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1、基于干擾觀測器考慮轉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） 長岡技術科學大學，電氣工程學院 東京大學 東洋電機制造有限公司 神奈川縣橫濱市236-0064，日本 關鍵詞 鐵路車輛，估計技術，控制驅動器，感應電機，無線傳感器的矢量控制。 摘要 為了抑制滑移現象，我們已經提出了基于干擾觀測器的防滑再粘著控制系統(tǒng)，而且我們確認這系統(tǒng)驅動器具有高附著力的的利用率。但是，這種系統(tǒng)沒有考慮實際電力機車轉向架的振動現象，切向力的大小受轉向架振動的影響。因此，驅動控制系統(tǒng)不能確定適當的電機轉矩作為參考，有時甚至減少粘附力的利用率。本文考慮轉向

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)，本文證實了利用數值模擬了該系統(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動力車模型數值仿真模擬顯示結果。作為結果，建議擾動觀測是有效的振動估計抑制切向力。數值模擬結果指出，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輸工具實現。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輪。切向力系數的特點是強烈影響鐵軌條件和驅動輪，如

3、潮濕，灰塵，油污等。當切向力系數下降，產生動力車輪的打滑現象。當火車有滑移現象，便影響車輛的加速性能和制動性能。此外，鐵路和驅動輪有一些磨損。因此，電動火車的駕駛系統(tǒng)應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 為了抑制滑移現象，我們已經提出在防滑再粘著控制系統(tǒng)的干擾觀測控制的基礎上。我們已經證實，這套系統(tǒng)驅動高附著力利用率列車。我們已應用該方法的實際電動多個單位，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。當駕駛車輪打滑現象生成，降低牽引電機的扭矩，以抑制其下滑的現象。在電機轉矩的幅度取決

4、于利用擾動觀測到的切向力的大小。切向力的估計對轉向架振動產生影響。因此，切向力估算不能有一個具體值。 過去,提出了系統(tǒng)的振動現象不考慮實際轉向架動力學電動通勤列車。當電力機車運行的軌道連接點,它已經轉向架的振動現象。它使估計的切向力強迫振動。因此,駕駛控制系統(tǒng)不能確定適當的扭矩作為參考,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象,結合實際轉向架系統(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向架系統(tǒng)的共振頻率的防滑再粘著控制系統(tǒng)。 滑移現象和切向力估測 電動列車依靠動力車輪和鐵軌間的切向力運動。圖2.顯示了電動列車的總體結構。此外，它由四個驅動輪和兩個異步電

5、動機（如圖3）所示帶動的轉向架。它有一些共振頻率。 起初，這篇文章作出了切向力估算模型，然后設計了防滑再粘著控制系統(tǒng)。電動火車的運動方程是從（1）至（4）式。（1）是機車車輛的運動，以及（3）描述了電動火車動力車輪的運動。在（3）中，Fr是輪子轉矩對應的鐵軌和驅動輪間的切向力，如圖4所示。 圖2 電動列車的總體結構 圖3電動列車的轉向架 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)---列車的運行阻力 (vs)---切向力系數

6、 W---列車的軸重 g---重力加速度 J---車輪的轉動慣量 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） 對電機轉速公式是(5)式。τL是異步電動機的負載轉矩對應于鐵軌和驅動輪之間的切向力, 如式（6）所示。使用公式(3),本文得出了重要運動方程,如圖7所示。因此普通的擾動觀測器估計電機負載轉矩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---電機慣性力矩 ωm---電機的角速度 τm---電機的名義轉矩 τL---電機的實際轉矩 ?

7、τL---電機的估計負載轉矩 ?F---估計的切向力 Rg---齒輪裝置傳動比 切向力系數μ是一個滑動速度vs的函數，如圖5所示。最大切向力是由最大切向力系數max決定的。最大切向力系數max叫做粘著系數。當電動火車驅動輪的扭矩τ超過最大切向力時，電動火車有滑移現象。因此，再粘著控制系統(tǒng)應形成對電機扭矩和粘著的控制。 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)具有低轉速（60脈沖/轉）的速度傳感器。為了迅速抑制下滑的現象是很難控制電動機轉矩的。 圖5.切向力系數與滑移速度之間的關系曲線

8、 為了實現快速扭矩響應，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)采用電機電壓和電流估計相互聯系的異步電機間的磁通量。無線傳感器矢量控制系統(tǒng)比普通異步電動機的矢量控制系統(tǒng)在速度方面具有許多優(yōu)點。防滑控制的主要的優(yōu)勢在于它是從緩慢轉矩響應由低解析度編碼器引起。電動列車牽引電機的平均角速度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 為了實現再粘著，當列車處于加速模式時，電機扭矩的變化如圖7所示。再粘著控制的計算

9、如下所示： 1.當檢測到有滑移現象時，電機扭矩減小到τL?lim，它是基于切向力估計的，并且電機扭矩在T1間保持為常數。 2.T1之后，電機扭矩增加直至到τL?rec，這也是有切向力估算的。 3.電機扭矩在T2間為常數，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 考慮轉向架動力學的高階擾動觀測的設計 電力機車的車轉向架如圖3所示。本文對轉向架的動力學系統(tǒng)的第一個共振頻率，假設如下： 該高階擾動觀測系統(tǒng)的平面圖如圖8所示。在圖8中，τL是轉向架系統(tǒng)的干擾力矩，而且是一個用式（11）定義的步函數。τL是異步電動機干擾扭矩，并且振蕩扭矩如（10）所示

10、。在電機的轉矩方程均為式（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方法實現高階擾動觀測。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 考慮轉向架振動使用干擾觀測器的切向力的估計 數值模擬結果 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、到了數值仿真的結果。我們已經證實有效利用2M1C轉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值模擬的結果 這里 τmref---參考電機扭矩 ?F---估計的切向力 F---實際切向力 vt---牽引速度 ?vd---計算加速度 vs---滑移速度 FJ---軸箱彈簧上的力 該電動機扭矩在粘著區(qū)保持恒定值條件下，1號軸轉向架振動產生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值模擬結果。圖11顯示了傳統(tǒng)控制方法的數值模擬結果，圖12顯示了所提出的控制方法的數值模擬結果。 圖11傳統(tǒng)方法的數值模擬結果 圖12.新方法的數值模擬結果 這里： ---切向力系數 r---切向力利用率 大約在t =5、10、15秒，該轉向架產生振動。在圖11中，估計的切向力由于轉向架振動產生振動波形

13、。為此，也就無法適當地確定電機參考轉矩，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，電機參考轉矩可以適當的確定，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 為了提高控制系統(tǒng)防滑再粘著,結合實際轉向架系統(tǒng)的振動現象,本文提出了一種新的基于高階擾動觀測器慮轉向架系統(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%。數值仿真結果指出,提

14、出的控制方法具有性能優(yōu)良的驅動加速度。 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向架振動的防滑再粘附控制”。 2007年的政協(xié)名古屋，電源轉換的第四次會議，日本名古屋，pp.1376-138（2007-4） [2].美內田，噸大山，和野村“制動時的附著力和防滑控制”，鐵路技術研究所報告，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）