论文部分内容阅读
摘要：牵引电机负载模拟是轨道车辆牵引传动系统半实物仿真中不可缺少的重要技术手段，不仅成本低，而且受外部环境的影响较小，具有很高的可行性，随着轨道工程的发展，电机负载模拟控制的研究成为社会关注的广泛话题。在本文中，笔者结合自身经验，从轨道车辆电机负载模拟技术的发展现状出发，分析了电机负载模拟的原理，并分别从电机负载的力学控制研究、电机负载的功率控制研究以及电机等效阻力负载与等效惯性负载研究等三个方面阐述了轨道车辆牵引电机负载模拟的控制，与同行共勉。
关键词：轨道车辆 电机 负载 牵引
中图分类号：U213文献标识码： A 文章编号：
1电机负载模拟技术仿真发展现状
随着社会的发展，铁路事业呈现出蓬勃发展的趋势，在交通领域、国防领域以及工业领域等都有涉及，正所谓有需求采用市场，这为负载技术的研究奠定了良好的基础。轨道车辆的负载模拟是技术是一种基于实物基础上的试验技术，需要在实验条件下完成加载，并且服务于加载对象。从专业的角度来说，它突破了传统试验设备的障碍，受到环境的约束性较小，对于在线测试存在一定难度的测验来说，负载模拟技术的研究是一次全新的革命。就负载模拟而言，国内外的著名专家对其展开了系统的研究和讨论，并且形成了初步的成果，目前正在使用的负载模拟技术主要分为两种形式，分别是液压负载模拟(Eleetro一 HydrostatieAetuators，EHA)和电动负载模拟两种 (Eleetricalpowered Actuators，EPA)。
在电子技术的发展前提下，轨道车辆电机控制技术得到了很大的提升。就直流电机而言，除了对于道路事业的贡献之外，还实现了对恒转矩负载、线性负载以及风扇泵机类负载的模拟，并且在各个领域得到了广泛的应用。由于电机转速较低、力矩波动较小，在堵转的环境下同样可以运行，实现了恶劣环境下的同步運行。
2电机负载模拟控制系统的原理分析
电机负载模拟系统的原理是能量转换的过程，在直流电或者交流电的条件下同样适用。在此过程中，转矩承担了加载的角色，对于电机牵引负载的模拟进而转变为对转矩的持续加载过程，从而将电能的输入转化为机械能的输出，进而出现了电机的牵引力。从这个角度上来说，电机负载模拟是一个被动的过程，它的核心控制系统是转矩控制系统，鉴于其力矩为主动加载的过程，所以，电机模拟控制中结合了被动控制和主动控制，如何将两者统一协调起来成为电机负载工作的关键。此外，机械性是电机负载模拟的一大特性，主要目的在于补偿承载对象速度变化中产生的电机反电动势。在车辆牵引电机运行的过程中，电机的工作状态除了和车辆本身的特性紧密相关之外，如车辆的形状、吨位等，还与线路条件的因素有关，此外，车辆运行中的速度变化对于牵引电机的负载模拟也有较大的影响。因此，对于负载电机而言，需要根据转速中输出的信号指示，正确输出同时符合运行阻力特性和车辆惯性的负载转矩。
3电机负载模拟控制系统的仿真研究
3.1电机负载的力学控制研究
将车轮看成一个整体的系统，由牛顿第二定律可得F-f=Ma，其中F为车辆受到的整体牵引力，单位为N（牛顿）；f为车辆受到的阻力，包括轨道面摩擦阻力以及运行中的风的阻力，单位为N(牛顿)；M为车辆的质量，单位为kg（千克）；ａ为车辆直线加速度，单位为ｍ／ｓ２。为了便于分析，在电机的力学方程中，一般将公式写成Ｆｔ－ｆｍ＝ｍａ，其中Ｆｔ为单动轴输出轮周牵引力，单位为N（牛顿）；ｆｍ为单动轴分配阻力，单位为N（牛顿），该公式通常称之为平动方程，平动是指物体在运动过程中，其上任意两点的连线在各个时刻的位置始终平行的运动，在本文中符合轨道车辆运动的规律。对于车轴的运动，其动力学方程为Ｆｍｗｒｇ1－ＦｔＲ＝Ｊｗαｗ，其中Ｆｍｗ为电机通过主动齿轮时所产生的对从动齿轮的作用力，单位为N（牛顿）；ｒｇ1为从动齿轮的半径，单位为m；Ｆｔ为单动轴输出轮周时所产生的牵引力，单位为N(牛顿)；R为车轮的半径，单位为m；Ｊｗ为轮对与从动机构的转动惯量之和，单位为ｋｇ·ｍ２； αｗ为车轮的转动角加速度，单位为ｒａｄ／ｓ.另外，= ，ωｗ＝ｖｗ／Ｒ。将上述公式联立方程，即可得到=+。由公式可得， 的值不仅取决于转矩，还和轨道车辆的质量及其所受到的阻力有关。在车辆实际的运输过程中，为了确保车辆运行的安全和平稳，避免发生滑行状况， 的大小还需要受到粘着系数的控制。此外，考虑到负转矩Tｍ以及齿轮的影响，需要乘以ηＧｅａｒ，即可得到电机的负载转矩为
=[ ]
3.2电机负载的功率控制研究
在电机负载功率大小的控制中，旨在求出牵引电机所受到的实际负载，在研究的过程中，主要从动能定理出发，其中可以将轨道车辆看成一个平动的系统，则其功率方程可写成
v-fv=()，而轨道车辆在转动过程中，其功率方程可以表示为：
-=()，主动轮在转动过程中所产生的功率为：
=()
将电机负载的平动系统功率、转动系统功率以及主动轮转动功率合并，即以上三个公式相加，可以得到：ＮｍＴｍωｍ－ｆｖ－Ｎｍ（Ｒωｍ－ｖ）Ｆｔ－Ｎｍ（１－ηＧｅａｒ）ＴＬωｍ＝(+)。其中电机牵引的个数，本文中取值为1；ωｍ为电机角速度，单位为rad/s, v为车辆行驶的直线速度；为角速度引起的转矩；为实际负载转矩；为牵引电机与主动机构的转动惯量之和，单位为kg*m。
观察等式的左右两边可得，Ｎｍ（Ｒωｍ－ｖ）Ｆｔ表示车轮转动的速度在车辆运动过程中做功，从动力学的角度来说，主要是由于车轮转动的速度大于车辆前进的速度而引起的。当忽略车轮和轨道之间的滑动效应时，车轮转动所做的功所产生的势能等效于动力轮在转动过程中产生的动能，即从纯数学的角度来看，等式左边的第三项包含并小于等式右边。Ｎｍ（１－ηＧｅａｒ）ＴＬωｍ表示车辆在运行过程中由于热能的损耗而产生的功率损失，符合能量守恒基本定律。需要指出的是，以上公式中并未包含被动车轮在转动过程中所做的功，所以，将该方程对比车辆牵引中实际所输出的功率时，还存在一定的偏差，必须在等式的左边加上被动轮的摩擦力做功，并对等式进行微分处理，即可得到轨道车辆牵引电机在运行中所做的总功率，表示如下：=[ ] 由此可和利用力学公式所求的值具有一致性。
3.3电机等效阻力负载与等效惯性负载研究
令TL=, 可得Tm-(TL+J)= Jｍ,在该公式中，f表示轨道车辆在运行中所受到的阻力之和，一般包括风力阻力、隧道阻力以及曲线阻力等。相应地，TL代表电机受到的整体负载，在工程中称之为等效阻力负载转矩，J表示车辆资料和传动机构惯性量在内的电机负载，称之为等效惯性负载转矩。综上所述，电机负载的模拟过程可以如下所示：由于电机所输出的转矩等效于阻力转矩，因此，可以用前者模拟后者，由转矩模拟等效惯性矩。在此过程中，实际负载就转化为了可控制的转矩，从而实现了牵引电机的负载模拟，并且在工程中得到了广泛的应用，取得了良好的效果。
小结：电机负载模拟控制的研究克服了真车试验中成本高、周期长的缺陷，是轨道车辆牵引系统研究中的一大重要举措，是电子技术发展过程中的一次壮举，为缓解负电位势以及电位差提供了有效保障。此外，随着铁路运行系统的发展，电机负载模拟的研究呈现出巨大的潜力，有望达到国际先进水平。在车辆牵引系统的模拟中，电子技术得到了很好的推广，为科技事业做出了重要的贡献。
参考文献：
[1]赵良琴;杨中平;俎以宏;;牵引电机的机械质量控制[J];机械制造;2010年04期
[2]濮家驯;魏凤文;电机负载模拟技术的评定评定[J];绝缘材料;2010年01期
[3]吴晓东,关强,李冰.基于VC、Matlab 的汽车制动性能联合仿真[J].微计算机信息.2007, 34:195-197
[4]夏伟雄;国内牵引电机变压器制造“霸主”乔迁新居 株洲南车电机公司新基地竣工投产[N];机电商报;2010年
[5]Jesus Arellano-Padilla, Greg M. Asher, Mark Sumner. Control of an AC Dynamometer for Dynamic Emulation of Mechanical Loads with Stiff and Flexible Shafts [J], IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.53, NO.4, August 2011.
关键词：轨道车辆 电机 负载 牵引
中图分类号：U213文献标识码： A 文章编号：
1电机负载模拟技术仿真发展现状
随着社会的发展，铁路事业呈现出蓬勃发展的趋势，在交通领域、国防领域以及工业领域等都有涉及，正所谓有需求采用市场，这为负载技术的研究奠定了良好的基础。轨道车辆的负载模拟是技术是一种基于实物基础上的试验技术，需要在实验条件下完成加载，并且服务于加载对象。从专业的角度来说，它突破了传统试验设备的障碍，受到环境的约束性较小，对于在线测试存在一定难度的测验来说，负载模拟技术的研究是一次全新的革命。就负载模拟而言，国内外的著名专家对其展开了系统的研究和讨论，并且形成了初步的成果，目前正在使用的负载模拟技术主要分为两种形式，分别是液压负载模拟(Eleetro一 HydrostatieAetuators，EHA)和电动负载模拟两种 (Eleetricalpowered Actuators，EPA)。
在电子技术的发展前提下，轨道车辆电机控制技术得到了很大的提升。就直流电机而言，除了对于道路事业的贡献之外，还实现了对恒转矩负载、线性负载以及风扇泵机类负载的模拟，并且在各个领域得到了广泛的应用。由于电机转速较低、力矩波动较小，在堵转的环境下同样可以运行，实现了恶劣环境下的同步運行。
2电机负载模拟控制系统的原理分析
电机负载模拟系统的原理是能量转换的过程，在直流电或者交流电的条件下同样适用。在此过程中，转矩承担了加载的角色，对于电机牵引负载的模拟进而转变为对转矩的持续加载过程，从而将电能的输入转化为机械能的输出，进而出现了电机的牵引力。从这个角度上来说，电机负载模拟是一个被动的过程，它的核心控制系统是转矩控制系统，鉴于其力矩为主动加载的过程，所以，电机模拟控制中结合了被动控制和主动控制，如何将两者统一协调起来成为电机负载工作的关键。此外，机械性是电机负载模拟的一大特性，主要目的在于补偿承载对象速度变化中产生的电机反电动势。在车辆牵引电机运行的过程中，电机的工作状态除了和车辆本身的特性紧密相关之外，如车辆的形状、吨位等，还与线路条件的因素有关，此外，车辆运行中的速度变化对于牵引电机的负载模拟也有较大的影响。因此，对于负载电机而言，需要根据转速中输出的信号指示，正确输出同时符合运行阻力特性和车辆惯性的负载转矩。
3电机负载模拟控制系统的仿真研究
3.1电机负载的力学控制研究
将车轮看成一个整体的系统，由牛顿第二定律可得F-f=Ma，其中F为车辆受到的整体牵引力，单位为N（牛顿）；f为车辆受到的阻力，包括轨道面摩擦阻力以及运行中的风的阻力，单位为N(牛顿)；M为车辆的质量，单位为kg（千克）；ａ为车辆直线加速度，单位为ｍ／ｓ２。为了便于分析，在电机的力学方程中，一般将公式写成Ｆｔ－ｆｍ＝ｍａ，其中Ｆｔ为单动轴输出轮周牵引力，单位为N（牛顿）；ｆｍ为单动轴分配阻力，单位为N（牛顿），该公式通常称之为平动方程，平动是指物体在运动过程中，其上任意两点的连线在各个时刻的位置始终平行的运动，在本文中符合轨道车辆运动的规律。对于车轴的运动，其动力学方程为Ｆｍｗｒｇ1－ＦｔＲ＝Ｊｗαｗ，其中Ｆｍｗ为电机通过主动齿轮时所产生的对从动齿轮的作用力，单位为N（牛顿）；ｒｇ1为从动齿轮的半径，单位为m；Ｆｔ为单动轴输出轮周时所产生的牵引力，单位为N(牛顿)；R为车轮的半径，单位为m；Ｊｗ为轮对与从动机构的转动惯量之和，单位为ｋｇ·ｍ２； αｗ为车轮的转动角加速度，单位为ｒａｄ／ｓ.另外，= ，ωｗ＝ｖｗ／Ｒ。将上述公式联立方程，即可得到=+。由公式可得， 的值不仅取决于转矩，还和轨道车辆的质量及其所受到的阻力有关。在车辆实际的运输过程中，为了确保车辆运行的安全和平稳，避免发生滑行状况， 的大小还需要受到粘着系数的控制。此外，考虑到负转矩Tｍ以及齿轮的影响，需要乘以ηＧｅａｒ，即可得到电机的负载转矩为
=[ ]
3.2电机负载的功率控制研究
在电机负载功率大小的控制中，旨在求出牵引电机所受到的实际负载，在研究的过程中，主要从动能定理出发，其中可以将轨道车辆看成一个平动的系统，则其功率方程可写成
v-fv=()，而轨道车辆在转动过程中，其功率方程可以表示为：
-=()，主动轮在转动过程中所产生的功率为：
=()
将电机负载的平动系统功率、转动系统功率以及主动轮转动功率合并，即以上三个公式相加，可以得到：ＮｍＴｍωｍ－ｆｖ－Ｎｍ（Ｒωｍ－ｖ）Ｆｔ－Ｎｍ（１－ηＧｅａｒ）ＴＬωｍ＝(+)。其中电机牵引的个数，本文中取值为1；ωｍ为电机角速度，单位为rad/s, v为车辆行驶的直线速度；为角速度引起的转矩；为实际负载转矩；为牵引电机与主动机构的转动惯量之和，单位为kg*m。
观察等式的左右两边可得，Ｎｍ（Ｒωｍ－ｖ）Ｆｔ表示车轮转动的速度在车辆运动过程中做功，从动力学的角度来说，主要是由于车轮转动的速度大于车辆前进的速度而引起的。当忽略车轮和轨道之间的滑动效应时，车轮转动所做的功所产生的势能等效于动力轮在转动过程中产生的动能，即从纯数学的角度来看，等式左边的第三项包含并小于等式右边。Ｎｍ（１－ηＧｅａｒ）ＴＬωｍ表示车辆在运行过程中由于热能的损耗而产生的功率损失，符合能量守恒基本定律。需要指出的是，以上公式中并未包含被动车轮在转动过程中所做的功，所以，将该方程对比车辆牵引中实际所输出的功率时，还存在一定的偏差，必须在等式的左边加上被动轮的摩擦力做功，并对等式进行微分处理，即可得到轨道车辆牵引电机在运行中所做的总功率，表示如下：=[ ] 由此可和利用力学公式所求的值具有一致性。
3.3电机等效阻力负载与等效惯性负载研究
令TL=, 可得Tm-(TL+J)= Jｍ,在该公式中，f表示轨道车辆在运行中所受到的阻力之和，一般包括风力阻力、隧道阻力以及曲线阻力等。相应地，TL代表电机受到的整体负载，在工程中称之为等效阻力负载转矩，J表示车辆资料和传动机构惯性量在内的电机负载，称之为等效惯性负载转矩。综上所述，电机负载的模拟过程可以如下所示：由于电机所输出的转矩等效于阻力转矩，因此，可以用前者模拟后者，由转矩模拟等效惯性矩。在此过程中，实际负载就转化为了可控制的转矩，从而实现了牵引电机的负载模拟，并且在工程中得到了广泛的应用，取得了良好的效果。
小结：电机负载模拟控制的研究克服了真车试验中成本高、周期长的缺陷，是轨道车辆牵引系统研究中的一大重要举措，是电子技术发展过程中的一次壮举，为缓解负电位势以及电位差提供了有效保障。此外，随着铁路运行系统的发展，电机负载模拟的研究呈现出巨大的潜力，有望达到国际先进水平。在车辆牵引系统的模拟中，电子技术得到了很好的推广，为科技事业做出了重要的贡献。
参考文献：
[1]赵良琴;杨中平;俎以宏;;牵引电机的机械质量控制[J];机械制造;2010年04期
[2]濮家驯;魏凤文;电机负载模拟技术的评定评定[J];绝缘材料;2010年01期
[3]吴晓东,关强,李冰.基于VC、Matlab 的汽车制动性能联合仿真[J].微计算机信息.2007, 34:195-197
[4]夏伟雄;国内牵引电机变压器制造“霸主”乔迁新居 株洲南车电机公司新基地竣工投产[N];机电商报;2010年
[5]Jesus Arellano-Padilla, Greg M. Asher, Mark Sumner. Control of an AC Dynamometer for Dynamic Emulation of Mechanical Loads with Stiff and Flexible Shafts [J], IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.53, NO.4, August 2011.