基于LS-SVM的列車牽引電機(jī)電流實(shí)時(shí)估計(jì)*

李學(xué)明, 劉 侃, 徐紹龍, 黃 慶

(1.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；3.湖南力行動(dòng)力科技有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引 言

牽引電機(jī)電流信號(hào)是列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)閉環(huán)控制與故障診斷的關(guān)鍵信號(hào)。當(dāng)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的逆變器電源、電機(jī)本體或控制出現(xiàn)異常時(shí)，牽引電機(jī)的電流值與正常情況下相比將出現(xiàn)不同程度的偏離[1]。目前牽引電機(jī)電流異常診斷一般只根據(jù)其額定電流值設(shè)定一定過載系數(shù)的電流閾值，列車運(yùn)用過程中當(dāng)電流超過設(shè)定閾值時(shí)將報(bào)出過流故障并執(zhí)行相關(guān)保護(hù)動(dòng)作，從而避免故障擴(kuò)大化[2-4]。此類閾值設(shè)置方法在列車處于額定工況時(shí)容易及時(shí)檢測(cè)出異常，但當(dāng)列車在非額定工況運(yùn)行時(shí)，因?qū)嶋H電流較低，在輕微故障導(dǎo)致電流異常但遠(yuǎn)未及額定值的情況下，系統(tǒng)將無法有效檢測(cè)出異常并進(jìn)行及時(shí)保護(hù)，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。若能對(duì)列車各運(yùn)行工況下牽引電機(jī)電流的理論值進(jìn)行有效估計(jì)，根據(jù)列車所處工況自適應(yīng)調(diào)整電流閾值并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前電機(jī)電流是否處于正常范圍，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行保護(hù)，則可有效提升列車運(yùn)行安全性。因此，研究牽引電機(jī)電流的實(shí)時(shí)估計(jì)方法對(duì)提升牽引傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

對(duì)于電機(jī)電流估計(jì)問題，許多學(xué)者和工程技術(shù)人員進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]提出了與電機(jī)額定電流和極對(duì)數(shù)相關(guān)的三相異步電機(jī)空載電流估算公式。文獻(xiàn)[6]基于電機(jī)額定功率、極對(duì)數(shù)及相關(guān)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，提出了一種三相異步電機(jī)額定電流和空載電流的估算方法。文獻(xiàn)[7]通過空載與堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，歸納出空載電流和堵轉(zhuǎn)電流與額定電流的數(shù)值關(guān)系。文獻(xiàn)[8]基于理論推導(dǎo)和實(shí)例分析提出了一種三相異步電機(jī)額定電流的估算方法。

以上方法均只針對(duì)三相異步電機(jī)的某一工況(例如額定、空載等)的電流值進(jìn)行估計(jì)。實(shí)際列車運(yùn)行過程中，牽引電機(jī)會(huì)存在不同負(fù)載率，因此上述方法無法實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)電流的實(shí)時(shí)有效估計(jì)。為此，本文基于牽引電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型，結(jié)合電機(jī)特性參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了一種基于多工況最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)模型的牽引電機(jī)電流實(shí)時(shí)估計(jì)方法，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用數(shù)據(jù)驗(yàn)證了算法的有效性。

1 定子電流機(jī)理模型分析

由三相異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型知，勵(lì)磁電流Im和定子電流Is、轉(zhuǎn)差角頻率ωsl之間的關(guān)系式為[9]

(1)

式中：Rr為轉(zhuǎn)子電阻；Llr為轉(zhuǎn)子漏感；Lr為轉(zhuǎn)子等效自感,Lr=Llr+Lm，Lm為互感。

轉(zhuǎn)矩Te與定子電流、轉(zhuǎn)差角頻率存在如下關(guān)系：

(2)

式中：p為牽引電機(jī)極對(duì)數(shù)。

綜合式(1)和式(2)可得：

(3)

(4)

(5)

由于Im∝ψs，因此可令：

(6)

其中系數(shù)k可基于電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。

實(shí)際應(yīng)用中一般在額定轉(zhuǎn)速以下采用采用恒磁通控制，在額度轉(zhuǎn)速以上采用弱磁控制策略，且定子磁鏈給定值ψs與轉(zhuǎn)速n強(qiáng)相關(guān)，其函數(shù)關(guān)系式ψs=f(n)可通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合求得。

此外，由電機(jī)模型可知：

(7)

將式(7)代入式(6)，并整理可得：

(8)

轉(zhuǎn)差率s已知，則可根據(jù)式(7)得到轉(zhuǎn)差角頻率ωsl。

(9)

2 基于LS-SVM的電機(jī)電流估計(jì)

2.1 LS-SVM算法簡(jiǎn)介

SVM由Cortes等[10]于1995年首先提出。SVM在解決小樣本、非線性問題及高維模式識(shí)別中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢(shì)，并可推廣應(yīng)用到函數(shù)擬合等其他機(jī)器學(xué)習(xí)問題中。LS-SVM[11]基于正則化理論對(duì)標(biāo)準(zhǔn)SVM進(jìn)行改進(jìn)，以等式約束代替標(biāo)準(zhǔn)SVM算法的不等式約束，將解二次規(guī)劃問題簡(jiǎn)化為解線性方程組問題，使得SVM的求解大大簡(jiǎn)化。

對(duì)于給定學(xué)習(xí)樣本集(xi,yi)(i=1,2,…,l)，xi∈RN為輸入數(shù)據(jù)，yi∈R為輸出數(shù)據(jù)。設(shè)對(duì)樣本集進(jìn)行擬合的函數(shù)形式為

y(x)=ωTφ(x)+b

(10)

式中：φ為非線性映射，φ:RN→RNh將輸入數(shù)據(jù)映射到一個(gè)高維特征空間;ω為權(quán)向量，ω∈RNh；b為偏置量，b∈R。

為求解y(x)，定義目標(biāo)函數(shù)如下：

s.t.yi=ωTφ(xi)+b+ξi

(11)

式中：γ為正實(shí)數(shù)；ξi為松馳變量。

定義Lagrange函數(shù):

L(ω,b,ξi,α)=J(ω,ξi)-

(12)

式中：αi為拉格朗日乘子。

根據(jù)Karush-Kuhn-Tucher(KKT)條件:

(13)

(14)

(15)

(16)

消去ω和ξi，得到優(yōu)化問題的解析解：

(17)

式中：α=[α1,α2,…,αl]T；1=[1,1,…,1]T；方陣K滿足Kij=φ(xi)Tφ(xj),i,j=1,2,…,l。

進(jìn)而求得最小二乘模型:

(18)

2.2 多工況LS-SVM建模

如前所述，機(jī)理模型中定子磁鏈給定值ψs與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系式ψs=f(n)，以及式(8)中的參數(shù)k均通過相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。實(shí)際應(yīng)用中，由于工況變化及負(fù)載條件存在差異等，擬合值會(huì)存在一定偏差。

由機(jī)理模型及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析可知，牽引、制動(dòng)、惰行工況以及是否零速對(duì)估計(jì)結(jié)果影響較大，因此，可基于司控手柄位置、逆變器運(yùn)行狀態(tài)以及當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)列車運(yùn)行規(guī)律將其劃分為7種工況，如表1所示。

表1 工況劃分說明

表1中，當(dāng)處于工況W0時(shí)，由于逆變器處于封鎖狀態(tài)，電機(jī)電流大小與司控手柄位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速均無關(guān)，其值恒為0；工況W5時(shí)，因速度為0，牽引電機(jī)無法發(fā)揮制動(dòng)力，此時(shí)的電流與工況W6時(shí)相當(dāng)。

采用工程中常用的均方根誤差(RMSE)指標(biāo)來評(píng)估模型估計(jì)效果：

(19)

使用不同方法，利用訓(xùn)練集數(shù)據(jù)建模，并在測(cè)試集上進(jìn)行測(cè)試，得到2個(gè)數(shù)據(jù)集上的估計(jì)效果如表2所示。表2中，MM和LS分別表示基于機(jī)理模型和基于最小二乘法的估計(jì)方法。

表2 電流值估計(jì)效果(RMSE指標(biāo)) A

2.3 基于LS-SVM的實(shí)時(shí)估計(jì)

離線建模得到各工況下的LS-SVM模型參數(shù)后，可基于此模型算法為列車上的牽引控制單元(TCU)[12]開發(fā)軟件，實(shí)時(shí)采集相關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流的在線實(shí)時(shí)估計(jì)。整個(gè)估計(jì)算法分成離線建模和在線計(jì)算2部分。離線建模階段，基于牽引電機(jī)相關(guān)特性參數(shù)、歷史試驗(yàn)以及運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)，得到其機(jī)理模型估計(jì)值，同時(shí)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)相關(guān)變量進(jìn)行分析判斷得到工況信息，從而得到LS-SVM模型訓(xùn)練所需的樣本集輸入輸出數(shù)據(jù)，然后基于此樣本集數(shù)據(jù)采用LS-SVM建模，得到LS-SVM模型參數(shù)。在線計(jì)算階段，TCU實(shí)時(shí)采集相關(guān)系統(tǒng)信號(hào)，對(duì)工況信息進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，基于轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)以及實(shí)時(shí)計(jì)算的機(jī)理模型估計(jì)值，結(jié)合各工況的SVM模型參數(shù)，采用LS-SVM算法進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，從而得到牽引電機(jī)定子電流的實(shí)時(shí)估計(jì)值。整個(gè)估計(jì)算法的原理框圖如圖1所示。

圖1 基于LS-SVM的牽引電機(jī)定子電流估計(jì)算法原理框圖

3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

隨機(jī)選取某型動(dòng)車組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)的一段經(jīng)歷多個(gè)運(yùn)行工況的實(shí)際連續(xù)數(shù)據(jù)，分別采用基于機(jī)理模型的方法、LS方法以及LS-SVM估計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，得到其測(cè)試結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)。由圖2(a)可知，列車經(jīng)歷了除W5以外的所有工況，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化范圍如圖2(b)所示，分別為0～8 200 N·m和0～3 000 r/min，數(shù)據(jù)覆蓋良好，滿足驗(yàn)證要求。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)

圖3為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)電流估計(jì)效果對(duì)比。由圖3中各種算法的估計(jì)效果可以看出，在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，LS-SVM算法明顯優(yōu)于LS方法和基于機(jī)理模型的估計(jì)方法。按工況統(tǒng)計(jì)整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)不同算法的定子電流估計(jì)的RMSE指標(biāo)，結(jié)果如表3所示。由表3可知，工況W1～W3時(shí)LS-SVM算法均優(yōu)于其他方法，且RMSE值最大為10 A左右，遠(yuǎn)小于LS方法和基于機(jī)理模型的方法。在工況W4時(shí)，其RMSE值與LS方法相當(dāng)，均小于5 A；工況W6時(shí)，幾種方法誤差均較大，但LS-SVM算法仍優(yōu)于LS方法及基于機(jī)理模型的方法，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)電流估計(jì)效果對(duì)比

表3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試效果(RMSE指標(biāo)) A

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合列車牽引電機(jī)機(jī)理模型和實(shí)際運(yùn)用工況，提出了一種基于多工況LS-SVM模型的電機(jī)定子電流實(shí)時(shí)估計(jì)方法?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果表明，本文所提算法明顯優(yōu)于基于機(jī)理模型的方法以及傳統(tǒng)LS方法。而且本文所提算法不需要添加或改造硬件，只需升級(jí)相關(guān)軟件，估計(jì)精度高，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。