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1、基于干擾觀測器考慮轉(zhuǎn)向架振動的防滑再粘著控制 （洋介清水，清大石，隆佐野，忍安川，孝文戶籍） 長岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)，電氣工程學(xué)院 東京大學(xué) 東洋電機(jī)制造有限公司 神奈川縣橫濱市236-0064，日本 關(guān)鍵詞 鐵路車輛，估計技術(shù)，控制驅(qū)動器，感應(yīng)電機(jī)，無線傳感器的矢量控制。 摘要 為了抑制滑移現(xiàn)象，我們已經(jīng)提出了基于干擾觀測器的防滑再粘著控制系統(tǒng)，而且我們確認(rèn)這系統(tǒng)驅(qū)動器具有高附著力的的利用率。但是，這種系統(tǒng)沒有考慮實(shí)際電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架的振動現(xiàn)象，切向力的大小受轉(zhuǎn)向架振動的影響。因此，驅(qū)動控制系統(tǒng)不能確定適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)轉(zhuǎn)矩作為參考，有時甚至減少粘附力的利用率。本文考慮轉(zhuǎn)向

2、架系統(tǒng)的諧振頻率提出了一種新的基于干擾觀測器的防滑再粘著控制系統(tǒng)。 為了證明了該方法的有效性提出了防滑再粘著控制系統(tǒng)，本文證實(shí)了利用數(shù)值模擬了該系統(tǒng)的有效性。本文通過使用具有無線傳感器矢量控制系統(tǒng)4M1C動力車模型數(shù)值仿真模擬顯示結(jié)果。作為結(jié)果，建議擾動觀測是有效的振動估計抑制切向力。數(shù)值模擬結(jié)果指出，擬議的附著力控制方法具有良好的加速性能。 簡介 由多個單元組成的電動市郊列車在人口眾多的大城市是很有用的運(yùn)輸工具。高加速度和通勤列車制動性能都需要高效率的集體運(yùn)輸工具實(shí)現(xiàn)。一般來說，切向力的電動火車車軸重量，功能和鐵路之間的切向力和帶動系數(shù)輪。切向力系數(shù)的特點(diǎn)是強(qiáng)烈影響鐵軌條件和驅(qū)動輪，如

3、潮濕，灰塵，油污等。當(dāng)切向力系數(shù)下降，產(chǎn)生動力車輪的打滑現(xiàn)象。當(dāng)火車有滑移現(xiàn)象，便影響車輛的加速性能和制動性能。此外，鐵路和驅(qū)動輪有一些磨損。因此，電動火車的駕駛系統(tǒng)應(yīng)該有一個好的防滑再粘著控制系統(tǒng)。 圖1. JR-East 線205-5000系列市郊列車 為了抑制滑移現(xiàn)象，我們已經(jīng)提出在防滑再粘著控制系統(tǒng)的干擾觀測控制的基礎(chǔ)上。我們已經(jīng)證實(shí)，這套系統(tǒng)驅(qū)動高附著力利用率列車。我們已應(yīng)用該方法的實(shí)際電動多個單位，這是205-5000系列（如圖1所示[東日本鐵路公司]）。這些列車舒適的駕駛性能。當(dāng)駕駛車輪打滑現(xiàn)象生成，降低牽引電機(jī)的扭矩，以抑制其下滑的現(xiàn)象。在電機(jī)轉(zhuǎn)矩的幅度取決

4、于利用擾動觀測到的切向力的大小。切向力的估計對轉(zhuǎn)向架振動產(chǎn)生影響。因此，切向力估算不能有一個具體值。 過去,提出了系統(tǒng)的振動現(xiàn)象不考慮實(shí)際轉(zhuǎn)向架動力學(xué)電動通勤列車。當(dāng)電力機(jī)車運(yùn)行的軌道連接點(diǎn),它已經(jīng)轉(zhuǎn)向架的振動現(xiàn)象。它使估計的切向力強(qiáng)迫振動。因此,駕駛控制系統(tǒng)不能確定適當(dāng)?shù)呐ぞ刈鳛閰⒖?有時降低最高切向力的利用率。為了提高控制系統(tǒng)防滑再粘著的振動現(xiàn)象,結(jié)合實(shí)際轉(zhuǎn)向架系統(tǒng),本文提出了一種新的控制系統(tǒng)--基于擾動觀測器考慮轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的共振頻率的防滑再粘著控制系統(tǒng)。 滑移現(xiàn)象和切向力估測 電動列車依靠動力車輪和鐵軌間的切向力運(yùn)動。圖2.顯示了電動列車的總體結(jié)構(gòu)。此外，它由四個驅(qū)動輪和兩個異步電

5、動機(jī)（如圖3）所示帶動的轉(zhuǎn)向架。它有一些共振頻率。 起初，這篇文章作出了切向力估算模型，然后設(shè)計了防滑再粘著控制系統(tǒng)。電動火車的運(yùn)動方程是從（1）至（4）式。（1）是機(jī)車車輛的運(yùn)動，以及（3）描述了電動火車動力車輪的運(yùn)動。在（3）中，F(xiàn)r是輪子轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的鐵軌和驅(qū)動輪間的切向力，如圖4所示。 圖2 電動列車的總體結(jié)構(gòu) 圖3電動列車的轉(zhuǎn)向架 圖4 單個車輪的模型 這里： M---車輪的重量 vt---列車的牽引速度 F---切向力 Fd(vt)---列車的運(yùn)行阻力 (vs)---切向力系數(shù)

6、 W---列車的軸重 g---重力加速度 J---車輪的轉(zhuǎn)動慣量 ωd---車輪的角速度 τ---車輪扭矩 r---車輪半徑 vs---滑移速度 vd---車輪速度（vd=r*ωd） 對電機(jī)轉(zhuǎn)速公式是(5)式。τL是異步電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩對應(yīng)于鐵軌和驅(qū)動輪之間的切向力, 如式（6）所示。使用公式(3),本文得出了重要運(yùn)動方程,如圖7所示。因此普通的擾動觀測器估計電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩τL、切向力F,如圖8所示。普通的擾動觀測器劃分為零級擾動,估計觀察者擾動力矩。 這里： Jm---電機(jī)慣性力矩 ωm---電機(jī)的角速度 τm---電機(jī)的名義轉(zhuǎn)矩 τL---電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩 ?

7、τL---電機(jī)的估計負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ?F---估計的切向力 Rg---齒輪裝置傳動比 切向力系數(shù)μ是一個滑動速度vs的函數(shù)，如圖5所示。最大切向力是由最大切向力系數(shù)max決定的。最大切向力系數(shù)max叫做粘著系數(shù)。當(dāng)電動火車驅(qū)動輪的扭矩τ超過最大切向力時，電動火車有滑移現(xiàn)象。因此，再粘著控制系統(tǒng)應(yīng)形成對電機(jī)扭矩和粘著的控制。 基于干擾觀測器的再粘著控制系統(tǒng)和無線傳感器的矢量控制 理想化的防滑再粘著控制應(yīng)該在最大切向力處保持接近切向力。通常，電動火車的駕駛系統(tǒng)具有低轉(zhuǎn)速（60脈沖/轉(zhuǎn)）的速度傳感器。為了迅速抑制下滑的現(xiàn)象是很難控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的。 圖5.切向力系數(shù)與滑移速度之間的關(guān)系曲線

8、 為了實(shí)現(xiàn)快速扭矩響應(yīng)，就使用了無線傳感器矢量控制系統(tǒng)。無線傳感器矢量控制系統(tǒng)采用電機(jī)電壓和電流估計相互聯(lián)系的異步電機(jī)間的磁通量。無線傳感器矢量控制系統(tǒng)比普通異步電動機(jī)的矢量控制系統(tǒng)在速度方面具有許多優(yōu)點(diǎn)。防滑控制的主要的優(yōu)勢在于它是從緩慢轉(zhuǎn)矩響應(yīng)由低解析度編碼器引起。電動列車牽引電機(jī)的平均角速度ωm由無線傳感器矢量控制系統(tǒng)迅速做出判斷。車輪的速度也從無線傳感器矢量控制系統(tǒng)得到。圖6所示為基于擾動觀測器的防滑再粘著控制系統(tǒng)和無線傳感器矢量控制。 圖6 基于擾動觀測器的防滑再粘著控制系統(tǒng)和無線傳感器矢量控制 為了實(shí)現(xiàn)再粘著，當(dāng)列車處于加速模式時，電機(jī)扭矩的變化如圖7所示。再粘著控制的計算

9、如下所示： 1.當(dāng)檢測到有滑移現(xiàn)象時，電機(jī)扭矩減小到τL?lim，它是基于切向力估計的，并且電機(jī)扭矩在T1間保持為常數(shù)。 2.T1之后，電機(jī)扭矩增加直至到τL?rec，這也是有切向力估算的。 3.電機(jī)扭矩在T2間為常數(shù)，并逐步地增加知道再檢測到滑移想象。 圖7 防滑再粘著控制的扭矩參考模式 考慮轉(zhuǎn)向架動力學(xué)的高階擾動觀測的設(shè)計 電力機(jī)車的車轉(zhuǎn)向架如圖3所示。本文對轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)系統(tǒng)的第一個共振頻率，假設(shè)如下： 該高階擾動觀測系統(tǒng)的平面圖如圖8所示。在圖8中，τL是轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的干擾力矩，而且是一個用式（11）定義的步函數(shù)。τL是異步電動機(jī)干擾扭矩，并且振蕩扭矩如（10）所示

10、。在電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程均為式（12）。 圖8.干擾觀測器的平面系統(tǒng) 利用式（10）和（11），從平面系統(tǒng)的模型方程，獲得了式（13）（14）和（15）。從（12）（15），利用Goliaths方法實(shí)現(xiàn)高階擾動觀測。擬議的高階擾動觀測狀態(tài)方程式從式（16）獲取。擬議的高階擾動觀測器輸出方程從式子（17）（18）和（19）得到。此外，圖9顯示了考慮轉(zhuǎn)向架振動切向力估計框圖。τL的估計使用式（20）。使用這種新的切向力估計方法，切向力的估計如式（8）所示。 圖9 考慮轉(zhuǎn)向架振動使用干擾觀測器的切向力的估計 數(shù)值模擬結(jié)果 為了證明了該方法的有效性,提出了防滑再粘著控制系統(tǒng)，得

11、到了數(shù)值仿真的結(jié)果。我們已經(jīng)證實(shí)有效利用2M1C轉(zhuǎn)向架模型無線傳感器矢量控制系統(tǒng)。本文使用具有無線傳感器矢量控制系統(tǒng)4M1C動力車模型模擬出新的仿真結(jié)果。 圖10顯示了本文提出的干擾觀測和常規(guī)的干擾觀測得到的數(shù)值模擬的結(jié)果 這里 τmref---參考電機(jī)扭矩 ?F---估計的切向力 F---實(shí)際切向力 vt---牽引速度 ?vd---計算加速度 vs---滑移速度 FJ---軸箱彈簧上的力 該電動機(jī)扭矩在粘著區(qū)保持恒定值條件下，1號軸轉(zhuǎn)向架振動產(chǎn)生5、10和15s。在圖10中，估計的切向力就沒有用提出的防滑再粘著控制系統(tǒng)。圖10所示為只有觀察的擾動觀測器。 表1 轉(zhuǎn)向架振

12、動的振幅 表1所示為估計切向力振動的振幅。使用高階擾動觀測器，振動波形的振幅大約為常規(guī)類型的1/3。此外，收斂時間比傳統(tǒng)的類型的小。擬議的擾動觀測器可以有效減少估計切向力的振動。 圖10估計切向力的振動圖 接下來，本文闡述了防滑再粘著控制的數(shù)值模擬結(jié)果。圖11顯示了傳統(tǒng)控制方法的數(shù)值模擬結(jié)果，圖12顯示了所提出的控制方法的數(shù)值模擬結(jié)果。 圖11傳統(tǒng)方法的數(shù)值模擬結(jié)果 圖12.新方法的數(shù)值模擬結(jié)果 這里： ---切向力系數(shù) r---切向力利用率 大約在t =5、10、15秒，該轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生振動。在圖11中，估計的切向力由于轉(zhuǎn)向架振動產(chǎn)生振動波形

13、。為此，也就無法適當(dāng)?shù)卮_定電機(jī)參考轉(zhuǎn)矩，最大切向力的利用率變低。相反的，在圖12中，由于估計切向力的振動變小，電機(jī)參考轉(zhuǎn)矩可以適當(dāng)?shù)拇_定，而最大切向力的利用率保持在很高值。因此，建議的高階擾動觀測器可以有效地減少估計切向力的振動波形。 總結(jié) 為了提高控制系統(tǒng)防滑再粘著,結(jié)合實(shí)際轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的振動現(xiàn)象,本文提出了一種新的基于高階擾動觀測器慮轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的諧振頻率的防滑控制系統(tǒng)。擬議中的高階擾動觀測器有效的抑制估計切向力的振動。應(yīng)用所提出的高階擾動觀測器的，振幅、振動波形變得約為傳統(tǒng)的類型的1/3。擬議中的高階擾動觀測器能有效保持最高切向力的利用率。最大切向力的利用率提高5%。數(shù)值仿真結(jié)果指出,提

14、出的控制方法具有性能優(yōu)良的驅(qū)動加速度。 參考資料 [1].清水，光大石，噸佐野，第安川，噸戶籍 “基于擾動觀測考慮轉(zhuǎn)向架振動的防滑再粘附控制”。 2007年的政協(xié)名古屋，電源轉(zhuǎn)換的第四次會議，日本名古屋，pp.1376-138（2007-4） [2].美內(nèi)田，噸大山，和野村“制動時的附著力和防滑控制”，鐵路技術(shù)研究所報告，第15卷第5期，pp.1-6（2001-5）（日語） [3].噸古屋，和河村“連續(xù)使用牽引系數(shù)測定牽引力測試儀”，2003年國民大會記錄 I.E.E.日本，Vol.5，pp.306（2003-3）（日語） [4].美國戶，中澤，噸片見，和一村正彥“考慮輪對打滑和再粘著控制的車輛”，外部評價日本噸，Vol.121三維，9號，第.923-932（2001-9）（日語）