基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及机车动力学分析领域，特别是一种基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法及装置，该仿真分析方法包括以下步骤：电机转矩计算：根据操纵级位和运行速度计算机车所需牵引力，并根据所述所需牵引力得到电机转矩；输出电机转矩：根据所述电机转矩计算步骤中得到的电机转矩值，得到电机所需的电流，电机控制系统输出所需的电流给电机，使得所述电机能够输出分析所需的电机转矩给机车机械系统模型；转子转速反馈：将所述机车机械系统模型反馈的电机转子转速输入给所述电机。该仿真分析装置用于执行上述的仿真分析方法。本发明专利技术所提供的仿真分析方法实现了机车驱动系统的机电耦合。

Locomotive dynamics simulation analysis method and device based on electromechanical coupling of driving system

【技术实现步骤摘要】
基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法及装置
本专利技术涉及机车动力学分析领域，特别是一种基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法及装置。
技术介绍
电机作为一种电能和机械能相互转换的电磁装置，其主要作用是将电能通过定子与转子之间的电磁耦合作用产生驱动转矩，具有调速宽、体积小、效率高和稳态转速误差小等优点。而齿轮传动系统作为机械传动系统的重要组成部分，具有传动比恒定、结构紧凑、传动效率和可靠性高等优点。以电机和机械传动系统为核心的驱动系统被广泛运用于铁路机车、电动汽车、机床、航天、航海、工程机械等领域。对于铁路机车而言，牵引电机电系统的参数波动，例如电流、电压谐波干扰等将对输出的电磁力矩产生影响，从而影响机车机械传动系统的动态性能；同时，机械传动系统由于外部或内部激励，例如轨道不平顺，齿轮传动系统时变啮合刚度与传动误差等将对牵引电机的电系统动态行为产生影响；二者紧密耦合在一起，表现出十分复杂的动力学特性。因此，在科学研究和工程实践中十分有必要对机车驱动系统机电耦合动力学特性进行分析，这对从系统角度开展机车整车动力系统的匹配设计具有重要意义。而现有的技术往往将机车电系统与机械系统分开考虑，缺乏综合考虑机电耦合的机车系统动力学仿真分析方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法及装置。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，包括以下步骤：电机转矩计算：根据操纵级位和运行速度计算机车所需牵引力，并根据所述所需牵引力得到电机转矩；输出电机转矩：根据所述电机转矩计算步骤中得到的电机转矩值，得到电机所需的电流，电机控制系统输出所需的电流给电机，使得所述电机能够输出分析所需的电机转矩给机车机械系统模型；转子转速反馈：将所述机车机械系统模型反馈的电机转子转速输入给所述电机。本专利技术提供的上述方案中，将电机的转矩输出给机车机械系统模型，并将机车机械系统模型反馈的电机转子转速作为电机的机械输入。由于电机本身是一个机电耦合模型，其一端通过电机控制系统输出电流驱动，并通过电机转速控制，另一端输出转矩给机械系统。通过上述方式，形成了机车驱动系统的机电耦合，揭示电系统和机械系统机电耦合下的机车动力学特性，此外，本专利技术提供的方法中，可以通过电机反应机车机械系统的健康状态，从而为电机作为一种传感器实时监测机车机械传动系统健康状态应用于工程实践奠定理论研究基础。作为本专利技术的优选方案，在所述步骤根据所述所需牵引力得到电机转矩之后：在所述电机转矩计算步骤中，根据所述所需牵引力得到电机转矩之后，还包括以下步骤：根据机车的轮对角速度和车速判断机车是否进行打滑，并进行滑移控制，从而调整计算所得的电机转矩；在所述输出电机转矩步骤中：根据调整后的电机转矩值，得到电机所需的电流。通过上述的方案，使得机车机械系统模型所接受到的电机转矩更加符合实际情况。作为本专利技术的优选方案，在所述输出电机转矩步骤中，具体的流程是：根据计算得到的电机转矩值确定控制信号，将控制信号输入给间接转子磁链定向控制器，整流器整流后的直流电源经过逆变器以及间接转子磁链定向控制器的控制信号，输出三相电流给电机，从而使电机输出分析所需的电机转矩给机车机械系统模型。作为本专利技术的优选方案，所述电机将所述控制信号反馈给转矩控制器、逆变器和间接转子磁链定向控制器。作为本专利技术的优选方案，所述机车机械系统模型为机车-轨道耦合动力学模型。作为本专利技术的优选方案，所述机车机械系统模型包括车体、转向架、轮对、电机、齿轮传动系统及悬挂单元，在所述机车机械系统模型中，将所述车体、所述转向架、所述轮对和所述电机视为刚体，各个所述刚体之间通过悬挂实现相互作用。作为本专利技术的优选方案，在所述机车机械系统模型中，采用Hertz非线性弹性接触理论计算轮轨垂向接触力：其中，G为轮轨接触常数；δZ(t)为轮轨间的弹性压缩量。轮轨接触弹性压缩变形计算公式：δZ(t)＝Zw(t)-Zr(xw，t)其中，Zw，Zr分别表示车轮和轨道在轮轨接触点的垂向位移。蠕滑力计算公式：Fcreep＝P(t)·μ其中，μ是轮轨接触界面的黏着系数。作为本专利技术的优选方案，所述齿轮传动啮合力计算方法为：齿轮传动啮合力计算公式：其中，Km，Cm表示齿轮啮合刚度和阻尼。δ表示齿轮传动误差，其计算公式为：δi＝-Rpθpi-Rgθgi+(-1)l(Zmi-Zwi)cosα0-(-1)l(Xmi-Xwi)sinα0-b0-ei其中，R和θ分别表示齿轮的基圆半径和角位移；p和g分别表示小齿轮和大齿轮；e表示制造和装配误差；i表示第i位电机。作为本专利技术的优选方案，建立包括齿轮传动系统在内的机车运动方程组：其中，M，C和K分别表示质量，阻尼和刚度矩阵；X(t)，和分别表示位移，速度和加速度向量；F(t)表示外部激励力，包括轮轨相互作用力、齿轮啮合力；求解上述机车运动方程组。一种基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析装置，其包括处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行上述的方法。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的上述方案中，将电机的转矩输出给机车机械系统模型，并将机车机械系统模型反馈的电机转子转速作为电机的机械输入。由于电机本身是一个机电耦合模型，其一端通过电机控制系统输出电流驱动，并通过电机转速控制，另一端输出转矩给机械系统。通过上述方式，形成了机车驱动系统的机电耦合，揭示电系统和机械系统机电耦合下的机车动力学特性，此外，本专利技术提供的方法中，可以通过电机反应机车机械系统的健康状态，从而为电机作为一种传感器实时监测机车机械传动系统健康状态应用于工程实践奠定理论研究基础。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基于驱动系统机电耦合的机车动力学分析仿真分析方法的示意图。图2是本专利技术实施例提供的电机电系统的示意图。图3是本专利技术实施例提供的机车机械系统的示意图。图4是本专利技术运算实例中的机车牵引特性曲线。图5是本专利技术运算实例中得到的电机转子角加速度频谱图。图6是本专利技术运算实例中得到的电机垂向加速度频谱图。图7是本专利技术运算实例中提供的电机定子a相电流频谱图。图8是本专利技术运算实例中提供的齿轮有裂纹故障时电机定子a相电流频谱图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术作详细的说明。为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。...

【技术保护点】
1.基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：/n电机转矩计算：根据操纵级位和运行速度计算机车所需牵引力，并根据所述所需牵引力得到电机转矩；/n输出电机转矩：根据所述电机转矩计算步骤中得到的电机转矩值，得到电机所需的电流，电机控制系统输出所需的电流给电机，使得所述电机能够输出分析所需的电机转矩给机车机械系统模型；/n转子转速反馈：将所述机车机械系统模型反馈的电机转子转速输入给所述电机。/n

【技术特征摘要】
20191213 CN 20191128604101.基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
电机转矩计算：根据操纵级位和运行速度计算机车所需牵引力，并根据所述所需牵引力得到电机转矩；
输出电机转矩：根据所述电机转矩计算步骤中得到的电机转矩值，得到电机所需的电流，电机控制系统输出所需的电流给电机，使得所述电机能够输出分析所需的电机转矩给机车机械系统模型；
转子转速反馈：将所述机车机械系统模型反馈的电机转子转速输入给所述电机。


2.根据权利要求1所述的基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，其特征在于，在所述电机转矩计算步骤中，根据所述所需牵引力得到电机转矩之后，还包括以下步骤：
根据机车的轮对角速度和车速判断机车是否进行打滑，并进行滑移控制，从而调整计算所得的电机转矩；
在所述输出电机转矩步骤中：
根据调整后的电机转矩值，得到电机所需的电流。


3.根据权利要求1所述的基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，其特征在于，在所述输出电机转矩步骤中：
根据计算得到的电机转矩值确定控制信号，将控制信号输入给间接转子磁链定向控制器，整流器整流后的直流电源经过逆变器以及间接转子磁链定向控制器的控制信号，输出三相电流给电机，从而使电机输出分析所需的电机转矩给机车机械系统模型。


4.根据权利要求3所述的基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，其特征在于，所述电机将所述控制信号反馈给转矩控制器、逆变器和间接转子磁链定向控制器。


5.根据权利要求1所述的基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，其特征在于：
所述机车机械系统模型为机车-轨道耦合动力学模型。


6.根据权利要求5所述的基于驱动系统机电耦合的机车动力学仿真分析方法，其特征在于：
所述机车机械系统模型包括车体、转向架、轮对、电机、齿轮传动系统及悬挂单元，在所述机车机械系...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈再刚，周子伟，刘禹清，王开云，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51