性好，牵引起动力大。 本文研究了一种适用于矿用电力机车传动的直流斩波调速系统。在转速、电 流双闭环控制系统中，传统的速度获取方法是加装测速发电机或光电编码器，这 些方法存在抗干扰能力不强、精度不够和增加系统成本等不足。直流电机无速度 传感器控制系统是目前较新的研究热点，本文提出了一种基于扩展卡尔曼滤波 ( e k f ) 算法的电力机车转速在线估计方法，该方法应用于直流电力机车有一定 的创新性，弥补了传统速度传感器的某些不足，具有较好的实用价值和应用前景。 对于转速的闭环控制，传统的控制方法是采用p i d 控制，本文将模糊控制理论应 用于转速控制，获得了较快的动态响应。 本文通过m a t l a b 建立了e k f 速度在线估计的仿真模型和转速、电流双闭 环仿真模型，仿真结果证明了本文所设计的系统具有较好的控制效果。在理论研 究的基础上，本文采用单片机a d “c 8 3 2 设计了一套直流电机车斩波调速系统， 完成了调速系统的软件设计，并完成了硬件电路的调试工作。 本文在实现直流调速系统的无速度传感器方面进行了有意义的尝试，并取得 了阶段性的研究成果。 关键词：电力机车；扩展卡尔曼滤波器；模糊控制；斩波器 硕士学位论文 a b s t r a c t t h em i n ei st h ei m p o r t a n tc o n s t i t u e n to ft h en a t i o n a le n e r g y a l o n gw i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y t h ed e m a n do fm i n ei sm o r ea n dm o r eb i g s i n c e t h ei n t r o d u c t i o no fe l e c t r i cl o c o m o t i v ef r o mo t h e rc o u n t r ) r ，t h em i n ee l e c t r i c l o c o m o t i v eh a sb e e nt h em o s ti m p o r t a n tt r a n s p o n a t i o nf b r i i lo ft h em i n e n o w ， h o w e v e r ，t h em o s to fe l e c t r i cl o c o m o t i v ea r eu s et h es t r i n gr e s i s t a n c e f o rs p e e d m o d u l a t i o n a l t h o u g ht h i sm e t h o di sq u i t em a t u r e ，m a s s i v ee n e 玛yw a s w a s t e di nt h e r e s i s t a n c e ，t h i sv i o l a t e sw i t ht h ec o n s e r v a t i o no fe n e r g y ，t h e r e f o r et h ei m p r o v e m e n to f t h e s p e e d m o d u l a t i o nm e t h o di s u r g e n t l y a st h ef a s t d e v e l o p m e n t o ft h e m i c r o c o m p u t e r c o n t r o l l e ra n dt h ee l e c t r o n i c t e c h n o l o g y ， a na d v a n c e ds p e e d m o d u l a t i o na p p e a r e d ，t h a ti sd cc h o p p e r t h ed cc h o p p e rs a v e sm a s s i v ee n e r g y ，a l s o e a l i z e ds t e p l e s ss p e e dr e g u l a t i o na n dh a sb i gs t a n i n gp o w e r t h i sp 印e rs t u d i e dad cc h o p p e rs y s t e mt h a ts u i t a b l ef o re l e c t r i cl o c o m o t i v eo f m i n e i nt h ed o u l b l e - c l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mo fs p e e da n dc u r r e n t ，t h et r a d i t i o n a l s p e e dg a i nm e t h o di st oi n s t a l lt h es p e e d - v o l t a g eg e n e r a t o ro rt h eo p t i c a le n c o d e r t h i s m e t h o d sh a sd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha st h ea l l t i j a m m i n gi sn o ts t r o n g ，t h ep r e c i s i o ni s i n s u f h c i e n ta n di n c r e a s et h ec o s te t c t h es p e e ds e n s o r l e s sc o i l t r o ls y s t e mo fd c m o t o ri sn o wt h er e s e a r c hh o ts p o r t i nt h ep a p e r ，a no n l i n es p e e de s t i m a t i o no f e l e c t r i cl o c o m o t i v ew a sp r o p o s e dw h i c hi sb a s e do nt h ee x t e n dk a l m a nf i l t e r ( e k f ) a l g o r i t h m t h et e c h n o l o g ya p p l i e di nt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v eh a sc e r r t a i ni n n o v a t i o n ， a n dh a sg o o dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o n r e g a r d i n gt h ec l o s e d - l o o pc o n t r o lo fs p e e d ，t h e t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o di sp i dc o n t r o l ，t h ef u z z yc o n t r o lw a sa p p l i e di nt h i sp a p e r a n do b t a i n e dq u i c kd y n a m i cr e s p o n s e 一 t h ee k fs i m u l a t i o nm o d e l 觚dd o u b l e - c l o s e dl o o ps i m u l a t i o nm o d e lh a s b e e n e s t a b l i s h e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h es y s t e md e s i g n e di nt h e p a p e rh a sg o o dc o n t r o lp e r f b m a n c e a l s o ， ad cc h o p p e rw a sd e s i g n e di nt h e p a p e r ，a n dh a v ec o m p l e t e dt h eh a r d w a r e 强ds o f t w a r ed e s i g n i nt h ep a p e f ，as i g n i f i c a n ta t t e m p th a sb e e nc a r r i e do u ti nt h es e n s o r l e s ss p e e d r e g u l a t i o no f d cm o t o r ，a n dh a so b t a i n e dg r a d u a lr e s e a r c hr e s u l t s k e y w o r d s ： e l e c t r i cl o c o m o t i v e ；e x t e n dk a l m a nf i l t e r ；f u z z yc o n t r o l ；c h o p p e r 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 衔，苏乏 日期：溯年广月绊日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：加僻，月f 斗日 日期：盼年f 月f 乒日uj， i ， 籼砒 炼冬小 硕士学位论文 1 1 电力机车的发展概况 第1 章绪论 电力机车是由牵引电动机驱动车轮而推动机车前进的。它所需的电能由供电 系统的接触网或第三轨供电。电力机车由机械部分、电气部分和空气管路系统三 部分组成。机械部分包括走行机构和车体，是电力机车的基础。电气部分包括各 种电气设备和连接导线，是电力机车的心脏。空气管路系统是负责供应机车所需 压缩空气的设备l l j 。 电力机车工作原理是【1 】：机车受电弓在接触网下滑动，取得电能，引入机车， 并经过变换后驱动牵引电动机。电动机的转轴同车轴上的齿轮咬在一起，便带动 车轮转动，从而使机车沿着钢轨向前运动。传入机车的电流再经过轨道返回，形 成一个完整的输电回路。 电力机车按所用电流不同分为直流电力机车和交流电力机车两种，其中直流 电力机车又可以分为直直流电力机车和交直流电力机车。分别介绍如下： ( 1 ) 直直流电力机车：采用直流制供电，牵引变电所内设有整流装置，整流 装置将三相交流电变成直流电后，再送到接触网上。因此，电力机车可直接从接 触网上取得直流电供给直流牵引电机使用，简化了机车上的设备。直流制的缺点 是接触网的电压低，一般为2 5 0 v 、5 5 0 v 、7 5 0 v 、1 5 0 0 v 等，接触导线要求很粗， 要消耗大量的有色金属，加大了建设投资。 ( 2 ) 交直流电力机车：采用交流制供电，在交流制中，世界上大多数国家都 采用工频( 5 0 赫兹) 交流制，或2 5 h z 低频交流制。在这种供电制下，牵引变电 所需将三相交流电改变成2 5 k v 工频单相交流电后送到接触网上。由于电力机车 上使用的仍然是直流牵引电机，因此单相交流电变成直流电的工作需要在电力机 车上完成。由于接触网电压比直流制时提高了很多，接触导线的直径相对减小， 减少了有色金属的消耗和建设投资。工频交流制在我国得到了广泛采用，因此大 多数电力机车也都是交直流电力机车。 ( 3 ) 交直交流电力机车：交直交流电力机车从接触网上引入单相交流电 后，先把单相交流电整流成为直流电，然后再把直流电逆变为三相交流电供牵引 电机使用。 最早的电力机车是由苏格兰人戴维森于1 8 4 2 年制造的，用4 0 组电池供电的 重5 吨的标准轨距电力机车。但技术不过关，机车只能勉强工作。1 8 7 9 年，德国 人西门子首次成功地试验并制造了电力机车，才标志着电力机车的诞生【2 】。1 8 8 1 无速度传感器电力机车直流斩波调速系统的研究 年，法国巴黎展出了第一条由架空导线供电的电车线路，这就为提高电压，采用 大功率牵引电动机创造了条件。1 8 9 5 年，美国在巴尔的摩一俄亥俄间5 6 k m 长的 隧道区段修建了直流电气化铁路。1 9 0 3 年德国的三相交流电力机车创造了每小时 2 1 0 k m 的高速记录。 中国最早使用电力机车在1 9 1 4 年，是抚顺煤矿使用的1 5 0 0 v 直流电力机车。 1 9 5 8 年中国成功地生产出第一台电力机车，从采用引燃管整流器到硅整流器，机 车性能不断改进和提高，到1 9 7 6 年制成韶山l 型( s s l 型) 时已基本定型。截止 到1 9 8 9 年停止生产，s s l 型电力机车总共制造了9 2 6 台，成为中国电气化铁路干 线的首批主型机车。1 9 6 6 年s s 2 型机车制成，1 9 7 8 年研制成功的s s 3 型机车， 不仅改善了牵引性能，还把机车的小时功率从4 2 0 0 k w 提高到4 8 0 0 k w ，截止到 1 9 9 7 年底，共生产了9 8 7 台，成为中国第二种主型电力机车。1 9 8 5 年又研制成功 了s s 4 型8 轴货运电力机车，它是国产电力机车中功率最大的一种( 6 4 0 0 k w ) ， 已成为中国重载货运的主型机车。以后又陆续研制成功了s s 5 、s s 6 和s s 7 型电 力机车。1 9 9 4 年研制成功了时速为1 6 0 k m 的准高速四轴电力机车等。至此，中 国干线电力机车已基本形成了4 ，6 ，8 轴和3 2 0 0 k w 、4 8 0 0 k w 和6 4 0 0 k w 功率系 列。1 9 9 9 年5 月2 6 日，中国株洲电力机车厂生产出第一台时速超过2 0 0 k m 的d d 儿 型“子弹头”电力机车，标志着中国铁路电力牵引已跻身于国际高速列车的行列。 为追踪世界新型“交直交”电力机车新技术，从2 0 世纪7 0 年代末开始，中国铁 路一直在进行中小功率变流机组的地面试验研究和大功率的交直交电力机车的 研制，也已取得了阶段性成果【3 j 。 2 0 世纪3 0 年代，在中国东北的煤矿和部分工厂里已开始使用电力机车【4 j 【引， 这些机车大部分都是从日本引进的。窄轨电机车是矿山井下运送物料与人员的重 要运输工具。按其供电方式可分为蓄电池式和架线式两种形式。蓄电池式电机车， 通常用于瓦斯矿井和未铺设架空线的巷道，维护费用相对较高。架线式电机车由 巷道中架空线供电，牵引力大，维护方便，特别适用于长距离运输牵引【6 j 。1 9 5 8 年底，湘潭电机厂在株州电力机车工厂等厂所协助下，试制出了中国第一台以引 燃管整流的韶山型电力机车，即6 y l 型干线电力机车。6 y 1 小时功率3 9 0 0 k w ， 最高速度1 0 0 1 【i n h ，6 轴【7 】。1 9 6 1 年，中国第一条电气化铁路宝鸡到风州线建成， 由于6 y l 型机车性能不过关，我国从法国阿尔斯通公司进口了部分6 y 2 型电力机 车，其功率4 7 4 0 k w ，最高速度1 0 1 k m h ，6 轴。 纵观国内外的电机车速度控制方式，主要有三种，分别是传统的串电阻调速、 直流斩波调速和交流变频调速。矿用电力机车是电力机车的一种。有轨运输一直 是矿山最重要的运输形式，而矿用电机车是矿山运输能力最大、经济效益最显著 的有轨运输工具，在矿山运输中占有绝对优势【引。从1 8 8 2 年德国西门子公司研制 出世界上第一台4 5 k w 矿用架线式电机车以来，迄今整整有1 2 0 多年的历史了p j 。 2 硕士学位论文 2 0 世纪3 0 年代开始以来，我国从欧美国家引入了有轨运输方式。一直以来我国 的矿用电机车主要采用串电阻调速方式，这种调速方式的特点是操作、维修都比 较简单，而且适应性也比较强，但调速不平滑，对电机车的齿轮和直流电动机有 较大的冲击，而且这种调速方式的最大弱点是有大量的电能消耗在电阻发热上 【l 叭。随着半导体工业的发展和直流调速理论的更新，将直流斩波调速推向了实用 阶段。直流斩波调速在欧洲于6 0 年代末试制成产品，日本9 0 年代初也开发出以 大功率晶体管g t r 为功率开关的斩波调速器。我国于9 0 年代初采用i g b t 功率 模块作斩波开关，使用p w m 控制方法，试制成功了电机车直流斩波调速器【l l 】。 通过实际监测，直流斩波调速与串电阻调速的同类电机车相比，节能达2 0 以上， 不仅调速平滑，而且电机车的爬坡能力也大大提高【1 2 】。 我国采用的电力机车主要由我国自产的韶山1 8 型电力机车以及一些从国 外引进的机车。国产机车早期的韶山系列整流装置简单，但调速能力不足。现在 我国主要用的是韶山3 型以后的电力机车，其整流电路一般是由晶闸管和电力二 极管组成的多段桥式相控整流电路【1 3 】。目前我国矿用架线式电力机车的架线电压 一般为2 5 0 v 、5 5 0 v 、7 5 0 v 等；矿用机车有3 吨、7 吨、1 0 吨、1 4 吨、1 8 吨o ， 2 0 吨等，轨距有6 0 0 m m 、9 0 0 m m 等。调速方式以电阻调速为主，部分采用了斩 波调速。 总之，我国电力机车发展自5 0 年代末研制成功第一台干线电力机车以来，已 经走过了多年的发展历程。多年以来，中国电力机车从无到有，从客货两用到货 用重载、客运高速的分离，从直流传动到交流传动，从电力机车到电动车组，从 满足国内市场需求到进入国际市场，实现了重大跨越，电力机车已经成为中国运 输行业的重要力量【l 引。 1 2 电力机车用电力电子器件的发展 电力机车的发展与电力电子的发展紧密相关【1 5 】。近5 0 年来，国内外电力机 车都有飞速的发展，其中电力电子技术的应用带来的机车性能提高是其重要内容。 我国最早应用功率电子器件制造的电力机车是交直引燃管电力机车，其脉流牵引 电动机由高压侧或低压侧的组合调压开关调压，经引燃管整流后供电，机车调速 是由有触点的组合开关完成。在6 0 年代中期，以半导体功率整流二极管代替机车 上的引燃管是技术上的一次进步，这时，电力电子技术在电力机车主传动系统中 开始应用，这类机车仍属于有触点有级调压范畴。自1 9 5 7 年晶闸管问世，标志着 电力电子技术的诞生，以晶闸管代替功率二极管后，电力机车进入了无级调压领 域，无级调压技术使机车牵引控制性能得到了显著改进，但是通过门极只能控制 其开通而不能控制其关断，属于半控型器件，此类器件立足于分立元件结构，开 通损耗大，工作频率难以提高，般情况下难于高于4 0 0 h z ，因而大大地限制了 3 无速度传感器电力机车直流斩波调速系统的研究 其应用范围。到了7 0 年代末，可关断晶闸管( g t o ) 器件日趋成熟，标志着电力电 子器件已经从半控型器件发展到全控制型器件。进入8 0 年代以后，伴随着g t o 器件的发展及成熟，m o s 器件的开发则繁花似锦。绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 独占 鳌头。至此电力电子器件又从电流控制型器件发展到电压控制型器件。9 0 年代， 电力电子器件又在向智能化、模块化方向发展，力求将电力器件与驱动电路、保 护电路、检测电路等集成在一个芯片或模块内，使装置更趋小型化、智能化，其 典型器件是i p m 。而i g c t 器件既具有i g b t 器件的开关特性，同时又具有g t o 器件的导通特性，且制造成本较低( 与g t o 和i g b t 相比) ，预计今后会在更多的 工业和牵引领域中发挥作用。 8 0 年代以前，在机车牵引领域，电力电子器件主要用于直流传动系统中的整 流器和斩波器以及辅助传动系统，电力电子器件主要是晶闸管。进入8 0 年代以后， 随着机车技术的发展，交流传动技术日趋成熟，电力电子器件又有了新的用武之 地，其在牵引领域的应用主要包括：整流器、斩波器、电力制动、逆变器以及辅 助传动系统。这一时期在这些应用领域采用的电力电子器件主要是晶闸管和 g t o 。进入9 0 年代以后，交流传动在电力机车、内燃机车及动车上得以大量地 推广应用，使电力电子器件在机车牵引领域中有了更广阔的应用前景。这一时期 在牵引领域中主要采用的是g t o 和i g b t 。目前，对大功率的电力机车而言，g t o 仍占据主导地位，如法国的t g v 、德国的i c e 高速列车等。伴随着电力电子和功 率电力电子器件技术的发展和应用，我国经历了从第l 代s s l 型电力机车的低压 侧调压开关调幅式的有级调压调速技术，到第2 代的s s 3 型电力机车调压开关分 级与级间晶闸管相控平滑调压相结合的调压调速技术，再到第3 代的s s 4 s s 9 型电力机车的多段桥晶闸管相控无级平滑调压调速技术，直到全新一代的“和谐 型交流传动机车的跨越式发展历程。总之，电力电子器件的发展经历了从半控到 全控、从电流控制型到电压控制型、从单个元件到模块化再到智能化的发展过程， 电力电子器件构成的变流技术已成为电力机车的主要特征。电力电子器件的发展 带动电力机车传动技术的发展，电力机车的发展同样也极大的促进了电力电子器 件的快速发展，两者相互促进。 1 3 电力机车传动控制技术的发展 电力机车传动控制装置是电力机车上的核心设备之一，是衡量电力机车性能 的重要指标。它涉及电力电子技术、微型计算机控制技术、网络通信技术、信号 采集与处理理论、轮轨间粘着理论和智能控制理论等多方面的知识，充分体现了 各学科领域知识的相互交叉和渗透。近2 0 年来，随着微电子技术和计算机应用技 术的迅猛发展，国际上从事电力机车制造业的各大公司纷纷加大对电力机车控制 技术的投入【1 6 j 。 4 硕士学位论文 我国电力机车传动控制技术的发展可追溯到2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初。 作为机车“大脑 和“神经中枢 的传动控制技术，我国在这一领域较其他发达 国家晚。通过走独立自主研究开发和引进国外先进技术相结合的技术路线，我国 电力机车传动控制系统从由以“运算放大器一为主的分立元件构成的第一代模拟 控制系统，发展到以大规模数字、模拟集成电路混合应用第二代数模混合控制系 统，再发展到以计算机技术为主体的第三代微机控制系统，目前已发展到先进的 网络控制系统【l6 1 。 目前我国正在批量生产的电力机车控制系统主要有：模拟电子控制系统及换 代的s m t 模拟电子控制系统；交直传动机车微机控制系统( 引进m i c a s s 系统) ； 交流传动机车微机控制系统( 引进m i c a s s 2 系统) ；列车网络控制系统( 引进 e k et c n 系统) 。其中，模拟电子控制系统以s s 3 、s s 4 改、s s 6 b 和s s 7 c 等为 代表，微机控制系统以s s 4 b 、s s 8 、s s 9 、s s 7 d 、s s 7 e 等为代表。网络控制系统 以近年来新开发的交流传动机车和动车组为代表，如“先锋 、“奥星 、“中 原之星一、。中华之星”等。此外，网络控制系统的应用也不断地向交直流传动 领域渗透，比如目前已经推广到s s 3 、s s 7 e 等机车中。 我国电力机车第一代模拟控制系统和第二代数模混合控制系统与现代电力电 子技术相比，设计上存在一定的不足，具体反映在【1 6 1 ： ( 1 ) 电路主要由电阻、电容、二极管、三极管、第一代运放( f c 3 c 、f 0 0 7 等) 和数字i c 构成。电路板密度低，可靠性差； ( 2 ) 控制功能简单，无特性控制、重联、功率因数补偿等功能； ( 3 ) 控制精度低，系统抗干扰能力差。 我国电力机车的微机传动控制技术于1 9 8 7 年开始起步，并于1 9 9 1 年底首次 在s s 4 型电力机车上装车成功进行考核，1 9 9 3 年底通过部级技术审查，1 9 9 6 年 底通过部级鉴定，1 9 9 7 年开始批量生产，并推广到各型新研制的交直传动电力机 车上，微机控制技术成为我国第三代电力机车控制技术的核心【1 6 】。微机控制的电 力机车从一开始就显示了它的优越性和强大生命力。它具有通用性、灵活性、重 现性、可靠性和智能性等特点1 1 7 】。 第三代电力机车微机控制技术的特点是沿用了第二代控制系统的柜、插件箱， 增加了司机室诊断显示功能。在系统上采用人机对话级、特性控制级和变流器控 制级三级分层结构。其主要特点可以概括为： ( 1 ) 硬件标准化、通用化程度比较高，不同的特性、参数和控制功能在软件 上区别，硬件可以做到通用，所以系统的灵活性高； ( 2 ) 装置的可靠性提高； ( 3 ) 微机系统智能化程度高，其故障诊断、显示功能便于确认系统状态以及 便于查找分析故障原因； 无速度传感器电力机车直流斩波调速系统的研究 ( 4 ) 便于功能的扩展和升级，如与其他部件或系统( 如p l c 、制动单元、速 度分级控制系统、辅助变流器等) 通过串行通信方式建立联系和交换信息。 随着微电子技术的迅猛发展，高性能微处理器、微控制器发展迅速。如高性 能单片机和近年来出现的高速d s p ，以其高性能、高可靠性向世人展示了其广阔 的应用前景。这些微处理器芯片不仅处理速度快，而且芯片内部资源非常丰富， 在一个芯片上可以完成过去需要一块甚至更多电路插件板所实现的功能。与此同 时，基于微处理器的软件设计也因微处理器运行速度的提高、片内f l a s h 及r a m 容量增加发生了革命性的变化。由以往基于汇编语言的单线程、大循环程序结构， 发展成为采用高级语言( 如c 语言等) 编写的多任务实时系统，系统的软件设计 也变得更加灵活、稳定、可靠和便于维护。 高速微处理器在电力机车控制系统中的应用，为复杂的高级智能控制算法的 实现奠定了基础，作为当代高速机车发展的三大高科技标志之一的电力机车微型 计算机控制技术将大放异彩【”】。电力机车控制技术也将由此引发又一场新的变 革。新一代的电力机车传动控制系统将朝着智能化、网络化方向发展，系统的可 靠性、实用性和安全性更好，故障自诊断、显示、报警、存储等功能更加完善。 1 4 无速度传感器电力机车直流调速系统的发展 在直流电力机车双闭环调速系统中，速度的测量是必需的，传统获取速度的 方法是直接在系统中加上速度传感器，如测速发电机、光电编码器等。然而由于 速度传感器的使用而致使调速系统存在以下一些问题：增加了电动机的电气连接 数量；速度传感器通常依赖电子线路工作，其抗电磁干扰能力差，对速度的测量 精度有一定的影响；速度传感器的安装受到机械加工条件等的影响，降低了整个 系统的可靠性：速度传感器价格普遍较贵，增加了调速系统的成本等。以上要求 及原因迫使人们去研究基于无速度传感器的直流调速控制系统。为此，各国学者 用了不少方法来估计转子转速。归纳一下，估计转子速度的方法主要有：模型参 考自适应法；人工神经元网络法【1 9 】；在电机端注入某一频率的电压，通过信号分 析估计速度；扩展卡尔曼滤波器法等。目前，采用无速度传感器对直流电机速度 进行估计是研究热点，本文采用扩展卡尔曼滤波器对直流电力机车转速进行估计 具有较大的实用价值。 1 5 本文研究目的和主要内容 当前，我国的经济正处于高速发展时期，对煤矿等能源的需求也越来越大。 矿用电机车是矿山运输能力最大、经济效益最显著的有轨运输工具，在矿山运输 中占有绝对优势，而我国矿用电力机车大多都采用串电阻调速，这种方法要耗费 6 硕士学位论文 大量能量在电阻上。我国是一个能源短缺的人口大国，在世界能源紧张、能源费 用高涨的背景下，对矿用电机车调速方式的改进是非常必要的，对我国国民经济 的可持续发展具有重大意义。 本文在理论分析的基础上，对所研究的对象进行了可行性分析和软件仿真。 完成了软硬件的开发工作，提出了自己的软硬件开发计划并加以实现。本文主要 内容如下： 第一章介绍了国内外电力机车的发展现状，包括电力机车的概念和分类，电 力机车调速技术的发展，电力电子器件的发展，电力电子传动控制技术的发展， 特别阐述了国内电力机车的发展历史。 第二章主要介绍了电力机车斩波调速双闭环控制原理，对矿用电力机车所用 电动机一串励直流电动机的特性和调速方式进行了分析，建立了串励电动机的数 学模型，介绍了直流斩波基本原理，并对双闭环的电流环和转速环进行了设计。 第三章介绍了扩展卡尔曼滤波算法及其在电力机车转速估计中的应用。 第四章主要介绍了动态仿真工具m a a t l a b s i m u l i n k ，建立了电力机车 斩波调速系统的仿真模型，并对仿真结果进行了分析。 第五章主要介绍了基于a d 肛c 8 3 2 单片机的电力机车斩波调速系统的实现， 主要包括主电路设计、控制电路的硬件设计( 包括各种检测电路、保护电路、i g b t 驱动电路等) 和控制系统的软件设计。 最后是结论与展望，对部分实验结果进行了总结以及对未来机车的发展进行 了展望。 7 无速度传感器电力机车直流斩波调速系统的研究 第2 章电力机车斩波调速系统的工作原理 电机按励磁方式来分，可分为串励电机、并励电机、复励电机以及他励电机。 所谓串励，是指电机的励磁线圈和电枢绕组串联在一起；并励，是指励磁线圈和 电枢绕组并联在一起；复励，是指励磁线圈的一部分和电枢绕组串联，一部分和 电枢绕组并联；他励，指励磁线圈和电枢绕组分别由不同的电路单独供电。 由于串励直流电动机起动性能好、调速范围宽、过载能力强、功率利用充分 以及调速简单等优点，所以除了原瑞典a s e a 公司在7 0 年代为美国科罗拉多州 h e n d e r s o n 钥矿提供的2 4 辆l g t 4 5 型机车采用他励牵引电动机外，三十年来， 其他窄轨工矿电机车基本上是采用串励直流牵引电动机【2 们。本文的研究对象为窄 轨工矿电机车，牵引电机正是采用起力矩大适用于机车牵引用的串励直流电动机。 2 1 电力机车传动串励电机 2 1 1 串励电机的特性 1 串励直流电动机的静态特性 串励直流电动机的电原理图如下图2 1 所示。 + u 图2 j 1 串励电机的电原理图 串励直流电动机的静态描述方程如下： u = e 。+ i 。( r 。+ r f ) e 。= c 。n m = c 血i 。 c 。= 蒜k f i a c m = 祟k f i 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 硕士学位论文 其中，u 为电机外加电压，i 。为电枢电流，e 。为电枢反电势，n 为电机转速， m 为电机输出转矩，c 。为电机反电势系数，c m 为电机电磁转矩系数，r 。为电机 电枢电阻，r f 为电机励磁绕组电阻，p 为电机极对数，n 为每磁极线圈匝数，a 为磁偏角，k f 为电流系数。 将式( 2 2 ) 代入( 2 1 ) 得： n ：黑u 一塑凳坠 ( 2 6 ) 舭f i 。p n k f 、7 m = 芒k f i a 2 ( 2 7 ) 由式( 2 6 ) 可以看出，在外加电压u 不变的前提下，转速n 与电枢电流i 。呈移 轴反比的关系。因为电流与负载大小呈同向变化关系，故由n 与i 。的关系可以看 出，随着负载的加大，转速将迅速降低。由式( 2 7 ) 可以看出，电机转矩m 正比于 电枢电流i 。的平方，即随着电流的增加，转矩将呈平方倍增加。这一特性非常有 用，它使得串励电机在同样起动电流的情况下，起动转矩比其他类型的电机大很 多，且过载能力也较其他类型电机大了许多，因而被广泛的应用于电机车、起重 机、挖掘机、叉车等起重运输工程机械上。 2 串励直流电动机的动态特性 下： + u 图2 2 串励直流电动机的动态电原理图 串励直流电动机的动态原理图如图2 2 所示，其电势方程和转矩平衡方程如 u ( t ) - ( r ，+ r a ) i l ( t ) + ( l f + l 。) 掣+ c e ( t ) n ( t ) m ( t ) - m c ( t ) = 案警+ f m n ( t ) c 心) = 蒜k f i a ( t ) c m ( t ) = 芸k f i | ( t ) m ( t ) = c m ( t ) i 。( t ) 9 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 11 ) ( 2 1 2 ) 无速度传感器电力机车直流斩波调速系统的研究 其中，l 。电枢绕组电感，g d 2 为电机的飞轮矩，m 。( t ) 为电阻的负载转矩函数， f m 为阻尼系数。 由式( 2 8 ) 至式( 2 1 2 ) 可以看出，该方程组为非线性方程组，因而无法用经典的 控制理论对其进行校正。注意到该方程组的非线性是由反电势系数c 。和电磁转矩 系数c m 为电枢电流i 。的函数造成的，如把c 。和c m 视为常量，则上述非线性方 程组将退化为线性方程组： u ( t ) = ( r ，+ r a ) i 。+ ( l ，+ l 4 ) 坐+ c 。n ( t ) ( 2 1 3 ) m ( t ) 也( t ) = 署警+ f m n ( t ) ( 2 1 4 ) m ( t ) = c m i 。( t ) ( 2 1 5 ) c 。= c l ( 2 1 6 ) c m = c 2 ( 2 1 7 ) 其中，c l 和c 2 为常数。 如果在某一采样间隔t 内对电机电枢电流进行采样，并认为在该采样间隔 内电流近似不变，则在每个采样间隔内，c 。和c m 为常数，即满足线性方程组 ( 2 1 3 ) ( 2 1 7 ) ，从而可以用经典的控制理论对其进行控制。 3 。串励直流电动机的机械特性 串励直流电动机的电路图如图2 3 所示，其励磁绕组与电枢串联。因此，励 磁电流就是电枢电流，即： i a = i f ( 2 1 8 ) 一 u+ 图2 3 串励直流电动机的电路图 当磁路不饱和时，主磁通与励磁电流成正比，即： = k f i f = k f i & ( 2 1 9 ) 式中，k f 是比例常数。 由于电机负载时电枢电流i a 是变化的，所以磁通m 随着不同的负载变化而变 化。考虑上式的关系，电机转速可写成： n ：竺掣= 阜一乓 ( 2 2 0 ) 庐芾= 石一i 心2 町 其中，c 。= c 。k ，；r = r a + r 一，而r f 为串励绕组电阻。 l o 硕士学位论文 电机的电磁转矩为： 肘= g 吡= c m 墨，：= c me ( 2 2 1 ) 式中，c m = c 。k ， 把式( 2 2 1 ) 代入( 2 2 0 ) 得： n 一导。等一寺 亿2 2 ， 式( 2 2 2 ) 为磁路未饱和时串励直流电动机的机械特性方程。 ( 1 ) 串励直流电动机的固有机械特性 当u = u n ，= 0 且i f = i a 时的n = f ( m ) 为串励直流电动机的固有机械特性， 其特性曲线如图2 4 所示。其特点是：n = f ( m ) 特性曲线是一条非线性的软特性。 空载时，i 矗接近于零，其理想空载转速n o 高达5 6 n n ，这会造成电动机的损坏， 因此串励直流电动机不允许空载运行；也不允许用皮带传动，以免皮带断裂造成 飞车。由于m 正比于i a 的平方，所以其起动转矩大且过载能力强。 o漆一 o m a ) 电枢回路串电阻人为机械特性曲线b ) 降低电枢电压人为机械特性曲线。 图2 4 串励直流电动机的固有机械特性曲线和人为机械特性曲线 ( 2 ) 串励直流电动机的人为机械特性 ( a ) 电枢串电阻 串励直流电动机电枢回路串电阻的人为机械特性曲线见图2 4 ( a ) ，r c 越大其 特性越软。当机车运行轨道坡度较大，且机车重力大于牵引力时，机车会出现打 滑或反转的现象，此时转速就为负值，但是在实际应用中很少出现该工况。 ( b ) 降低电枢电压 串励直流电动机降低电枢电压的人为机械特性曲线为低于固有机械特性曲线 且与之平行的曲线，见图2 4 ( b ) 。 无速度传感器电力机车直流斩波调速系统的研究 2 1 2 串励电机的调速方式 负载不变的情况下，通过人工的方法改变电动机转速称为速度调节，简称调 速。 在稳态情况下，串励直流电动机的转速公式： 刀：芝罂 ( 2 2 3 ) c 。 、 其中r 是电枢回路总电阻，i 。是电枢电流，咖是磁通量。 可见，直流串励电机的调速方案主要有下列三种： 1 改变电枢回路中的总电阻y 尺 从公式( 2 2 3 ) 可以看出，在电压为一定值时，总电阻值越大，电机的转速就越 小，这样，通过调节与电枢串联的电阻值的大小便可以调节电机的转速。但是电 枢回路中的总电阻越大，电机特性曲线的斜率就越大，机械特性越软。且此方案 由于能量损耗大，调速范围窄，不能实现平滑无级调速，仅应用于某些要求较低 的场合。 2 减小电机的励磁磁通函 电机在额定工况下运行时，铁芯已经接近饱和。所以，要想调速，只有减小 电机的励磁磁通。从而使此方案的调速范围和应用范围都变得很窄。 3 改变电机电枢的端电压u 该方案可以在低于额定转速的范围内使电机平滑调速，而且，在整个调速范 围内电机的机械特性硬度不变。该方案也是目前最常用的直流电机的调速方案。 2 1 3 串励电机数学模型的建立 在式( 2 1 3 ) ( 2 1 7 ) 所示的方程组中若忽略粘滞摩擦系数f m ，且把m 。( t ) 视 为系统的扰动而暂不考虑，令： r f + r 。= r l f + 厶= 厶罢= j 对方程组( 2 1 3 ) 一( 2 1 5 ) 两端取拉氏变换得： u ( s ) = r i ( s ) + l s i ( s ) + c 。n ( s ) m ( s ) = j s n ( s ) m ( s ) = c m i ( s ) 式( 2 2 5 ) 和式( 2 2 6 ) 联立得： i ( s ) = 竽n ( s ) o m 将式( 2 2 7 ) 代入式( 2 2 4 ) 得： 1 2 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 硕士学位论文 u ( s ) = r i ( s ) + l s i ( s ) + c 。- n ( s ) = ( r + l s ) 竽n ( s ) + c 。n ( s ) = 7 ( l j s 2 + j r s + c 。c m ) n ( s ) 由上式可以得出电压u 到电机转速之间的传递函数为： g ( s ) = 器= 万雨 式( 2 2 9 ) 即为串励直流电动机的数学模型。 2 2 电力机车直流电机斩波调速基本原理 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 斩波器一词来源于英文的“c h o p 一。p w m ( 脉宽调制) 变换器又称直流斩波 器，是利用功率开关器件实现通断控制，通过通、断时间的变化来改变负载上的 直流电压平均值，将固定的直流电源变成平均值可调的直流电压，亦称d c d c 变换器。其具有调速性能好、效率高、体积小、重量轻等优点，随着电力电子技 术的进步和功率半导体器件的发展，得到越来越广泛的应用。斩波器主要用于传 动领域的直流变换。直流斩波调速具有以下几个特点： ( 1 ) 用直流斩波器代替变阻器调速可节约大量能源； ( 2 ) 直流斩波不仅能起到调压的作用，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电 流的作用【2 1 1 ； ( 3 ) 采用全控型器件的p w m 直流调速系统，其脉宽调制电路开关频率高， 系统频带宽，响应速度快，动态抗干扰能力强； ( 4 ) 由于开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用就能获得脉动很小的 直流电流，电机的低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，同时电机的损耗和发 热都比较小； ( 5 ) p w m 直流调速系统中功率开关器件损耗小，系统效率高【2 2 】； ( 6 ) 功率电路所需要的器件少，线路简单，控制方便。 斩波器实质上就是一个弱电控制强电的装置。直流斩波器主要有降压斩波器 和升压斩波器，其它的任何拓扑结构都是在此基础上演变而来的。 u + + 图2 5 直流斩波电路原理图 图2 6 直流斩波等值电路 ji t jl 一么。 刀全么 7 一一一广一 l 一， 一 v ”“ r 一 厂 i孵 if 山1 m m i n i i t n n ： 一 t j t t d nh 图2 7 直流斩波电路波形 图2 5 是斩波调速原理图，图2 6 是等值电路。在直流电源u c c 与电动机m 之间接一个理想开关s ，如果开关s 周期性的快速通断电动机回路，并且每次通 硕士学位论文 断的周期t 十分短，远小于电动机m 的