劉桓龍 ，李 順 ，謝遲新

（1.西南交通大學(xué)先進(jìn)驅(qū)動節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

蓄電池軌道工程車具備無排放和低噪音的特點，在城市軌道交通建設(shè)與運營維護(hù)中具有廣闊的應(yīng)用前景.由于軌道工程車低速、重載和頻繁啟停工況占比較大，導(dǎo)致牽引電機(jī)工作效率低、啟動電流大，嚴(yán)重影響蓄電池使用性能、壽命及車輛續(xù)航里程，抑制或削弱軌道工程車牽引電機(jī)啟動電流是實現(xiàn)車輛節(jié)能的重要手段之一.

永磁同步電機(jī)以高效率、高啟動扭矩、寬調(diào)速范圍和強(qiáng)過載能力等優(yōu)勢已廣泛用作各類軌道車輛的牽引電機(jī).關(guān)于電機(jī)的啟動電流控制問題，相關(guān)學(xué)者主要在電力電子控制方向進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定的研究成果.文獻(xiàn)[1]為解決異步牽引電機(jī)啟動電流過大提出了一種抑制電機(jī)啟動峰值電流的轉(zhuǎn)矩和磁鏈同步控制策略，可降低2/3 的啟動峰值電流；文獻(xiàn)[2]提出了基于電流幅值變斜率遞減的改進(jìn)三段式控制方式，可實現(xiàn)電機(jī)切換過程平滑及平穩(wěn)啟動，以避免傳統(tǒng)無位置傳感器啟動時出現(xiàn)過電流、電機(jī)反轉(zhuǎn)的情況；文獻(xiàn)[3]為解決異步電機(jī)啟動電流大，設(shè)計了一種以DSP 為控制器的晶閘管移相的軟啟動方式，可實現(xiàn)電機(jī)平滑啟動、降低啟動電流和避免啟動過流跳閘；文獻(xiàn)[4]提出利用反電動勢過零檢測法實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測，并利用三段式啟動法完成電機(jī)啟動，實現(xiàn)了電機(jī)平穩(wěn)啟動且對轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化響應(yīng)快.現(xiàn)有研究側(cè)重從電機(jī)電啟動的控制方式、算法策略、參數(shù)優(yōu)化等角度抑制電機(jī)啟動過流、改善啟動性能，幾乎未見采用外部方式輔助電機(jī)啟動以降低啟動電流或改善啟動性能的相關(guān)研究成果.作者研究團(tuán)隊為降低液壓泵站異步電機(jī)直接啟動時的峰值電流，提出了一種以液壓泵工作在馬達(dá)工況下逆向驅(qū)動電機(jī)的輔助啟動方案，并分析了蓄能器關(guān)鍵參數(shù)對電機(jī)啟動電流的影響[5].

結(jié)合靜液壓傳動高功率密度和蓄能器高能量再生效率優(yōu)勢而提出的電液混合動力系統(tǒng)能有效提升蓄電池軌道工程車的動力學(xué)性能和能量回收效率[6].為降低電機(jī)啟動電流，提出了一種利用液壓泵/馬達(dá)逆向驅(qū)動的電機(jī)啟動電流控制新方法，通過液壓泵/馬達(dá)將電機(jī)驅(qū)動至一定初始轉(zhuǎn)速時接通電源啟動電機(jī)（帶速啟動電機(jī)），以此來抑制或削弱電機(jī)啟動電流.針對永磁同步牽引電機(jī)帶速啟動控制，采用無位置傳感器矢量控制，結(jié)合兩次短路電流矢量法對電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置進(jìn)行計算，仿真分析了對電機(jī)帶速啟動時電流大小和轉(zhuǎn)速響應(yīng)的影響因素.

1 電機(jī)啟動電流控制原理

1.1 蓄電池軌道工程車的電液混合動力系統(tǒng)

電液混合動力系統(tǒng)是在純電驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上結(jié)合靜液壓傳動（HST）和液壓蓄能器而構(gòu)成的新型車輛動力系統(tǒng)，兼具蓄電池的高比能量、HST 的高比功率和蓄能器的高能量再生效率優(yōu)勢.電液混合動力系統(tǒng)原理如圖1 所示.

圖1 電液混合動力系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of electro-hydrostatic hydraulic hybrid powertrain

電液混合動力系統(tǒng)通過機(jī)械能—液壓能—機(jī)械能的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了牽引電機(jī)與轉(zhuǎn)向架的機(jī)械解耦，有利于改善電機(jī)運行狀態(tài)，提高電機(jī)驅(qū)動效率.系統(tǒng)具備能量回收與釋放功能，在車輛制動或下坡時，主馬達(dá)工作于泵工況，產(chǎn)生液壓制動扭矩，同時高壓蓄能器以液壓能的形式回收車輛動能.蓄能器回收的能量在車輛啟動或加速時釋放利用，用來改善車輛動力性能和能量利用效率.

1.2 基于液壓泵/馬達(dá)逆向驅(qū)動的電機(jī)啟動

軌道工程車質(zhì)量龐大，在制動或下坡時可回收的能量可觀，作者研究團(tuán)隊已對電液混合動力軌道工程車的再生和復(fù)合制動特性進(jìn)行了相關(guān)研究，蓄能器在軌道車減速制動時能以液壓能的形式高效回收和儲存車輛動能[7].基于液壓泵/馬達(dá)逆向驅(qū)動的電機(jī)啟動電流控制方法原理如圖2，其中：Tp為電機(jī)驅(qū)動扭矩；Te為永磁同步電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩.

圖2 電機(jī)啟動電流控制原理Fig.2 Principle of motor starting current control

在液壓逆向驅(qū)動時，蓄能器在液壓泵/馬達(dá)的入口釋放高壓油液驅(qū)動液壓泵/馬達(dá)工作在馬達(dá)工況，逆向驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，采用比例閥調(diào)節(jié)蓄能器放液流量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速.電機(jī)被驅(qū)動至目標(biāo)轉(zhuǎn)速時，關(guān)閉蓄能器的同時接通逆變器給電機(jī)通電.此時，液壓泵/馬達(dá)切換為泵工況，成為電機(jī)的液壓負(fù)載，由電機(jī)在電力驅(qū)動狀態(tài)下輸出電磁扭矩克服液壓負(fù)載及相關(guān)阻尼運行.

帶速啟動電機(jī)時電機(jī)運動學(xué)方程為

式中：TL為電機(jī)負(fù)載扭矩；J為折算至電機(jī)端的轉(zhuǎn)動慣量；B為電機(jī)阻尼系數(shù)；ωm為電機(jī)角速度；t為時間.

液壓能逆向驅(qū)動電機(jī)時，蓄能器提供的液壓能經(jīng)液壓泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動電機(jī)，液壓泵/馬達(dá)提供的電機(jī)驅(qū)動扭矩為式中：Δp為液壓泵/馬達(dá)工作在馬達(dá)工況時的進(jìn)出口壓差；V為液壓泵/馬達(dá)排量；ηm為液壓泵/馬達(dá)機(jī)械效率.

液壓能逆向驅(qū)動電機(jī)時的電機(jī)運動方程為

由式（3）可知，電機(jī)啟動過程中的慣量扭矩由蓄能器驅(qū)動液壓泵/馬達(dá)提供.電機(jī)被驅(qū)動至目標(biāo)轉(zhuǎn)速時關(guān)閉蓄能器，同時接通電機(jī)電源，此時液壓泵/馬達(dá)將成為電機(jī)的負(fù)載，Tp由電機(jī)輸出電磁扭矩提供.永磁同步電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩為

式中：pn為電機(jī)極對數(shù)；id和iq分別為d軸和q軸電流；Ld和Lq分別為d軸和q軸電感；ψf為永磁體磁鏈.

由式（4）可知，在采用id=0 的矢量控制方式時，q軸電流能有效反映電機(jī)輸出電磁扭矩大小.

電機(jī)被液壓能逆向驅(qū)動至穩(wěn)定狀態(tài)時的運動方程為

式中：Δp′為液壓泵/馬達(dá)工作在泵工況時的進(jìn)、出口壓力差.

由式（5）可知：電機(jī)被液壓能逆向驅(qū)動至目標(biāo)轉(zhuǎn)速并接通電源后，電機(jī)輸出的電磁扭矩不用克服前段加速過程中的慣量扭矩，避免產(chǎn)生較大的啟動電流.

2 基于矢量控制的電機(jī)帶速啟動

永磁同步電機(jī)廣泛采用矢量控制方式，實現(xiàn)矢量控制必須準(zhǔn)確獲知轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置，傳統(tǒng)的位置傳感器將導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加和可靠性下降.無位置傳感器控制技術(shù)則通過檢測電機(jī)繞組中有關(guān)電信號，采用一定的控制算法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的計算，目前常用的算法包括滑模觀測器算法[8-9]、模型參考自適應(yīng)控制算法[10]和擴(kuò)展卡爾曼濾波器算法[11]等.電機(jī)帶速啟動時，為使電機(jī)平穩(wěn)和可靠運行，需獲知電機(jī)在啟動時刻和運行時的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置，在此基礎(chǔ)上結(jié)合矢量控制方式控制電機(jī)運行.

2.1 逆向驅(qū)動時電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

在液壓逆向驅(qū)動階段，蓄能器在液壓泵/馬達(dá)的入口釋放高壓油液，液壓泵/馬達(dá)工作在馬達(dá)工況，其轉(zhuǎn)速為

式中：Q為蓄能器放液流量；ηv為液壓泵/馬達(dá)容積效率.

囊式蓄能器的工作特性導(dǎo)致放液時壓力和流量隨時間變化，為使電機(jī)被液壓泵/馬達(dá)逆向驅(qū)動時轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，需對蓄能器放液流量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制.采用PID（比例積分微分）控制方式，以Q為控制目標(biāo)，控制比例流量閥閥口開度，蓄能器放液流量作為反饋信號，PID 控制原理如圖3 所示，圖中：Q*為目標(biāo)流量；KP、TI和TD分別為比例增益、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)；eQ為流量偏差；S為微分算子.

圖3 PID 控制原理Fig.3 Principle of PID controller

2.2 短路電流法計算轉(zhuǎn)子初始轉(zhuǎn)速和位置

電機(jī)未啟動時繞組中沒有電流，無法通過電信號有效估算出電機(jī)轉(zhuǎn)速及位置，但永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈由永磁體提供，電機(jī)被液壓泵/馬達(dá)逆向驅(qū)動（未通電）時定子繞組中將產(chǎn)生反電動勢，且反電動勢的幅值與轉(zhuǎn)速成正比[12].將逆變器的上或下橋臂全部接通進(jìn)行瞬時短路，則由反電動勢產(chǎn)生的短路電流中具有反映轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置的相關(guān)信息.通過兩次短路時的短路電流、短路時間及間隔可計算出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置，其原理如圖4 所示.

在第1 次瞬時短路時，由電流傳感器可檢測短路結(jié)束時刻三相繞組中的電流iA、iB、iC.通過Clark 變換，可將三相靜止坐標(biāo)系中電流轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系下電流iα、iβ，圖4（a）中定子電流is1的相位角 θ1為

同理可得在第2 次短路結(jié)束時刻定子電流is2的相位 θ2.在兩次短路時間間隔 τ 和第2 次短路時間tshort內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為 θ2-θ1.電機(jī)在接通電源前已經(jīng)被液壓泵/馬達(dá)逆向驅(qū)動至相對穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，可到電機(jī)的電角速度和轉(zhuǎn)速分別為

由圖4（b）可知，在第2 次短路結(jié)束時刻轉(zhuǎn)子位置為

圖4 兩次短路電流法計算電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置原理Fig.4 Principle of calculating motor speed and rotor position based on two short circuit methods

式中：θ0為定子電流在dq坐標(biāo)系下的相位角.

θ2可由式（7）確定，為了求解出 θ，列出永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

式中：ud為直軸的電壓；uq為交軸的電壓；R為定子電阻；ψd為d軸磁鏈分量；ψq為q軸磁鏈分量.

在忽略電機(jī)定子壓降的情況下[13]，由式（10）和式（11）可得瞬時短路時定子電流在dq坐標(biāo)系下的響應(yīng)為

在零初始狀態(tài)條件下求解微分方程（12），可得dq軸電流為

由式（13）可知，dq軸電流僅與電角速度和短路時間有關(guān)，將由式（8）計算的電角速度與設(shè)定的短路時間代入式（13）即可完全確定dq軸電流，則 θ0為

電機(jī)被液壓泵/馬達(dá)逆向驅(qū)動時，可由式（7）～式（14）計算出電機(jī)轉(zhuǎn)速及位置.為了獲得較高的計算精度，短路時間及兩次短路時間間隔選擇作如下考慮：在第2 次短路時應(yīng)確保經(jīng)過間隔時間τ，繞組電流已衰減至0；在短路時間tshort內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度應(yīng)不大30°[13].

針對電機(jī)運行過程中的斷電重投，文獻(xiàn)[12]、[14-15]采用短路電流矢量法判斷重投時刻的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，并通過仿真與試驗驗證了短路電流法的有效性.

2.3 無位置傳感器矢量控制

電液混合動力系統(tǒng)實現(xiàn)了牽引電機(jī)和轉(zhuǎn)向架的機(jī)械解耦，車速變化通過調(diào)節(jié)泵/馬達(dá)排量比實現(xiàn)，使電機(jī)得以持續(xù)運行在高效率區(qū)間，電機(jī)啟動后將運行于額定轉(zhuǎn)速附近.采用定子磁鏈積分法可有效估算電機(jī)轉(zhuǎn)速及位置，具有運算量少、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，能避免低速階段的不準(zhǔn)確性.基于定子磁鏈的無位置傳感器矢量控制如圖5 所示，SVPWM 為空間矢量脈寬調(diào)制，圖中帶星號上標(biāo)的符號為對應(yīng)的期望值.

圖5 基于定子磁鏈的無位置傳感器矢量控制Fig.5 Position sensorless vector control based on stator flux

為實現(xiàn)定子磁鏈積分法對電機(jī)位置及轉(zhuǎn)速的計算，永磁同步電機(jī)電壓及電磁轉(zhuǎn)矩為

式中：is為定子電流；ψs為定子磁鏈.

將電機(jī)電壓方程表示為兩相靜止坐標(biāo)系下的分量，并對反電勢進(jìn)行積分，可得

式中：uα為 α 軸電壓分量；uβ為 β 軸電壓分量.

定義d軸的有效磁鏈為

由式（21）可計算出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角和角速度，然后由式（8）可計算出電機(jī)轉(zhuǎn)速.盡管采用上述方法能簡單、快速的估算出電機(jī)轉(zhuǎn)速及位置，但由于純積分器對 αβ 軸方向分量積分時將會產(chǎn)生直流偏移和初始值偏差.針對該問題，文獻(xiàn)[14]采用改進(jìn)型積分器能有效抑制飽和與直流偏移，并且實現(xiàn)相位與幅值的補(bǔ)償.為提高估算精度，本文采用如圖6 所示的改進(jìn)型積分器代替原有的純積分，圖中：ωc為截止頻 率.

圖6 改進(jìn)型積分器Fig.6 Improved integrator

3 電機(jī)啟動特性仿真分析

3.1 仿真模型

利用AMESim 與MATLAB/Simulink 的聯(lián)合仿真計算電機(jī)的啟動特性，仿真模型如圖7 所示，PWM 為脈寬調(diào)制.

圖7 聯(lián)合仿真模型Fig.7 Co-simulation model

圖7（a）為液壓泵/馬達(dá)逆向驅(qū)動電機(jī)時的仿真物理模型，采用PID 控制蓄能器放液流量，通過調(diào)節(jié)溢流壓力和液壓泵/馬達(dá)排量模擬電機(jī)啟動阻力和負(fù)載.圖7（b）為電機(jī)帶速啟動控制模型，包括基于兩次短路電流法的電機(jī)初始轉(zhuǎn)速及位置計算算法和無位置傳感器矢量控制算法.

仿真模型參數(shù)設(shè)置見表1.

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Simulation parameters

3.2 仿真結(jié)果分析

以表1 所設(shè)置的仿真參數(shù)為例，分析電機(jī)在直接啟動、帶速啟動以及不同初始轉(zhuǎn)速和負(fù)載情況下的電機(jī)啟動特性，并考慮液壓參數(shù)（蓄能器充液壓力、泵/馬達(dá)排量）對電機(jī)帶速啟動性能的影響.

3.2.1 短路電流法計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置

電機(jī)帶速啟動后，在接通電源之前采用兩次短路電流法計算電機(jī)初始轉(zhuǎn)速和位置.設(shè)置短路時間為1 ms，兩次短路時間間隔為4 ms，兩次短路的作用時間分別為0.092～0.093 s 和0.097～0.098 s，短路電流如圖8 所示.

圖8 短路電流Fig.8 Short-circuit current

短路結(jié)束后短路電流逐漸衰減至0，短路電流的大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān).由兩次短路結(jié)束時刻（0.093 s 和0.098 s）的短路電流和短路時間及間隔計算的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置如圖9 所示，局部放大如圖10所示.

圖9 短路電流法計算轉(zhuǎn)子位置Fig.9 Estimating rotor position based on short-circuit current method

圖10 帶速啟動和直接啟動時電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速Fig.10 Motor current and speed of start-up with speed and direct start-up

圖9(b)中，在時刻0.098 s 計算的轉(zhuǎn)子位置與實際轉(zhuǎn)子位置能較好地重合，求導(dǎo)即可計算出電機(jī)的電角速度.因此，采用兩次短路電流法可有效計算出電機(jī)帶速啟動時刻的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速.

3.2.2 電機(jī)直接啟動和帶速啟動

電機(jī)帶速啟動時，首先由蓄能器放液驅(qū)動液壓泵/馬達(dá)從而帶動電機(jī)轉(zhuǎn)至1 500 r/min，在0.100 s 時關(guān)閉蓄能器的同時接通電機(jī)電源，電機(jī)轉(zhuǎn)速及電流分別如圖10 所示.

由圖10(a)可知：帶速啟動時采用PID 控制方式能有效控制電機(jī)被液壓泵/馬達(dá)逆向驅(qū)動時的轉(zhuǎn)速，相比于直接啟動電機(jī)，帶速啟動時電機(jī)轉(zhuǎn)速具有更快的速度響應(yīng)特性，這主要得益于蓄能器儲能的高功率密度特性，其釋放的高壓油液驅(qū)動液壓泵/馬達(dá)可提供較大的驅(qū)動扭矩；在0.100 s 關(guān)閉蓄能器的同時接通電機(jī)電源，對電機(jī)而言，液壓泵/馬達(dá)扭矩由逆向驅(qū)動階段的驅(qū)動扭矩變?yōu)殡姍C(jī)帶電驅(qū)動時的負(fù)載扭矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)略微下降，隨后很快調(diào)整至1 500 r/min，表明基于兩次短路電流法和無位置傳感器的矢量控制方式能有效控制電機(jī)的帶速啟動，且具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性.

由圖10（b）可知：帶速啟動相比直接啟動電機(jī)能有效避免電機(jī)在啟動階段的大電流，帶速啟動時，在液壓泵/馬達(dá)逆向驅(qū)動階段（0～0.100 s）由蓄能器儲能提供電機(jī)加速時的能量，此時電機(jī)未通電，有效避免電機(jī)在啟動時克服阻尼、負(fù)載和慣性負(fù)載導(dǎo)致的大電流；兩次短路時產(chǎn)生的短路電流為負(fù)，此時電機(jī)將產(chǎn)生制動扭矩，但由于作用時間極短，對電機(jī)轉(zhuǎn)速影響較小.

3.2.3 不同初始轉(zhuǎn)速下帶速啟動

為分析不同初始轉(zhuǎn)速對電機(jī)帶速啟動時電流的影響，在保持蓄能器參數(shù)和液壓泵/馬達(dá)負(fù)載一定的情況下，采用PID 控制方式將電機(jī)分別驅(qū)動至不同初始轉(zhuǎn)速（300、600、900、1 200、1 500 r/min）時接通電源，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流如圖11 所示.

結(jié)合圖11 可知：在不同初始轉(zhuǎn)速下啟動電機(jī)，初始轉(zhuǎn)速越接近于目標(biāo)轉(zhuǎn)速，電機(jī)啟動時的加速時間越短，q軸電流也越??；電機(jī)被驅(qū)動至初始轉(zhuǎn)速為1 500 r/min 時，電機(jī)啟動電流最小.仿真結(jié)果表明，在保持電機(jī)負(fù)載一致的情況下，電機(jī)啟動電流與電機(jī)初始轉(zhuǎn)速有關(guān)，初始轉(zhuǎn)速越高，啟動電流越小.

圖11 不同初始轉(zhuǎn)速下啟動電機(jī)時的轉(zhuǎn)速及q 軸電流Fig.11 Motor speed and q-axis current of starting motor at different initial speed

3.2.4 不同負(fù)載下帶速啟動

為分析不同負(fù)載對電機(jī)帶速啟動時啟動電流的影響，保持蓄能器參數(shù)和液壓泵/馬達(dá)排量不變，設(shè)置不同的溢流閥調(diào)定壓力模擬電機(jī)負(fù)載，電機(jī)帶速啟動時轉(zhuǎn)速和q軸電流如圖12 所示.

圖12 不同負(fù)載下帶速啟動時電機(jī)的轉(zhuǎn)速及 q 軸電流Fig.12 Motor speed and q-axis current at start-up with speed under different loads

由圖12(a)可知：在不同負(fù)載下帶速啟動時電機(jī)轉(zhuǎn)速能基本保持一致，表明基于短路電流法和無位置傳感器矢量控制方式的有效性.由圖12(b)可知：電機(jī)帶速啟動時能有效避免在整個啟動階段的大電流，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，其電流大小與電機(jī)負(fù)載有關(guān)，負(fù)載扭矩越大，則q軸電流越大.

3.2.5 液壓參數(shù)對帶速啟動特性的影響

結(jié)合圖11(b)和圖12(b)可知，電機(jī)帶速啟動時的啟動電流主要與電機(jī)初始轉(zhuǎn)速和負(fù)載有關(guān)，但在電機(jī)被逆向驅(qū)動階段，其速度響應(yīng)特性將受蓄能器參數(shù)和液壓泵/馬達(dá)排量等液壓參數(shù)的影響，因此進(jìn)行相關(guān)計算和分析.

不同蓄能器充液壓力下電機(jī)帶速啟動時的電機(jī)轉(zhuǎn)速和q軸電流分別如圖13 所示.

圖13 不同蓄能器充液壓力下帶速啟動時電機(jī)的轉(zhuǎn)速及 q 軸電流Fig.13 Motor speed and q-axis current when starting motor with speed under different accumulator hydraulic pressure

圖13（a）表明：蓄能器充液壓力越高，其放液時驅(qū)動液壓泵/馬達(dá)輸出的扭矩越大.由式（1）可知，電機(jī)具有更大的角加速度，其轉(zhuǎn)速響應(yīng)也更快.圖13（b）表明：由于電機(jī)負(fù)載（溢流壓力和泵/馬達(dá)排量）與初始轉(zhuǎn)速保持不變，電機(jī)q軸電流將保持一致.

不同液壓泵/馬達(dá)排量下帶速啟動時的電機(jī)轉(zhuǎn)速和q軸電流如圖14 所示.

圖14 不同馬達(dá)排量下帶速啟動時電機(jī)的轉(zhuǎn)速及q 軸電流Fig.14 Motor speed and q-axis current when starting motor with speed under different motor displacement

由圖14（a）可知：由于溢流閥調(diào)定壓力保持不變，液壓泵/馬達(dá)排量的改變將導(dǎo)致其輸出的驅(qū)動扭矩變化；排量越大，液壓泵/馬達(dá)逆向驅(qū)動電機(jī)時的扭矩越大，角加速度也越大，轉(zhuǎn)速響應(yīng)則更快.由圖14（b）可知：在逆向驅(qū)動電機(jī)結(jié)束后接通電源時，之前液壓泵/馬達(dá)提供的驅(qū)動扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)的負(fù)載扭矩，其大小與液壓泵/馬達(dá)排量和溢流閥調(diào)定壓力有關(guān)，排量越大則電機(jī)負(fù)載越大，電機(jī)q軸電流也將越大.

4 結(jié) 論

1）以電液混合動力軌道工程車為研究對象，針對電機(jī)啟動電流大的問題，提出了一種基于液壓泵/馬達(dá)逆向驅(qū)動的電機(jī)啟動電流控制新方法.

2）采用兩次短路電流法和基于定子磁鏈積分法的無位置傳感器矢量控制方式計算電機(jī)帶速啟動時的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置，實現(xiàn)電機(jī)帶速啟動的有效控制.

3）利用液壓泵/馬達(dá)逆向驅(qū)動電機(jī)的帶速啟動能有效降低電機(jī)啟動電流.啟動電流與初始轉(zhuǎn)速有關(guān)，初始轉(zhuǎn)速越高，啟動電流越?。浑姍C(jī)帶速啟動完成且穩(wěn)定后的電流大小僅與電機(jī)負(fù)載有關(guān)；液壓泵/馬達(dá)排量或蓄能器充液壓力越高，電機(jī)帶速啟動時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)越快.