干线牵引电机车双电机驱动控制方法的设计

马莹

摘 要：干线牵引电机车是铁路运输货物的一种重要交通工具，根据目前矿山开采的实际情况，需要其具有较强的稳定性、负荷能力，即在牵引电机起动上、稳定性、过载能力上提出了较高的要求。本文通过MATLAB仿真软件对双电机拖动系统的简单平均模型进行建模仿真，采用矢量控制算法。并对双电机单逆变器控制系统进行仿真设计，仿真验证系统能满足矿山牵引对电机的要求，并具有良好的抗干扰性能。

关键词：牵引电机车；双电机拖动；矢量控制

中图分类号：TM921 文献标识码：A

0.引言

作为矿山开采的主要交通工具，矿山电机车性能的好坏直接影响其工作效率。传统的直流调阻调速和直流斩波调速被交流牵引电机车所替代。空间控制、宽度不同的轨距等因素将影响着矿山牵引电机车性能，若采用一台电机驱动一个轮轴，即双电机直接驱动，为了提升电机运行速断，成本等问题，采用一台变频器控制多台电机的方法，即双电机单逆变器控制系统。

1.牵引电机的数学模型及工作原理

牵引电机车在控制方法上具有多样性，但对研究对象的控制上具有相似性，均采用一台电机作为控制模型，本文在系统建模时以一台电机作为研究对象，在电机建模时即对一台电机进行建模。为了使牵引电机车提高其运行可靠性，采用异步电机，而其动态数学模型具有强耦合、非线性等特点，根据产生磁动势相等的原则需进行坐标简化。

对交流异步电动机进行调速主要分为基频以下控制和基频以上控制。由于定子电流对异步电机的励磁回路产生影响，而定子绕组输入的电流由转矩分量和励磁分量两部分组成，这样就不易于异步电机进行速度调节。而调速主要是由磁场进行控制，为了对异步电动机磁场准确调节控制，就要实时检测其位置与数值的大小。若需要直接检测，就要被现实中一些工程技术所制约，所以通过采用磁链模型进行观测的计算分析方式。

2.干线牵引电机车矢量控制系统

通过将异步电动机三相坐标变换为两相旋转坐标坐标的数学模型可知，为了对其转矩进行控制，可采用用来产生磁场的励磁电流以及转矩分量的电流的幅值和相位加以控制，在矢量变换的基础上即控制其定子电流的矢量，这样的控制方式称为矢量控制，这种控制属于一种比较先进的电机控制。牵引电机车采用矢量控制能够满足其工作中的性能要求。

3.干线牵引电机车双电机系统仿真模型的搭建与结果分析

依据异步电机等效直流电机模型公式搭建双电机单逆变器矢量控制系统，如图1所示，系统采用双电机单逆变器的简化平均模型，其中电机M1为主控制电机，电机M2为被控制电机。

3.1 系统仿真参数如下：

3.2 仿真研究

系统仿真从电机起动后突加50%额定转矩如图2所示。其中图2、图3分别为系统启动后突加50%额定转矩电机M1和电机M2的定子电流波形；图4、图5分别为系统启动后突加50%额定转矩电机M1和电机M2的转速的波形。

由图2、图3波形可以看出，在主控制电机M1和被动控制电机M2设计相同参数时，二者承受的负载转矩平衡；由图4、图5波形看，两电机具有低速大转矩的工作性能，即在简化平均模型下采用矢量控制，能够达到牵引电机车对牵引电机出力的要求。

结论

本文采用MATLAB软件，建立牵引机车的控制系统的仿真模型，并对仿真中的关键问题及系统的仿真结果进行分析研究，为实际系统的设计提供理论依据及必要的设计参数。介绍简化平均模型下的矢量控制调速系统控制方案，并建立双电机单逆变器控制系统仿真模型。通过对两电机中突加额定转矩下定子电流和转速的仿真结果说明运用简化平均电机模型在两台电机参数一致的前提下，具有良好的稳态及动态性能，并能够满足牵引电机车对电机性能的要求。

参考文献

[1]阮毅，陈伯时.电机拖动自动控制系统—运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]张少华.永磁同步电机矢量控制策略研究与控制器实现[D].中南大学，2008.

[3]宗剑.矿山牵引电机车控制系统的仿真[J].电机控制与应用，2013，40（8）：14-18.