一、概述

城市軌道交通具有運量大、效率高、節(jié)能、少污染、舒適、安全和準點的突出優(yōu)點，是解決大城市交通擁堵、環(huán)保問題和提升城市形象的最好形式，已成為國際上城市公共交通發(fā)展的首選模式，必然加速發(fā)展。

為解決城市交通和環(huán)境問題，我國許多大城市已把發(fā)展城市軌道交通作為發(fā)展公共交通的根本方針。目前，已有60余個城市正在建設或開展了建設城市軌道交通的前期工作，每個城市提出的軌道交通建設規(guī)劃線路都超過了100km。特別是上海，在2010年世博會前已構筑11條線路、420km長的軌道交通網絡，2012年形成567km的軌道交通網絡。 根據上海市最新近期規(guī)劃，2020年上海城市軌道交通網絡總規(guī)模將達到約877km。

我國在城市軌道交通裝備關鍵技術方面、特別是車輛總體設計與系統(tǒng)集成技術與發(fā)達國家的差距較大，由于每條線采用的車輛不同，外商籍此對每條線的車輛收取上億元的特殊設計費。

2005年以來，國務院已將軌道交通裝備國產化和產業(yè)化，列為振興裝備業(yè)規(guī)劃的重點產業(yè)之一。上海市政府也將軌道交通車輛和裝備的國產化和產業(yè)化，列為上海市工業(yè)發(fā)展的重點。 盡快對軌道交通車輛和裝備進行獨立研發(fā)，形成自主知識產權并實現國產化生產，不但能提高軌道交通裝備的國產化率并形成自主設計開發(fā)能力，還可為軌道交通車輛的維修奠定技術基礎并降低維修成本，實現產業(yè)化已成為上海經濟發(fā)展的一個新的增長點，意義重大。

二、城軌列車的牽引系統(tǒng)

1、城軌列車的供電方式

北京地區(qū)由于歷史原因，采用DC750V區(qū)段供電，使用第三軌側向受流。上海、廣州、深圳、南京等后建城市軌道交通的城市，現在均采用DC1500V區(qū)段供電，使用接觸網的受流方式。廣州四號線直線電機車，采用了側向第三軌DC1500V的受流方式。見圖1。

圖1 列車受流方式

2、牽引系統(tǒng)

北京地鐵的1號和環(huán)線、上海早期的1號線，均采用的是直流調阻或直流斬波牽引系統(tǒng)；

除此之外，目前國內的城軌車輛，已經全部采用交流牽引系統(tǒng)；因為維修成本和備件價格的居高不下，上海地鐵中最早引進的直流牽引系統(tǒng)，已經全部改造成國內自主研發(fā)的交流異步電機驅動的交流系統(tǒng)；除了Alstom公司設計的交流牽引系統(tǒng)，采用矢量控制+直接轉矩控制策略外，其他的城軌列車的交流牽引系統(tǒng)，均采用直接轉矩控制策略。

3、牽引和電制動特性

為了充分發(fā)揮和均衡交流異步電機的牽引能力，城軌列車采用了恒力和恒功兩段牽引的特性，可以充分發(fā)揮電機的瞬時牽引功率。如額定190kW的電機，起動加速階段的功率可達250kW（時間約20余s）。

為了充分發(fā)揮和均衡交流異步電機的電制動能力，城軌列車采用了恒力和恒功兩段電制動的特性。與牽引狀態(tài)相同，進行電制動的階段，額定190kW的電機，可以運行在400kW的條件下。見圖2。

由于城軌列車采用的是動力分散的驅動方式，為此列車的車廂要分成動車和拖車兩種。如4輛編組的列車，其中有2輛動車和2輛拖車（兩動兩拖）；6輛編組的列車，其中有4輛動車和2輛拖車（四動兩拖）。

在這種條件下，所有動車的輪周上的牽引力之和要滿足整列車的牽引條件，同時還要滿足不大于0.14～0.16的粘著條件（即牽引力與列車總重量之比）。

誠然，所有動車的電制動力之和要滿足整列車的制動條件。如果電制動力無法達到列車的制動條件，則制動控制系統(tǒng)將通過實施機械制動，提供補足的制動力。制動時同樣也要滿足粘著條件。

圖2 交流變頻調速系統(tǒng)的牽引和電制動特性

因為城軌列車的站間距較短（1～2km），所以列車的啟動加速度很大，可以達到0.8～1m/s2。

同樣，城軌列車的制動減速度也很大，常用減速度要達到-1m/s2，快速和緊急制動的減速度要達到-1.3m/s2。

4、牽引變流器

牽引變流器的電氣原理（圖3）如下：

城軌列車的動車上，一般只安裝一臺牽引變流器。變流器內設置了兩個三相功率模塊INVMK1和INVMK2，分別驅動一臺動車轉向架上的兩臺牽引電機。

圖3 牽引變流器的電氣原理

每輛動車上裝有兩臺動車轉向架，共4臺牽引電機。見圖4。

城軌列車的動車如果采用車控模式，牽引變流器中只需要一個轉矩閉環(huán)系統(tǒng)，全部的4臺牽引電機的三相輸入電壓、頻率、轉矩，都保持完全一致。

城軌列車的動車如果采用架控模式，牽引變流器中則需要兩個轉矩閉環(huán)系統(tǒng)，每臺轉向架上的兩臺牽引電機的三相輸入電壓、頻率、轉矩，都保持完全一致。

在小雨、冰雪的條件下，動車上的輪對相對軌道會發(fā)生滑動，致使各輪對的轉速產生差異（由電機軸上的測速傳感器測出），則變流器將發(fā)出轉矩減載的指令，使動車的驅動力下降，直至滑動結束，4臺電機的轉速一致才停止。

在做防滑控制的過程中，動車的驅動力下降，對列車的牽引和電制動有不利的影響，尤其是“動-拖比” 較小的列車，會產生很大的沖動。為此，許多列車采用了架控的模式，減載控制只發(fā)生在動車的一臺轉向架上，可以使整個動車的驅動力下降得不多，減少了列車的沖動。

由于大功率模塊的工作頻率特性的限制，在變流器的三相輸出電壓的頻率在60Hz以下時，輸出電壓采用的是SPWM調制和18邊形變換方式。超過60Hz時，則采用準方波和常規(guī)PWM調制以及6邊形變換方式。為了保證這種轉換的穩(wěn)定性，頻率在轉換點的上升和下降時，要設置較大的回環(huán)。

圖4 動車轉向架的結構

牽引變流器在做電制動，并供電電網中有運轉的設備或運行的列車時，它們可以吸收回饋的能量。

列車實施電制動，在回饋能量不能全部被吸收，并使直流側電壓升高達到DC 1 900V以上時，則制動電阻上的斬波元件開通，將回饋的能量消耗在制動電阻之上。

牽引變流器的控制原理見圖5。

圖5 牽引變流器的控制原理

由此可見，司機操縱司控器時，控制的是電機的驅動轉矩。牽引狀態(tài)是在正滑差之間調節(jié)牽引轉矩，電制動狀態(tài)是在負滑差之間調節(jié)制動轉矩。

在供電電網處于DC1500V的條件下，牽引變流器的三相輸出電壓的最大有效值只能達到AC1150V左右。為了繼續(xù)提高一些輸出電壓，可以采用注入三次諧波的方法，上移恒功轉折點。因為電機采用星形接法，沒有三次諧波電流，只是增加了高頻噪聲的干擾。見圖6。

圖6 注入三次諧波法

5、網絡控制系統(tǒng)

由于城軌列車采用了動力分散的結構模式，為此車內的所有電氣設備，均是用TCN制式的網絡進行連接和通訊，實現指令和數據的廣播式同步傳輸和分步式傳輸，目前也在開發(fā)工業(yè)以太網的網絡控制系統(tǒng)。見圖7。

網絡分成列車級WTB和車輛級MVB兩種，傳播周期為幾十到一百多毫秒；網絡可以對電氣設備進行數字指令的控制，也可以對設備的狀態(tài)及故障信息進行上傳，供司機和檢修人員參考。

圖7 網絡拓撲結構

由于網絡系統(tǒng)的應用，改變了以往硬連線只有模擬量和單一開關量的缺點，提高了信息傳輸的數量和可靠性。

現在的網絡已經從設備的控制，拓寬到旅客信息及移動視頻的領域，功能在不斷地擴大。

三、城軌列車的速度控制

1、如何取得速度閉環(huán)控制的給定值

城軌列車在人工駕駛狀態(tài)下的牽引控制，實際是在控制牽引電機的驅動轉矩的大小和滑差的正負變化（牽引和電制動）。

城軌列車的速度閉環(huán)控制，則是由線路中的信號系統(tǒng)預先設定的速度給定值，加在車上的運行控制系統(tǒng)上來完成。

列車在兩個車站之間，預先設計好了運行的速度曲線，列車運行到線路的任何一點，都有相應的速度給定要求。見圖8。

圖8 速度曲線示意

因此，城軌列車要實現閉環(huán)的速度控制，必須實時地知道列車在運行線路上的絕對位置。

在運行線路的軌枕上，每隔一定的間隔位置（如140m）放置可以讀取數據的應答器（類似身份證的IC卡），預先在它們的內部存入卡號或絕對地標的里程值。通過列車上安裝的閱讀器來讀取數據，就可以知道列車運行的絕對里程位置（如0m、140m、280m、...、140i）。見圖9。

圖9 運行線路上的里程測量元件

在列車的兩個拖車轉向架的輪對軸端，安裝著齒輪式測速傳感器。當輪對轉過一周時，測速傳感器將輸出110個脈沖。如果車輪的直徑是D，則兩個脈沖的間隔，對應的是列車運行的實際距離，k＝πD /110，k可以達到220～240mm的精度（考慮磨損，車輪的實際直徑將在0.84～0.77m之間）。

記錄傳感器在某段時間內發(fā)出的脈沖數n，則Sj＝πDn/110 也就獲得了列車運行的位置和里程，在起點的里程標已知的情況下，就可以獲得列車運行的絕對里程標的準確位置：S＝S0＋Sj。

當列車上的測量里程的閱讀器，讀到了表示整數里程的應答器時（如Si1＝140il），則可以將前面用齒輪傳感器測到的精確里程數清零，下面的里程則是 Si2＝Si1＋kn 。

有源應答器的安裝間隔是140m，其內設的編碼對應的是安裝點的絕對里程標，因此，列車每運動140m，閱讀器就可以讀到一個140m的倍數的等效里程標值。當閱讀器讀到已知的絕對里程標時，信號系統(tǒng)的計算機就開始記錄測速傳感器的脈沖數，列車相對于絕對里程標運行的相對距離。一旦閱讀器讀到無源應答器內的絕對里程標值時，測速傳感器的測量值被清零，有源應答器的絕對里程標實際數值的基礎上重新測量列車運行的相對里程，如此循環(huán)?？梢?，有源應答器給出的是粗測的絕對里程標，由測速傳感器脈沖計算所得的是精測的相對里程標。將這兩種測量方法結合起來，就可以準確獲得列車的運行位置。

這種測量里程的方式，包含了應答器的絕對位置和齒輪傳感器的相對位置，精度是很高的。由于輪對在運行時會發(fā)生打滑的情況，兩個表示絕對里程的應答器之間的精測位置，將產生誤差。

但是，由于設置了有指示絕對位置的整數應答器，它們之間的精測位置被清零重新記錄，所以不會產生累計誤差。

列車運行的速度曲線，可以用數據表的形式存儲在計算機中，列車只要檢測到列車的運行里程位置，就可以查到即時列車應該達到的速度。將這個速度作為牽引系統(tǒng)速度閉環(huán)的給定值，列車就可以實現速度閉環(huán)控制。

速度曲線上還有一個5km的保護限，列車運行速度一旦超過這個值，將自動實施緊急制動，這也稱列車運行的ATP控制。

考慮運行中的車輪直徑會磨損，擦傷時還需要鏇輪，故信號系統(tǒng)中供計算用的輪徑D不能預先設定而不變。為此，當列車每天出庫時，線路上安裝了專門用來測量輪徑的兩個應答器，它們相距100m。列車運行過這段距離時，將測到n個傳感器的脈沖，則車輪的直徑D=11000/πn。將這個測量到的車輪的直徑D存入計算機的內存中，就可以進行里程表的計算。

2、速度的閉環(huán)控制

速度閉環(huán)的控制網絡見圖10。

圖10 速度閉環(huán)的控制網絡

城軌線路的軌道上，還安裝著可以實時改寫編碼的有源應答器，不同的編碼對應著紅燈、綠燈、白燈等指令。列車上的閱讀器讀到這個信息后，就能夠自動判斷前方是“可以通行”、“應該停車”、“需要減速通過道岔”等運行的操作。見圖11。

由于電制動的特性較軟，在列車停車時無法實現精確定位，所以還需要在列車停住之前，慢慢切除電制動，將機械制動加上去，實施電氣-機械制動轉換。見圖12。

轉換時的速度點在8～10km/h左右，電制動力的下降和機械制動力的上升斜率要一致，才能保證總制動力不變。

列車上還安裝了停車定位的傳感器，軌道上安裝了停車位置板。列車按照速度曲線的指令減速，只要傳感器進入位置板的區(qū)間，機械制動器將增大制動力，把車停下來。見圖13。

由于列車的制動主要是使用電氣制動，機械制動的時間較短，所以列車的閘瓦和輪緣磨損很?。灰驗榱熊噯蛹铀俚臅r間不長，勻速運動時不需要很大的牽引力，再加上電制動時能量可以回饋。為此，一輛200多噸、總牽引裝車功率可達4 000kW的列車，每公里的實際平均耗電約10kW·h，回饋的能量約5kW·h。

列車的速度閉環(huán)控制，由于設置了速度曲線，就可以實現車站之間真正的自動駕駛（ATO）；考慮停站上客的條件多變，列車關門開車的時刻，還需要司機人工操作關門，再按下自動駕駛按鈕，列車才可以在下一個車站之間進行自動駕駛。

圖13 車站停車定位的方式

即使人工駕駛，也需要安全速度保護限制，這也稱手動ATP運行。此時，在列車的信號系統(tǒng)中，設置的是階梯式的速度曲線。司機人工駕駛的列車速度只要接近這條速度曲線，系統(tǒng)將實施聲光報警。如果5s之內列車仍不減速，系統(tǒng)將對列車自動實施緊急制動。

在上海的幾條新開通的地鐵線路上，最先采用的就是人工ATP的駕駛方式。ATO的調試，需要一定的時間，見圖14。

圖14 手動ATP運行時的速度曲線

3、車載信號系統(tǒng)

信號系統(tǒng)和列車的制動系統(tǒng)，安全級別很高，它們是最后一道防線。為此，這些系統(tǒng)的控制計算機，都要使用三選二的安全計算機。測量系統(tǒng)的各種設備和器件，一般也是兩套以上，冗余度要求極高。見圖15。

圖15 車載信號系統(tǒng)的原理

四、中低速磁浮列車牽引控制的特殊性

單邊氣隙的直線電機在電樞通入三相電壓以后，盡管軌道上鋪設了等效次級導體作用的鋁板，因為磁路中仍然有鐵磁材料，電機和軌道之間依然要產生電磁吸力。

經過電機試驗表明，單邊氣隙的直線電機在設定的工作氣隙和額定運行條件下，其產生的電氣牽引力和氣隙磁場產生的電磁吸力和以及它們的變化趨勢，規(guī)律基本相似。這個電磁吸力對懸浮電磁鐵來講，是一個負載力。

當電機在進行牽引和制動操作時，如果電機電流發(fā)生較強的突變，則相當于懸浮電磁鐵的負載力也產生突變。

這種突變的電磁吸力變化的時間常數，如果與懸浮電磁鐵的調節(jié)頻率相近，將引起懸浮電磁鐵的工作不正常，甚至發(fā)生震動或強烈地跳動。見圖16。

圖16 常導中低速磁浮列車的懸浮、導向和驅動原理

由于在旋轉交流異步電機的牽引和電制動的轉矩控制中，主要是對電機的正負滑差進行調節(jié)。從其控制原理可以看出，轉矩給定的變化之前，已經加入了斜坡控制的條件。為了減少電流的突變，磁浮列車上的這個控制指令的斜率設置，又作了進一步地減小。

滑差的大小變化，可以由直接牽引力控制的調節(jié)品質決定，為了使電機的控制電流更加平滑，通過電機試驗，找到了不同運行速度條件下的最佳滑差，并將其變化規(guī)律存入計算機。當直線電機進行牽引力控制時，可以把電機的滑差控制在最好的條件下，使電機的運行電流的變化更加趨于平穩(wěn)。見圖17。

此時，從懸浮控制器的輸入電流來看，波動大大降低。誠然，懸浮電磁鐵的振動和跳動，就很少出現了。

五、結束語

在幾年之前，由于城市軌道交通的大部分列車，要么是直接從國外引進，要么是外方公司設計，由國內組裝。許多關鍵技術，尤其是牽引、網絡控制、制動、信號等系統(tǒng)，均為國外公司所掌握，我們完全處于被動狀態(tài)；在國務院和發(fā)改委的裝備業(yè)自主創(chuàng)新的戰(zhàn)略推動下，城軌列車的自主化和國產化進程取得了很大的進步，絕大部分設備的核心應用技術，已經達到自主設計、自主集成、自主采購、自主試驗的階段，攻克余下的關鍵技術的時間，不會太長了。上海軌道交通設備發(fā)展有限公司在2007年研制成功A型地鐵列車，真正實現了自主設計、自主采購、自主制造、自主試驗的研發(fā)全過程，性能達到了正在運營的地鐵列車的技術水平。2009年，在上海地鐵9號線上完成了載客運營10萬km，獲得了MDBF＞25 000km和MTBF＞557h的運營指標，實現了上海市科教興市項目的最終目標。

通過自主研發(fā)和實踐，是取得關鍵技術突破的重要手段，下一階段的重點目標，應該是各種系統(tǒng)的應用軟件的自主設計和編制。