王仁慶 南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司

1 地鐵車輛傳統(tǒng)級位控制方式--PWM脈寬調(diào)制

PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制技術(shù)），它通過不同占空比的脈沖信號來表示牽引和制動(dòng)的級位信息。其在逆變電路中有著重要的地位，在地鐵車輛的傳統(tǒng)控制方式中有著極其重要的作用。以南京地鐵一號線車輛為例，整車設(shè)計(jì)采用如下設(shè)計(jì)方案，詳見圖1。

圖1 設(shè)計(jì)方案框圖

使用三角載波可以使PWM等效出正弦波（如圖2），因此PWM可以直接用于逆變器的控制。

圖2 PWM等效正弦波

PWM編碼器采用90%～10%占空比的方波表示從100%全牽引到惰行再到快速制動(dòng)的所有級位信息，超過90%或者低于10%的占空比被認(rèn)為是無效的級位信號。

與模擬信號相比較，PWM采用時(shí)間上的占空比，這極大提高了PWM信號的抗干擾能力，延長了信號傳輸距離，使得信號傳輸精準(zhǔn)超過百米成為可能。

2 地鐵車輛網(wǎng)絡(luò)控制下的級位控制方式--TCMS

地鐵車輛是城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，也是技術(shù)含量較高的機(jī)電設(shè)備。隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代地鐵車輛也正朝著自動(dòng)化、高速化的方向發(fā)展。越來越多的列車狀態(tài)和故障信息需要在車輛各子系統(tǒng)之間互相傳輸與交換。為滿足上述要求，TCMS（Train Control and Management System，列車控制系統(tǒng)）應(yīng)運(yùn)而生。

TCMS作為列車控制系統(tǒng)，在軌道交通車輛尤其是地鐵車輛上的應(yīng)用越來越廣泛。TCMS采用數(shù)字信號對列車進(jìn)行控制，TCMS采集到司控器或ATC發(fā)出的級位模擬信號后，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在對級位信號進(jìn)行計(jì)算及有效性判定后，TCMS通過MVB網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸給牽引和制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)控制。TCMS的介入使得級位信號和其他的車輛控制信號進(jìn)行有效的統(tǒng)一管理成為可能，使得級位控制更加精確，車輛更加安全。

司控器會通過電流或者電壓信號來提供信號源，TCMS一般通過如下方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.1 電流源司控器

當(dāng)電流源司控器控制手柄從快速制動(dòng)位推至全牽引位時(shí)，司控器會提供4 mA～20 mA的電流信號（如圖3）。

圖3 司控器電流信號

TCMS通過如下兩種方法對電流信號進(jìn)行級位的信號采集并進(jìn)行相應(yīng)的控制。

2.1.1 轉(zhuǎn)為電壓信號進(jìn)行信號采集

根據(jù)V=R*I，在電流環(huán)路上添加一個(gè)電阻后，TCMS系統(tǒng)中的RIOM對電阻兩端的電壓信號進(jìn)行信號采集，以獲取級位的信息。級位信號作為車輛控制中極為重要的組成部分，一般需要提供冗余功能，即由完全冗余的兩個(gè)RIOM進(jìn)行信號的采集（如圖4）。

電壓信號的采集設(shè)備一般較電流信號的采集設(shè)備成本低，因此該方案的成本較低，但是電阻的阻值會隨著溫度的變化而變化，溫度的特性曲線一般為近似的拋物線（如圖5）。

當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，電阻阻值會出現(xiàn)輕微變化，RIOM檢測到的電壓值會出現(xiàn)漂移，因此控制的精度會隨之出現(xiàn)偏差。

2.1.2 直接對電流信號進(jìn)行采集

TCMS通過RIOM對電流信號進(jìn)行直接采集。為增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可通過兩個(gè)RIOM冗余的方式進(jìn)行信號采集，如圖6。

圖6 兩個(gè)RIOM冗余方式信號采集

電流源作為恒流源具有精度高的特點(diǎn)，直接采集電流信號可以使得控制精度提高。但電流恒流源和電流模擬信號的采集設(shè)備成本略高，因此電壓源的司控器應(yīng)運(yùn)而生。

2.2 電壓源司控器

電壓源司控器使用旋轉(zhuǎn)電位器進(jìn)行電壓信號的輸出，當(dāng)司機(jī)推動(dòng)司控器手柄時(shí)，電位器的電阻阻值發(fā)生變化，TCMS通過采集電位器上電壓的變化進(jìn)行信號采集，可通過如下方式進(jìn)行控制。

2.2.1 直接對電壓信號采集

直接對電位器的電壓輸出進(jìn)行測量，如圖7。

圖7 電位器電壓輸出測量回路

通過調(diào)整R1和R2的阻值，使得電位器的電壓輸出范圍控制在9 V～0.5 V，如圖8。

圖8 電位器輸出電壓

該方法的成本最低，但是其控制精度受限于電源的輸出精度和電阻的溫度系數(shù)，當(dāng)電源的輸出電壓出現(xiàn)波動(dòng)或者三個(gè)電阻的阻值因環(huán)境溫度變化而出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，采集到的電壓信號就不能精確地表示司控器手柄的實(shí)時(shí)位置，控制精度相對較差。

2.2.2 比對法進(jìn)行級位信息采集

為克服外部環(huán)境因素帶來的不利影響，確?？刂频木群涂煽啃裕覀兌x之前采集的電位器的輸出信號為EffDmd，然后多采集一個(gè)電位器兩端的電壓輸出為參考信號EffRef，如圖 9。

圖9 參考信號EffRef采集

使用兩個(gè)變量的比值 進(jìn)行控制，如圖10。

圖10 列車運(yùn)行工況-變量比關(guān)系

使用該方法后，電源電壓輸出的波動(dòng)和電阻阻值的波動(dòng)所產(chǎn)生的影響幾乎可以忽略不計(jì)。為了提高設(shè)備的可用性，可以增加冗余設(shè)計(jì)，每個(gè)司控器可以采用兩套電位器，TCMS也增加一套RIOM對電壓信號進(jìn)行采集。由于電位器和電壓信號采集設(shè)備的成本較恒流源和電流信號采集設(shè)備的成本低得多，因此該控制方式性價(jià)比較高。

3 TCMS對級位控制的應(yīng)用

TCMS收集牽引制動(dòng)指令信號、級位信號、方向信號以及緊急制動(dòng)信號等信息后，這讓TCMS對所有信號進(jìn)行綜合判定成為可能，使得每個(gè)孤立的信號不再需要設(shè)置復(fù)雜的聯(lián)鎖電路進(jìn)行控制，讓級位控制也更加安全。當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，TCMS可以接管牽引系統(tǒng)的速度控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)對牽引和制動(dòng)的同步控制，以達(dá)到更好的控制效果和功能。

3.1 TCMS實(shí)現(xiàn)更加安全的級位控制

TCMS可以收集眾多信號并進(jìn)行統(tǒng)一的邏輯判定，參考代碼如下：

If緊急制動(dòng)緩解 and牽引授權(quán) and牽引指令；

Then輸出級位：=獲取的當(dāng)前級位；

Else輸出級位：=0。

3.2 TCMS實(shí)現(xiàn)對速度的控制

TCMS可以通過收集速度信號，并實(shí)時(shí)根據(jù)當(dāng)前的速度信號在達(dá)到或者超過目標(biāo)速度時(shí)對牽引、制動(dòng)指令和級位進(jìn)行有效控制，參考代碼如下：

目標(biāo)速度：=設(shè)定值；

步距速度：=設(shè)定值；

當(dāng)速度小于目標(biāo)速度：

牽引指令；

牽引級位限制：=級位需求100%*（目標(biāo)速度 -當(dāng)前速度）/步距速度；

輸出級位：=0＜獲取的當(dāng)前級位 ＜牽引級位限制；當(dāng)速度大于目標(biāo)速度：

制動(dòng)指令；

制動(dòng)級位限制：=級位需求100%*（目標(biāo)速度 -當(dāng)前速度）/步距速度；

輸出級位：=-100＜獲取的當(dāng)前級位 ＜制動(dòng)級位限制；

該速度控制由牽引系統(tǒng)獨(dú)立執(zhí)行改為TCMS執(zhí)行后，制動(dòng)系統(tǒng)也可以參與到速度控制中，從而使得車輛即使在超載（AW3）工況、惡劣線路條件等特殊工況下，也能變得更加安全。

4 備用模式下的級位控制方式

盡管車輛TCMS網(wǎng)絡(luò)控制有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是為保證車輛的可用性和可靠性，在車輛設(shè)計(jì)時(shí)為保證車輛在網(wǎng)絡(luò)故障模式下依然可用，會為車輛設(shè)計(jì)備用模式下的緊急牽引功能，用于網(wǎng)絡(luò)控制出現(xiàn)故障時(shí)的車輛控制。

4.1 PWM控制

將傳統(tǒng)的PWM控制作為備用模式進(jìn)行級位控制（如圖11）。

圖11 備用模式級位控制

在牽引系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)軟件中進(jìn)行約定，當(dāng)備用模式激活時(shí)，牽引和制動(dòng)系統(tǒng)不再執(zhí)行TCMS網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的命令，而是使用PWM編碼器發(fā)來的PWM信號進(jìn)行控制。

其優(yōu)點(diǎn)為即使車輛TCMS網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，司機(jī)依舊可以通過司控器手柄精確地控制車輛。當(dāng)然因?yàn)镻WM編碼器的使用，成本大大增加。

4.2 級位編碼控制

隨著車輛網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的日趨成熟，可靠性越來越高，備用模式也很少發(fā)揮作用，因此可以使用簡單的編碼方式進(jìn)行簡單的級位控制，如圖12。

圖12 編碼方式級位控制

在司控器手柄的行程上設(shè)定兩個(gè)行程開關(guān)S12和S13，當(dāng)司控器手柄的級位需求（牽引和制動(dòng)）為50%-100%時(shí)，行程開關(guān)S12閉合；當(dāng)司控器手柄的級位需求（牽引和制動(dòng)）為25%-75%時(shí)，行程開關(guān)S13閉合。在牽引和制動(dòng)系統(tǒng)中進(jìn)行約定：當(dāng)車輛控制網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，牽引和制動(dòng)按照圖 12約定的級位需求進(jìn)行控制。

級位編碼控制方式雖然并非十分精確地進(jìn)行控制，但其成本低廉，并基本滿足了備用模式下的控車需求。

5 結(jié)束語

PWM作為車輛傳統(tǒng)級位控制方式正被逐步淘汰。實(shí)踐證明，TCMS很好地完成了地鐵車輛牽引、制動(dòng)指令的采集和傳輸，提高了地鐵車輛牽引力、制動(dòng)力等級位信號的抗干擾能力，充分發(fā)揮了TCMS控制功能的可靠性、安全性、可維護(hù)性與低成本等優(yōu)勢。不同的信號采集方式為TCMS控制提供了更多的可能性和可選擇性，不同的采集方式各自有其不同的優(yōu)缺點(diǎn)，車輛設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)不同的需求進(jìn)行合理選擇。