摘要：目前，内燃机车主要被用于站台调度以及运转等工作，内燃机车电传动系统主要由励磁系统构成，由于内燃机车制造年代久远，其内部的励磁系统较为陈旧，导致内燃机车电传动系统经常出现故障。基于此，研究人员尝试对内燃机车的电传动系统，以及辅发励磁充电电路进行优化设计，提升内燃机车电传动系统的稳定性。
关键词：内燃机车；恒功率励磁控制系统；辅发励磁充电
0引言
传统内燃机车中搭载的励磁控制系统，以继电器逻辑控制方式确保电路的稳定运行，这种控制方式的弊端在于线路分布复杂，一方面给后期的运维工作造成了困难，另一方面过多的触头数量导致励磁控制系统长时间大电流触电，提升火灾发生的概率，影响内燃机车的安全。随着技术的不断进步，相关工作人员尝试利用电子控制系统取代传统的继电器逻辑控制，通过这种方式精简内燃机车的电路系统，在提升操控能力的同时，降低安全隐患。为了方面介绍，本文以DF7型内燃机车为例，尝试设计恒功率励磁控制系统，以及辅发励磁充电电路，确保内燃机车能够稳定运行。
1恒功率励磁控制系统
1.1励磁控制系统运行原理
从结构上看，恒功率励磁控制系统主要由励磁发电机，以及励磁控制装置所构成，实际运行过程中，励磁控制装置根据内燃机车实际运行状态计算出控制量，对励磁发电机的励磁电流进行管控，该控制过程是一个完整的闭环，在发电机做功时通过励磁控制装置对误差进行灵活调节，确保励磁发电机始终处于稳定的工作状态之中[1]。通过对励磁发电机等效电路、电势矢量图的分析（如图1所示），可以得出电势矢量计算公式：（1）发电机等效电路、电势矢量图中，E觶0代表励磁磁势，而U则代表电路ab两端的电压，I为发电机输出电流，XT则为发电机的同步电抗，R代表每相负载电阻，鬃为内功率因数角。实际工作中，I相较于E觶0较为滞后，因此依据公式（1）可以得知鬃跃0，变量I与变量R之间存在反比例关系，I的数值越大，R数值越小，同时TXR的数值越大，代表电枢消磁作用越明显。励磁发电机运行过程中，电压会随着负载的变化而波动，导致发电机运行异常，为了解决这一问题，需要借助励磁控制系统对电流进行灵活调整，确保电压处于恒定状态。
1.2构建励磁控制系统数学模型
基于励磁控制系统控制流程（如图2所示），建立数学模型，该模型主要分为两个部分。
1.2.1驱动器
驱动器的主要作用是放大调节装置发出的控制信号，提升对于励磁发电机的控制效率，因此在建立数学模型时可以将驱动装置视为一阶惯性环节。（2）公式（2）中，变量Ka代表驱动装置的放大倍数，而Tk为时间常数，Ua（s）为驱动装置的输出常量，Ut（s）为输入常量，在该公式中，驱动装置放大倍数处于2.5耀21.2范围内。
1.2.2励磁发电机
本研究中使用的是传统的DF7型内燃汽车，该类型机车中搭载的是他励直流发电机，则输入电阻电压计算公式为：uee=ieeRe+Ld椎edt（3）当发电机的转速保持不变的时候，励磁发电机的数学模型为：（4）
1.3励磁控制系统算法改进
1.3.1模糊控制根据不同的维数，模糊控制方式会存在较大差异，目前常见的模糊控制方式分为：淤一维模糊控制。该控制模式只分析误差，无法对复杂的数据结构进行计算。于二维模糊控制。这种控制模式能够对误差，以及误差变化量进行计算处理。盂三维模糊控制。这种控制模式较为精确，但是由于其逻辑运算结构较为复杂，导致该控制模式运算时间较长，普及率不高。综合考虑各项因素，设计人员决定采用二维模式控制技术对励磁控制系统的算法进行优化[2]。
1.3.1.1模糊化
首先需要对输入的精确数据进行模糊处理，再利用模糊数学理论对模糊数据进行计算与比对。通常情况下，需要对精确的输入量做以下模糊处理：{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}完成数据的模糊化处理之后，需要选择模糊隶属函数，本次研究中选择三角形属度函数（trimf），与其他类型的隶属度函数相比，trimf型隶属度函数具有较高的灵敏性，并可以根据实际需要对函数灵敏度进行调节，曲线斜率越高则代表灵敏性越高[3]。
1.3.1.2知识库
该模块为模糊控制系统的基础，内嵌模糊运算规则库以及模糊数据库，其中规则库是整个模糊控制系统的核心，其中包含“IF…THEN”“tlist…”等基础性的后条件描述命令。
1.3.1.3模糊推理
基于模糊规则库以及模糊数据库，模糊推理模块对已经完成模糊化处理的数据进行计算与比对，并输出相应的控制量。
1.3.1.4反模糊化
经过模糊推理得到的数据是一个非确定值，无法被励磁控制系统识别并执行，因此需要对模糊数据进行反模糊化处理，将其转变为确定值。
1.3.2PID调节器
二维模糊控制方式的局限性在于，该方式只考虑实际值与设定值之间的误差以及误差变化量数据，其控制原理与积分相似，因此无法彻底解决误差，尽管通过放大比例系数的方式能够进一步减少静态误差，但是无法彻底消除误差，且放大比例系数会影响模糊处理系统的稳定性。因此，需要利用PID调节器对励磁发电机误差进行灵活调节。实际工作中，PID调节器对比给定功率（P0）以及实际功率（P）的差值，得到误差数据。再将误差数据传输至模糊控制装置，对误差数据进行模糊处理，再将误差模糊数值传回PID调节器。本次设计中，对误差（e）以及误差变化率（ec）进行模糊运算，并在经过反模糊处理后得到输出控制量驻Kp、驻Ki、驻Kd，并利用公式（5）得到Kp、Ki、Kd参数[4]。（5）通过模糊化运算以及反模糊化处理，最终得到PID比例系数：在得到PID控制器比例系数之后，利用MATLAB工具，得到输出量与输入量的隶属度函数曲线，同时使用三角型隶属度函数，通过调整函数的斜率来控制输出量与输入量的灵敏性，构建隶属度函数模型。
2辅发励磁充电电路优化
2.1充电电路改进
由于内燃机车搭载的辅发励磁充电电路与Boost电路等效，因此可以基于Boost电路对内燃机车的充电系统进行优化。实际运行过程中，如果没有对蓄电池进行预充电，在启动的一瞬间电感电流会激增，导致电流过大，蓄电池在强大电流的干扰下，其化学反应会十分剧烈，影响电池寿命与容量，甚至还会导致安全事故。针对这一问题，设计人员尝试设计带有Buck缓冲功能的辅发励磁充电系统，可以在内燃机车运行过程中随时为蓄电池充电。以Boost系统作为基础设计的辅发励磁充电电路，其中辅发励磁充电控制整流等效输入电压为uieq。电路运行过程中uieq逸uo，当晶闸管处于断开状态，可以得到如下公式：（6）公式（6）中，UL为充电感应装置电压，UO为输出电压，C为滤波器。通过上述公式得到蓄电池充电系统的最大电流参数，发现本次设计中，C的电容数量级别为滋F级别，电磁感应为滋H级别，可以得知充电系统在未进行优化前，其瞬时最大电流与uieq属于相同数量级，经过改进之后，充电系统最大电流数量级达到了k伊10-6，通过对比最大电流与uieq的数量级可以发现，带有Buck电路的辅发励磁充电电路瞬时电流明显降低，确保充电电路的电流峰值始终处于安全区间内[5]。
2.2基于Buck电路的辅发励磁充电电路建模
在基于Buck电路的辅发励磁充电电路结构中（如图3所示），设计人员针对M1与M2进行PI控制，利用该充电结构对于无预充的蓄电池进行充电，同时断开或者连接控制电路的开关，在M1与电路开关之间增设一个继电器，对于蓄电池以及充电电路起到一定的保护作用。设计过程中，工作人员为了提升充电电路运行效率，对充电电路软件控制系统进行优化，其中u1与u2代表蓄电池电压的上限与下限，uref则代表蓄电池等压输入电压，驻u是uref与uieq的允许误差最大值（如图4所示）。通过对M1、M2控制信号算法的分析可以发现，PI电压控制装置输出M1信号，充电电路启动后，电压参考值由0V逐渐上升，直至达到电压设定值。同时PI电流控制装置输出M2控制信号。本次设计中充电电路的等效输出与输入初始数值为0，因此在充电电路启动之后，会随时对蓄电池进行预充电，避免出现电路过流问题[6]。
3结语
为了确保内燃机车电传动系统始终处于稳定的工作状态，需要根据内燃机车使用目的以及实际情况，设计一套安全高效的恒定功率励磁控制系统，基于励磁控制模型，利用PID控制装置以及模糊运算理论，实现对于电压系统的有效控制。同时，借助Boost电路，对辅发励磁充电电路进行优化，确保励磁电机工作过程中随时对蓄电池进行预充电，避免出现电流过载问题，延长蓄电池使用寿命以及电池容量，为内燃机车的稳定运行保驾护航。
作者：王卿鹏 单位：张家港市第三职业高级中学
