一种新的同步控制系统设计

一种新的同步控制系统设计

0整车同步控制系统在试验过程中出现的问题车辆动态试验台主要用于车辆的研究和性能试验。在试验台上可进行机车牵引/制动特性试验、整车功率考核试验、机车车辆动力学试验、整车故障模拟试验及变流器、牵引变压器、牵引电机、轴箱轴承等关键设备的温升试验等。目前,整车动态试验台已广泛运用在各主机厂及各机车检修基地,但在运用过程中普遍发现试验台的同步控制系统存在车控、架控、轴控3种控制模式相互切换不方便,切换工作的劳动强度大等现象,而且在试验过程中切除故障轴的工作也十分困难。为此,本文提出了一种新的整车动态试验台同步控制系统设计方案。1试验操作控制同步控制系统是整车动态试验台的核心部分,其主要由工控机、可编程控制器、变流器、通信网络、交流异步电机、同步变速齿轮箱、同步轴、联轴器等组成。系统结构简图见图1。工控机(PC):用做人机接口,与可编程控制器通过以太网进行实时通信,下传试验操作指令,接收试验数据。可编程控制器(PLC):作为试验控制程序载体,试验设备的控制中枢。PLC与工控机通过以太网通信,与变流器控制器DCU通过PROFIBUS-DP工业用总线通信。变流器(CT):输入单相交流电源,输出三相调频调压交流电源用以驱动交流异步电机。负载电机(M):输出力矩,为被试机车提供负载或驱动力。同步变速齿轮箱(C):输入端与负载连接,输出分传动端和同步端。传动端用作降低电机输出转速提高输出转矩;同步端用作保持6个传动单元机械上同步,以保证轨道轮转速一致。其中1台变流器、1台交流异步电机、1台同步变速齿轮箱、1个轨道轮组组成1个传动单元。2机械同步控制模式6个相同的传动单元通过同步变速齿轮箱、同步轴、联轴器联接来保证轨道轮转动速度一致的方式定义为机械同步控制模式,即机械同步方案。机械同步方案下传动单元结构如图2所示。设计同步变速齿轮箱时,考虑在同步传动端设置“空挡”和“非空挡”2个挡位,此种控制模式下该挡位处在“非空挡”。此种同步控制模式下变流器对交流异步电机的控制模式如图3。图3中:Vg为给定速度;Vs为实际转速;v/f为电压、频率控制参数;T为转矩控制参数。在机械同步控制模式下对变流器采用主从控制方式来控制各交流异步电机,以变流器1为主,其他变流器为从(主从可自定义)。主变流器对交流异步电机1进行速度闭环控制,实现对轨道轮的转速控制(即实现对机车试验速度的控制)。从变流器对其他交流异步电机进行直接转矩控制,电机输出转矩实时跟随交流异步电机1的输出转矩。变流器控制器之间的通信介质采用光纤,实时性好,能有力保证6台交流异步电机同时同力矩发挥。各电机的转速在机械同步的作用下保持一致。此种模式下各轨道轮转速同步精度高,仅受机械加工精度的影响。3电气同步控制模式6个相同的传动单元通过变流器对各个交流异步电机的转速控制来保证轨道轮转动速度一致的方式定义为电气同步控制模式,即电气同步方案。此种控制模式下同步增速齿轮箱同步传动端挡位处在“空挡”,机械同步失效(图4)。此种同步控制模式下变流器对电机的控制模式如图5。在电气同步控制模式下,各变流器分别对各交流异步电机进行速度闭环控制。各变流器控制器接收同一个给定转速信号后,根据实际转速的反馈独立调节各电机的转速,实现电机转速一致,从而保证各轨道轮转速的同步。电气同步控制模式下各轨道轮线速度同步精度较机械同步控制模式差,因为制约于变流器对电机转速的控制精度。但由于变流器对电机采取实时速度闭环控制方式,此种控制模式下轨道轮同步精度仍能满足试验需求。4架控模式下的同步系统为满足机车各项试验需要,要求整车动态试验台具备车控、架控、轴控3种控制功能。在此同步控制系统设计方案下实现上述3种控制功能的方式如下。1)车控模式车控模式下要求6组轨道轮对的转动实时速度一致,并可同步调节转速。该模式利用机械同步便可以实现,具体实施方案已在第2章中进行了描述说明。2)架控模式在该模式下,1、2、3号轨道轮对组成第一架,与机车的一个转向架对应;4、5、6号轨道轮对组成第二架,与机车的另一个转向架对应。要求每一架的3组轨道轮对实时转速一致,并可同步调节。两架之间可独立控制和调节轨道轮对的转速。架控模式下的同步系统结构简图如图6。其中传动单元1、2、3之间通过同步轴连接组成一架,传动单元4、5、6之间也通过同步轴连接组成另一架。两架之间的同步轴断开,即将同步变速齿轮箱3、4的同步传动端置“空挡”。此种同步控制模式下变流器对电机的控制模式如图7。在架控模式下对变流器采用主从控制方式来控制各交流异步电机。第1架以变流器1为主,变流器2、3为从。主变流器1对交流异步电机1进行速度闭环控制,实现对轨道轮的转速控制(即实现对机车试验速度的控制)。从变流器2、3对其他交流异步电机进行直接转矩控制,电机输出转矩实时跟随交流异步电机1的输出转矩。第2架以变流器4为主,变流器5、6为从。3)轴控模式轴控模式下要求6组轨道轮对的转速可独立调节,通过各变流器对各个电机的精确控制来实现同步。该模式利用电气同步便可以实现,具体实施方案已在本文第3章中进行了描述说明。5整车动态试验