列车牵引逆变器的转矩控制装置的制作方法

本发明涉及机械技术，尤其涉及一种列车牵引逆变器的转矩控制装置。

背景技术：

城市轨道交通中，牵引逆变器是城轨车辆牵引系统中的核心，主要为城轨车辆的牵引电机提供动力输出，因此牵引逆变器的工作性能决定了城轨车辆乘坐的舒适性。由于城轨车辆需要适应在不同地貌特征的城市中运行，而车辆在不同的坡道启动时，需要对牵引逆变器预施加转矩，使得车辆可以在不同的坡道平稳启动。

在现有的牵引系统试验过程中，牵引逆变器的预施加转矩设定值是通过现场反复试验得到。但是，由于车辆的线路条件不确定，单一的根据反复试验获得的预施加转矩设定值很难适应所有线路条件，进而造成车辆在坡道起动时发生抖动，或是车辆在平直道上启动出现冲动率过高的现象，从而降低车辆的乘坐舒适性，并且影响牵引逆变器的综合性能。

因此，如何针对不同的线路条件在车辆启动时为牵引逆变器施加准确的转矩值，以实现车辆在不同角度的坡道上的平稳启动，已成为技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供一种列车牵引逆变器的转矩控制装置，用于解决现有技术无法针对不同的线路条件为列车施加准确的转矩值，进而使得列车无法在不同角度的坡道上平稳启动的问题。

本发明提供一种列车牵引逆变器的转矩控制装置，包括：三轴加速度传感器、数字信号处理DSP控制器；其中，所述DSP控制器分别与所述三轴加速度传感器、牵引逆变器主控单元连接；

所述三轴加速度传感器，用于测量当前时刻所述列车的三轴加速度值，并将当前时刻所述列车的三轴加速度值发送给所述DSP控制器；

所述DSP控制器，用于根据当前时刻所述列车的三轴加速度值确定当前时刻所述列车的倾斜角，并根据从所述牵引逆变器主控单元中获得的当前时刻所述列车的载重信息和所述倾斜角确定当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值，并将所述转矩补偿值发送给所述牵引逆变器主控单元，以使所述牵引逆变器主控单元根据所述转矩补偿值和当前时刻的预设转矩值得到实际转矩值并输出给所述牵引逆变器。

进一步的，所述三轴加速度传感器，还用于在所述转矩控制装置安装在所述列车上之后，测量所述三轴加速度传感器的初始三轴加速度值，并将所述初始三轴加速度值发送给所述DSP控制器；

所述DSP控制器，还用于根据所述初始三轴加速度值，确定所述三轴加速度传感器的初始倾斜角。

可选的，所述转矩控制装置还包括数据存储单元；

所述数据存储单元，用于保存所述DSP控制器发送的所述三轴加速度传感器的初始倾斜角，并在所述转矩控制装置重新得电时，将所述三轴加速度传感器的初始倾斜角发送给所述DSP控制器。

进一步的，若所述初始倾斜角不等于0，则所述DSP控制器，用于根据当前时刻所述列车的三轴加速度值确定当前时刻所述列车的倾斜角，具体包括：

所述DSP控制器，用于根据所述三轴加速度传感器的初始倾斜角和当前时刻所述列车的三轴加速度值，确定当前时刻所述列车的倾斜角。

可选的，所述转矩控制装置还包括水平校准单元，所述水平校准单元用于校准所述转矩控制装置在所述列车上的安装位置的水平度。

进一步的，所述DSP控制器，具体用于根据公式确定所述列车在X方向的倾斜角α，根据公式确定所述列车在Y方向的倾斜角β，根据公式确定所述列车在Z方向的倾斜角γ；

其中，所述A_X为所述三轴加速度传感器测量的所述列车在X方向的加速度值，所述A_Y为所述三轴加速度传感器测量的所述列车在Y方向的加速度值，A_Z为所述三轴加速度传感器测量的所述列车在Z方向的加速度值。

进一步的，所述DSP控制器，具体用于根据公式F＝K₁×m×g×cos(α)+K₂和T＝F×A₁×A₂×K₁+K₂确定当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值；

其中，所述F为所述牵引逆变器的牵引力补偿值，所述T为当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值，所述m为所述列车的载重，所述g为重力加速度，所述K₁、K₂为所述牵引逆变器的补偿系数，所述A₁为所述列车的车轮半径，所述A₂为所述列车的齿轮箱传动比。

可选的，所述转矩控制装置还包括显示器，所述显示器与所述DSP控制器连接，用于显示当前时刻所述列车的倾斜角。

可选的，所述三轴加速度传感器通过串行外设接口SPI总线与所述DSP控制器连接。

可选的，所述DSP控制器通过控制器局域网络CAN总线与所述牵引逆变器主控单元连接。

本发明提供的列车牵引逆变器的转矩控制装置，通过将DSP控制器分别与三轴加速度传感器、牵引逆变器主控单元连接，其中三轴加速度传感器，用于测量当前时刻列车的三轴加速度值，并将当前时刻列车的三轴加速度值发送给DSP控制器；DSP控制器，用于根据当前时刻列车的三轴加速度值确定当前时刻列车的倾斜角，并根据从牵引逆变器主控单元中获得的当前时刻列车的载重信息和倾斜角确定当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值，并将该转矩补偿值发送给牵引逆变器主控单元，以使牵引逆变器主控单元根据该转矩补偿值和当前时刻的预设转矩值得到实际转矩值并输出给牵引逆变器。这样使得牵引逆变器根据该实际转矩值对牵引电机输出准确的电信号，进而使得牵引电机带动列车平稳启动，从而提高了乘客的乘车舒适性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的列车牵引逆变器的转矩控制装置实施例一的结构示意图；

图1a为本发明提供的牵引逆变器控制装置的结构示意图；

图2为本发明提供的列车牵引逆变器的转矩控制装置实施例二的结构示意图；

图3为本发明提供的列车牵引逆变器的转矩控制装置实施例三的结构示意图。

附图标记：

100：转矩控制装置；

10：三轴加速度传感器；

20：DSP控制器；

30：数据存储单元；

40：水平校准单元；

50：显示器；

60：加速度传感器电源电路；

70：DSP电源电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明所述的列车可以是火车、动车、城轨车辆等。

本发明提供的列车牵引逆变器的转矩控制装置，适用于任何型号的列车，用于解决现有技术无法针对不同的线路条件为列车施加准确的转矩值，进而使得列车无法在不同角度的坡道上平稳启动的问题。

本发明的技术方案，通过将三轴加速度传感器和DSP控制器结合，使得三轴加速度传感器实时监测列车的三轴加速度值，并将列车的三轴加速度值发送给数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)控制器，DSP控制器根据列车的三轴加速度值和列车的载重信息，计算获得当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值，并将该转矩补偿值发送给牵引逆变器主控单元，使得牵引逆变器主控单元为牵引逆变器输出准确的转矩值，进而实现列车的平稳启动。

需要说明的是，本实施例所述的转矩控制装置指的是本发明的列车牵引逆变器的转矩控制装置。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本发明提供的列车牵引逆变器的转矩控制装置实施例一的结构示意图，图1a为本发明提供的牵引逆变器控制装置的结构示意图。如图1所示，本实施例的列车牵引逆变器的转矩控制装置100包括：三轴加速度传感器10、数字信号处理DSP控制器20；其中，所述DSP控制器20分别与所述三轴加速度传感器10、牵引逆变器主控单元连接；所述三轴加速度传感器10，用于测量当前时刻所述列车的三轴加速度值，并将当前时刻所述列车的三轴加速度值发送给所述DSP控制器20；所述DSP控制器20，用于根据当前时刻所述列车的三轴加速度值确定当前时刻所述列车的倾斜角，并根据从牵引逆变器主控单元中获得的当前时刻所述列车的载重信息和所述倾斜角确定当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值，并将所述转矩补偿值发送给所述牵引逆变器主控单元，以使所述牵引逆变器主控单元根据所述转矩补偿值和当前时刻的预设转矩值得到实际转矩值并输出给所述牵引逆变器。

需要说明的是，本实施例的列车牵引逆变器的转矩控制装置100设置在牵引逆变器控制装置中，并与牵引逆变器主控单元连接，而牵引逆变器主控单元与列车的自动控制系统(Automatic Train Control，简称ATC)连接，进而使得ATC通过列车网络将列车的载重信息发送给牵引逆变器主控单元。此时，当DSP控制器20需要获得列车的载重信息时，DSP控制器20则可以从牵引逆变器主控单元中实时读取列车的载重信息。

具体的，如图1和图1a所示，本实施例的转矩控制装置100包括三轴加速度传感器10、DSP控制器20，其中，DSP控制器20分别与三轴加速度传感器10、牵引逆变器主控单元连接。

在本实施例中，可选的，DSP控制器20可以选用德州仪器(Texas Instruments，简称TI)公司生产的TMS320F28X系列高性能浮点运算型芯片，主要用于同三轴加速度传感器10实时通讯，并对得到的列车的三轴加速度值进行数字信号处理，计算当前时刻列车的倾斜角。

可选的，本实施例的三轴加速度传感器10可以选用美国AD公司生产的ADXL系列的数字量三轴加速度传感器10，用于实时检测列车所处位置的X、Y、Z三个轴向的加速度值，并与DSP控制器20实时通讯。该数字量三轴加速度传感器10无需外围的模拟量器件，仅需要同DSP相连，其外围接口简单，抗干扰能力强。

在实际的使用过程中，三轴加速度传感器10测量当前时刻列车所处位置的X、Y、Z三个轴向的加速度值，并将列车当前时刻的三轴加速度值发送给DSP控制器20。DSP控制器20接收到三轴加速度传感器10发送的当前时刻列车的三轴加速值后，根据列车的当前时刻的三轴加速度值计算当前时刻列车的倾斜角。同时，DSP控制器20从牵引逆变器主控单元处获得当前时刻列车的载重信息。接着，DSP控制器20根据当前时刻列车的倾斜角和载重信息，计算当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值。然后，DSP控制器20将计算得到的当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值发送给牵引逆变器主控单元。牵引逆变器主控单元接收到DSP控制器20发送的当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值后，牵引逆变器主控单元对牵引逆变器的预设转矩值进行动态补偿。具体是牵引逆变器主控单元将当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值和当前时刻牵引逆变器的预设转矩值进行相加，获得牵引逆变器需要的实际转矩值，并将该实际转矩值发送给牵引逆变器，使得牵引逆变器根据该实际转矩值对牵引电机输出准确的电信号，进而使得牵引电机根据该准确的电信号带动列车平稳启动，从而提高了乘客的乘车舒适性。

可选的，本实施例中，DSP控制器20根据列车的三轴加速度值计算列车当前时刻的倾斜角的方法可以是根据三轴各自的加速度值经过相关的几何关系计算获得列车的三轴各自的倾斜角，再将三轴各自的倾斜角进行几何相加处理得到当前时刻列车的倾斜角。可选的，DSP控制器20还可以根据列车当前时刻的三轴加速度值，直接计算获得当前时刻列车的倾斜角。本实施例对DSP控制器20根据列车当前时刻的三轴加速度值计算列车当前时刻的倾斜角的具体计算公式不做限制。

同时，本实施例对DSP控制器20根据列车的当前时刻的载重信息和列车的倾斜角计算牵引逆变器的转矩补偿值的具体公式也不做限制。即，DSP控制器20可以将列车的载重信息和列车的倾斜角在三个轴向方向上进行分解，获得列车在三个轴向方向上各种对应的列车载重信息和倾斜角(即列车在X、Y、Z轴方向上的各自的载重信息和倾斜角)。接着，DSP控制器20根据列车在各自轴向上的载重信息和倾斜角，计算牵引逆变器在三个轴向方向上各自对应的转矩补偿值。最后，再将牵引逆变器在三个轴向方向上各自对应的转矩补偿值进行合并，获得当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值。可选的，DSP控制器20还可以根据列车当前时刻的载重信息和倾斜角直接计算获得牵引逆变器的转矩补偿值。

本发明提供的列车牵引逆变器的转矩控制装置，通过将DSP控制器分别与三轴加速度传感器、牵引逆变器主控单元连接，其中三轴加速度传感器，用于测量当前时刻列车的三轴加速度值，并将当前时刻列车的三轴加速度值发送给DSP控制器；DSP控制器，用于根据当前时刻列车的三轴加速度值确定当前时刻列车的倾斜角，并根据从牵引逆变器主控单元中获得的当前时刻列车的载重信息和倾斜角确定当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值，并将该转矩补偿值发送给牵引逆变器主控单元，以使牵引逆变器主控单元根据该转矩补偿值和当前时刻的预设转矩值得到实际转矩值并输出给牵引逆变器。这样使得牵引逆变器根据该实际转矩值对牵引电机输出准确的电信号，进而使得牵引电机带动列车平稳启动，从而提高了乘客的乘车舒适性。

图2为本发明提供的列车牵引逆变器的转矩控制装置实施例二的结构示意图。在上述实施例的基础上，为了进一步提高计算牵引逆变器施预施加转矩的准确性，则本实施例的三轴加速度传感器10，还用于在转矩控制装置100安装在列车上之后，测量三轴加速度传感器10的初始三轴加速度值，并将该初始三轴加速度值发送给DSP控制器20；对应的，DSP控制器20，还用于根据该初始三轴加速度值，确定三轴加速度传感器10的初始倾斜角。同时，如图2所示，本实施例的转矩控制装置100还包括数据存储单元30，该数据存储单元30，用于保存DSP控制器20发送的三轴加速度传感器10的初始倾斜角，并在转矩控制装置100重新得电时，将三轴加速度传感器10的初始倾斜角发送给DSP控制器20。

在本实施例中，为了提高DSP控制器20根据当前时刻三轴加传感器测量的三轴加速度值来确定当前时刻列车的倾斜角的准确性，则需要将三轴加速度传感器10的初始倾斜角(即三轴加速度传感器10的安装倾斜角)减去，进而得到当前时刻列车的实际倾斜角。

具体的，当转矩控制装置100安装到列车上(即三轴加速度传感器10安装到列车上)之后，三轴加速度传感器10测量此时自己的初始三轴加速度值，并将此时自己的初始三轴加速度值发送给DSP控制器20。DSP控制器20接收到三轴加速度传感器10发送的初始三轴加速度值，并根据该初始三轴加速度值计算获得三轴加速度传感器10的初始倾斜角。

接着，DSP控制器20将三轴加速度传感器10的初始倾斜角发送给数据存储单元30，数据存储单元30保存三轴加速度传感器10的初始倾斜角，并且在转矩控制装置100再次得电时，将三轴加速度传感器10的初始倾斜角发送给DSP控制器20，使得DSP控制器20根据三轴加速度和初始倾斜角和三轴加速度传感器10测量的当前时刻列车的三轴加速度值，计算获得当前时刻列车的实际倾斜角，并根据该列车的实际倾斜角计算当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值，进而提高了计算当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值的准确性，从而进一步提高了列车的平稳启动。

可选的，本实施例的数据存储单元30可以是采用非易失性的铁电存储器。

本实施例中，若所述初始倾斜角不等于0，则DSP控制器20，用于根据当前时刻列车的三轴加速度值确定当前时刻列车的倾斜角，具体可以包括：DSP控制器20根据三轴加速度传感器10的初始倾斜角和当前时刻列车的三轴加速度值，确定当前时刻列车的倾斜角。

举例说明，假设三轴加速度传感器10的初始倾斜角为0.2°，而DSP根据三轴加速度传感器10测量的列车在时刻T的三轴加速度值而计算获得的列车的倾斜角为1°，则列车在时刻T的实际倾斜角为1°-0.2°＝0.8°而不是1°。这样，DSP控制器20则根据列车在时刻T的实际倾斜角0.8°来计算牵引逆变器在时刻T的转矩补偿值，进而提高了计算牵引逆变器的转矩补偿值的准确性，从而提高了列车的平稳启动性和乘客的乘车舒适性。

进一步的，在本实施例中，DSP控制器20可以根据公式确定列车在X方向的倾斜角α，根据公式确定列车在Y方向的倾斜角β，根据公式确定列车在Z方向的倾斜角γ。

其中，上述A_X为三轴加速度传感器10测量的列车在X方向的加速度值，上述A_Y为三轴加速度传感器10测量的列车在Y方向的加速度值，上述A_Z为三轴加速度传感器10测量的列车在Z方向的加速度值。

即，DSP控制器20可以根据上述公式来计算三轴加速度传感器10的初始倾斜角和列车在当前时刻的倾斜角。

进一步的，本实施例中，DSP控制器20可以根据公式F＝K₁×m×g×cos(α)+K₂和T＝F×A₁×A₂×K₁+K₂来确定当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值。

其中，上述F为牵引逆变器的牵引力补偿值，上述T为当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值，上述m为列车的载重，上述g为重力加速度，上述K₁、K₂为牵引逆变器的补偿系数(具体可以查表获得)，上述A₁为列车的车轮半径，上述A₂为列车的齿轮箱传动比。

本发明提供的列车牵引逆变器的转矩控制装置，三轴加速度传感器还用于在转矩控制装置安装在列车上之后，测量三轴加速度传感器的初始三轴加速度值，并将该初始三轴加速度值发送给DSP控制器，同时，DSP控制器，根据三轴加速度传感器的初始三轴加速度值，确定三轴加速度传感器的初始倾斜角。这样使得DSP控制器在后期计算列车的倾斜角时，可以避免三轴加速度传感器的初始倾斜角对列车的实际倾斜角的影响，进而提高了计算列车倾斜角的准确性，从而提高了计算当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值的准确性，进而进一步提高了列车的平稳启动和乘客的乘车舒适性。

图3为本发明提供的列车牵引逆变器的转矩控制装置实施例三的结构示意图。在上述实施例的基础上，本实施例的列车牵引逆变器的转矩控制装置100还可以包括水平校准单元40，该水平校准单元40用于校准转矩控制装置100在列车上的安装位置的水平度。

具体的，本实施例中，在列车牵引逆变器的转矩控制装置100上设置水平校准单元40，使得转矩控制装置100尽量安装在水平位置，进而提高了安装在转矩控制装置100上的三轴加速度传感器10的测量准确性，使得三轴加速度传感可以为DSP控制器20提供精确的列车的三轴加速度值，进而使得DSP控制器20可以根据该精确的列车的三轴加速度值，准确计算出当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值，进而进一步提高了列车可以平稳启动和乘客的乘车舒适性。

可选的，本实施例的水平校准单元40可以由水平仪组成。

继续参照图3，本实施例的转矩控制装置100，还可以包括显示器50，该显示器50与DSP控制器20连接，用于显示当前时刻列车的倾斜角，使得司机或者工作人员可以掌握当前时刻列车的运行状况，进而提高了列车运行的可靠性。可选的，该显示器50还可以显示当前时刻列车的实际转矩值，可选的，该显示器50还可以显示其他内容，本实施例对显示器50的具体显示内容不做限制。

可选的，在本实施例中，三轴加速度传感器10通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface，简称SPI)总线与DSP控制器20连接。即，三轴加速度传感器10将列车当前时刻的三轴加速度值和三轴加速度传感器10的初始三轴加速度值通过SPI总线发送给DSP控制器20。

可选的，在本实施例中，DSP控制器20通过控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)总线与牵引逆变器主控单元连接。这主要是因为CAN总线在数据通信方面具有可靠、实时和灵活的优点。

具体的，DSP控制器20通过CAN总线从牵引逆变器主控单元中获得当前时刻列车的载重信息(其具体的获取过程参照上述实施例的描述，在此不作限制)。接着，DSP控制器20根据当前时刻列车的三轴加速度值计算当前时刻列车的倾斜角。然后，DSP控制器20根据当前时刻列车的倾斜角和载重信息，计算当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值。最后，DSP控制器20通过CAN总线将当前时刻牵引逆变器的转矩补偿值发送给牵引逆变器主控单元。牵引逆变器主控单元根据当前时刻该牵引逆变器的转矩补偿值和当前时刻牵引逆变器的预设转矩值得到牵引逆变器的实际转矩值，并将该牵引逆变器的实际转矩值发送给牵引逆变器，使得牵引逆变器根据该实际转矩值生成控制信号去控制牵引电机，使得牵引电机带动列车平稳启动，进而实现了列车在不同角度坡度上的平稳启动，从而提高了乘客的乘车舒适性。

进一步的，本实施例的列车牵引逆变器的转矩控制装置100，还可以包括DSP电源电路70和加速度传感器电源电路60，其中DSP控制器20和加速度传感器电源电路60主要有3.3V和1.8V两种电压。而DSP控制器20需要3.3V的外围电路电压和1.8V的内核供电电压，三轴加速度传感器10需要3.3V的供电电压。本实施例的转矩控制装置100由于输出仅需两种电源，因此，电源电路结构简单易于维护。

本发明提供的列车牵引逆变器的转矩控制装置，通过在列车牵引逆变器的转矩控制装置上设置水平校准单元，用于校准转矩控制装置在列车上的安装位置的水平度，进而提高安装在转矩控制装置上的三轴加速度传感器的测量准确性。可选的，在列车牵引逆变器的转矩控制装置上还设置了显示器，用于显示当前时刻列车的倾斜角，使得司机或者工作人员可以掌握当前时刻列车的运行状况，进而提高了列车运行的可靠性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。