周雙雷 鄔春暉 王 博 徐 萌

（1. 中車青島四方車輛研究所有限公司，266114，青島；2.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司運(yùn)營(yíng)二分公司，100043，北京；3. 中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，工程師）

地鐵列車牽引控制系統(tǒng)通常為車控、架控和軸控中的一種或兩種組合設(shè)計(jì)。例如，牽引時(shí)采用架控、制動(dòng)時(shí)采用車控的混合控車模式：為提高可靠性、降低因牽引動(dòng)力損失過(guò)多帶來(lái)的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，牽引時(shí)采用架控；為配合制動(dòng)廠家的車控制動(dòng)系統(tǒng)，電制動(dòng)時(shí)采用車控［1-2］。

混合多模式列車牽引控制軟件在傳統(tǒng)的單核控制平臺(tái)上開(kāi)發(fā)難度大。地鐵新型驅(qū)動(dòng)控制單元（DCU）采用多核心、多任務(wù)、多板卡協(xié)同式工作的架構(gòu)，混合式列車牽引系統(tǒng)軟件在該平臺(tái)上通過(guò)采用功能劃分的信號(hào)控制流實(shí)現(xiàn)架控控制信號(hào)的解耦和車控控制信號(hào)的耦合，從而滿足列車控制要求，降低耦合故障的影響，軟件架構(gòu)也更明確、清晰。

1 列車牽引控制模式

車控、架控和軸控3 種控制模式有多種列車牽引電路結(jié)構(gòu)［1-3］。

在圖1 ～4 中，PU 是指驅(qū)動(dòng)1 臺(tái)或多臺(tái)并聯(lián)電機(jī)的牽引三相逆變器。地鐵車輛的常規(guī)布局是每輛車2 臺(tái)轉(zhuǎn)向架，動(dòng)車轉(zhuǎn)向架包含了2 根裝有牽引電機(jī)及齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)等傳動(dòng)裝置的動(dòng)軸。采用車控時(shí)，PU1 同時(shí)驅(qū)動(dòng)動(dòng)車上所有4 臺(tái)電機(jī)，如圖1 所示；采用架控時(shí)，PU1、PU2 分別驅(qū)動(dòng)2 臺(tái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上的2 臺(tái)電機(jī)，如圖2 和圖3 所示；采用軸控時(shí)，PU1、PU2 各驅(qū)動(dòng)1 個(gè)動(dòng)軸上的1 臺(tái)電機(jī)，如圖4 所示。

列車牽引系統(tǒng)車控方式，每輛動(dòng)車配置1 臺(tái)PU、1 臺(tái)HB（高速斷路器）、1 臺(tái)牽引濾波電抗器、1套主接觸器及預(yù)充電單元、1 臺(tái)DCU。

采用架控模式時(shí)，列車牽引系統(tǒng)高壓回路主要有2 種配置方式：

1）第1 種：配置了2 個(gè)PU（PU1 和PU2）、2 臺(tái)HB、2 臺(tái)有2 個(gè)獨(dú)立線圈的濾波電抗器、2 套主接觸器及預(yù)充電單元、2 臺(tái)DCU，在該結(jié)構(gòu)中2 個(gè)轉(zhuǎn)向架的牽引系統(tǒng)完全獨(dú)立。

2）第2 種：配置了2 個(gè)PU（PU1 和PU2），1 臺(tái)HB、1 臺(tái)集成2 個(gè)獨(dú)立線圈的濾波電抗器、2 套主接觸器及預(yù)充電單元、1 臺(tái)DCU。該結(jié)構(gòu)和第1 種相比共用HB、DCU 等設(shè)備，因而在綜合故障率和成本上，具有優(yōu)勢(shì)。

架控牽引系統(tǒng)多采用上述第2 種配置，如采用時(shí)代電氣牽引系統(tǒng)的北京燕房線、北京地鐵9 號(hào)線，采用四方所牽引系統(tǒng)的北京地鐵1 號(hào)線、八通線和青島地鐵11 號(hào)線等。

軸控牽引受車輛空間的限制，一般配置2 個(gè)逆變器箱，每個(gè)箱內(nèi)布置2 個(gè)PU。永磁牽引系統(tǒng)一般為軸控方式。

因關(guān)鍵器件共用，列車牽引系統(tǒng)架控模式的第2 種配置方式的控制軟件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，本文對(duì)此做重點(diǎn)研究。

圖2 典型架控原理圖（獨(dú)立HB）

圖3 典型架控原理圖（共用HB）

圖4 典型軸控原理圖

2 地鐵新型DCU 架構(gòu)

為適應(yīng)多任務(wù)、高性能及復(fù)雜的工作環(huán)境，地鐵新型DCU 采用DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）+FPGA（可編程邏輯處理器）+ARM（嵌入式微處理器）的硬件平臺(tái)架構(gòu)，是當(dāng)前工控領(lǐng)域嵌入式控制主流平臺(tái)。它擁有高速的運(yùn)算能力和豐富的外圍設(shè)備，接口功能可靈活地配置和定義。新型多任務(wù)、多核心、板卡式協(xié)同工作的DCU 架構(gòu)見(jiàn)圖5 所示。

DCU 的處理器板卡采用多核心、分布式工作模式，核與核、核與外圍接口板卡間的重要實(shí)時(shí)控制信號(hào)通過(guò)高速并口通信協(xié)議進(jìn)行交互，過(guò)程信號(hào)通過(guò)CAN（控制器局域網(wǎng)）總線進(jìn)行通信。

ARM 采用QNX 嵌入式操作系統(tǒng)，主要完成邏輯控制、對(duì)外通信管理、人機(jī)交互界面、慢速故障記錄等功能；DSP 設(shè)計(jì)為DSP1、DSP2 雙核心，主要完成電機(jī)矢量控制算法、DSP 快速保護(hù)邏輯；FPGA 主要協(xié)調(diào)各芯片、板卡間的數(shù)據(jù)交互接口管理。

另外，PU 信號(hào)采樣板（CCA4 板） 采用高速FPGA 設(shè)計(jì)，主要完成與核心控制相關(guān)的信號(hào)實(shí)時(shí)采樣濾波、FPGA 模擬量信號(hào)快速保護(hù)、PWM（脈寬調(diào)制）脈沖生成和分配等。

總之，本架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)牽引變流控制、邏輯控制與保護(hù)控制、防滑防空轉(zhuǎn)控制策略、故障記錄診斷維護(hù)等。其為多模式牽引控制軟件設(shè)計(jì)提供了優(yōu)秀的軟硬件平臺(tái)。

圖5 地鐵新型DCU 構(gòu)架

3 混合式架控實(shí)現(xiàn)方案和控制策略

混合式架控在電路結(jié)構(gòu)和信號(hào)控制流方面高度耦合，2 個(gè)轉(zhuǎn)向架的牽引系統(tǒng)無(wú)法做到完全獨(dú)立（上述第1 種配置除外）。

本研究將各類設(shè)備、控制策略、控制指令、信息交互和觀測(cè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為信號(hào)流。使用系統(tǒng)屬性做唯一標(biāo)識(shí)信號(hào)進(jìn)行功能劃分，以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的信號(hào)流控制和2 套控制系統(tǒng)的解耦和耦合，將耦合故障對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響降到最低。

3.1 架控信息解耦

控制信號(hào)有多種系統(tǒng)屬性，在研究電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上本文為混合式架控牽引系統(tǒng)假設(shè)2 個(gè)基本的系統(tǒng)屬性：PU1 系統(tǒng)屬性和PU2 系統(tǒng)屬性。這2 個(gè)屬性分別對(duì)應(yīng)該列車的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架1 的牽引系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向架2 的牽引系統(tǒng)，在定義上這2 個(gè)系統(tǒng)屬性完全獨(dú)立。

使用圖解法將各設(shè)備、信號(hào)等劃分為PU1 系統(tǒng)和PU2 系統(tǒng)。通過(guò)識(shí)別對(duì)象的系統(tǒng)屬性，分類結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，牽引系統(tǒng)的大部分設(shè)備、控制算法、控制指令、信息交互和狀態(tài)都被唯一的標(biāo)識(shí)為PU1 系統(tǒng)屬性和PU2 系統(tǒng)屬性，但HB、DCU 為PU1、PU2 這2 套系統(tǒng)所共有，不具有完全獨(dú)立的屬性。

圖6 混合架控信號(hào)屬性圖解

HB 作為保護(hù)動(dòng)作設(shè)備應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)主動(dòng)保護(hù)的特性，減少PU1、PU2 兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)該設(shè)備的操作，只需做到上電合閘、跳閘后可復(fù)位合閘的操作即可。由于牽引系統(tǒng)高壓回路短路的概率很低，并且PU1、PU2 2 個(gè)系統(tǒng)對(duì)HB 基本不做操作，可認(rèn)為HB 對(duì)PU1、PU2 2 個(gè)系統(tǒng)的耦合性基本沒(méi)影響。

對(duì)于DCU 而言，盡量從軟件、板卡配置等方面入手，減少PU1、PU2 這2 個(gè)系統(tǒng)的共用屬性。雖共用1 個(gè)機(jī)箱，但DCU 內(nèi)部的I/O（輸入/輸出）模塊、電機(jī)算法等均可以配置在獨(dú)立的板卡或者DSP 芯片上。邏輯算法運(yùn)行在ARM 的QNX 操作系統(tǒng)上，軟件設(shè)計(jì)在邏輯處理、信號(hào)定義時(shí)可運(yùn)行2 套獨(dú)立的進(jìn)程。信號(hào)處理板卡上的FPGA 在執(zhí)行快速保護(hù)時(shí)各通道獨(dú)立運(yùn)行。DCU 具體的功能劃分見(jiàn)圖7。

圖7 DCU 功能劃分

3.2 列車牽引時(shí)架控模式的信號(hào)流

列車牽引采用架控模式時(shí)，控制系統(tǒng)信息基本在各自PU1、PU2 系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)，交互的信息較少，具有獨(dú)立性。此時(shí)PU1 的信號(hào)S1、PU2 的信號(hào)S2 流向分析如圖8 所示。

從以上分析可知，HB 和DCU 雖共有但不影響2 套信號(hào)流的獨(dú)立性，S1 和S2 基本獨(dú)立而不耦合。在圖8 中，S1 和S2 分別源自2 套獨(dú)立的控制邏輯，經(jīng)過(guò)DSP 算法運(yùn)算后控制PU1、PU2 驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向架上的電機(jī)。在一個(gè)轉(zhuǎn)向架的牽引系統(tǒng)故障時(shí)，另一個(gè)轉(zhuǎn)向架牽引系統(tǒng)不受影響；轉(zhuǎn)向架牽引發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，只有本架上的牽引系統(tǒng)性能降低，另一臺(tái)不受影響，保障了列車的動(dòng)力性能，架控的優(yōu)勢(shì)得到發(fā)揮，提高了線路運(yùn)營(yíng)效率。

3.3 列車制動(dòng)時(shí)車控模式的信號(hào)流

列車牽引系統(tǒng)硬件按架控設(shè)計(jì)，但車輛電-空配合時(shí)需滿足制動(dòng)系統(tǒng)的車控方式，這種矛盾的配置存在2 套系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)耦合統(tǒng)一的問(wèn)題：①2 套獨(dú)立模式的制動(dòng)力如何協(xié)調(diào)分配；②2 套模式的電制動(dòng)有效、可用、切除、故障隔離等狀態(tài)如何做到同步。

3.3.1 制動(dòng)力協(xié)調(diào)分配

2 個(gè)轉(zhuǎn)向架PU1、PU2 系統(tǒng)在給定相同制動(dòng)力需求值的條件下電制動(dòng)力的發(fā)揮會(huì)不一致，尤其在觸發(fā)滑行、制動(dòng)電阻冷熱不均時(shí)差異會(huì)更大，電制動(dòng)力損失需要空氣制動(dòng)補(bǔ)充。在補(bǔ)充期間，正常的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架在被動(dòng)施加額外制動(dòng)力，超黏著觸發(fā)滑動(dòng)故障的幾率增加。

為此，本文研究了一種跟隨式下垂算法解決2個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架出力不一致的問(wèn)題。該方法的本質(zhì)是列車制動(dòng)力指令需求值、PU1 和PU2 系統(tǒng)實(shí)際電制動(dòng)力需求值與實(shí)際值之間的協(xié)調(diào)配合聯(lián)動(dòng)。需求不變，一個(gè)出力小，另一個(gè)會(huì)主動(dòng)使功率下垂將制動(dòng)力降低到另一臺(tái)的水平。

需要列車空氣制動(dòng)補(bǔ)充時(shí)一般應(yīng)采用如下的電空交叉混合方案［2-4］：

1）列車的動(dòng)車BCU（制動(dòng)控制單元）按照本車占全部動(dòng)車載重的比例去申請(qǐng)電制動(dòng)力。

2）電制動(dòng)力之和滿足全列車制動(dòng)力時(shí)，不補(bǔ)充空氣制動(dòng)。

3）電制動(dòng)力之和不能滿足全列車制動(dòng)力時(shí)，首先在拖車上按拖車載重比例補(bǔ)充空氣制動(dòng)，拖車所能補(bǔ)充的最大空氣制動(dòng)力與制動(dòng)減速度有關(guān)。

4）當(dāng)拖車空氣制動(dòng)補(bǔ)足后，剩余所需要補(bǔ)充的制動(dòng)力將平均補(bǔ)充到各個(gè)動(dòng)車上。各動(dòng)車上補(bǔ)充的空氣制動(dòng)和本車電制動(dòng)力之和受到輪軌黏著極限的限制。

根據(jù)以上分析結(jié)果，跟隨式下垂法的下垂函數(shù)表達(dá)式為：

式中：

F2，1——轉(zhuǎn)向架2 下垂處理后的制動(dòng)力；

F1——轉(zhuǎn)向架1 電制動(dòng)力；

F2——轉(zhuǎn)向架2 電制動(dòng)力；

ΔF1——轉(zhuǎn)向架1 電制動(dòng)力下垂數(shù)量；

ΔF2——轉(zhuǎn)向架2 電制動(dòng)力下垂數(shù)量；

k ——下垂系數(shù)。

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)本研究將下垂模型簡(jiǎn)化為線性函數(shù)，k 的取值為1/4。保證轉(zhuǎn)向架2 的F2降低后在該轉(zhuǎn)向架上總制動(dòng)力不超過(guò)最大輪軌黏著力。

3.3.2 狀態(tài)同步

制動(dòng)時(shí)，1 個(gè)轉(zhuǎn)向架電制動(dòng)因故障隔離、外部切除指令等導(dǎo)致制動(dòng)力切除，制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)在2 個(gè)轉(zhuǎn)向架同時(shí)施加空氣制動(dòng)以保證制動(dòng)減速度。正常轉(zhuǎn)向架的電制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力的疊加會(huì)頻繁觸發(fā)車輪滑行甚至抱死，使車輪磨耗嚴(yán)重影響使用壽命。

因此，通過(guò)控制信號(hào)流將制動(dòng)下的牽引系統(tǒng)配置為車控，實(shí)現(xiàn)2 個(gè)轉(zhuǎn)向架電制動(dòng)狀態(tài)同步。同一車輛中當(dāng)1 個(gè)轉(zhuǎn)向架滑行時(shí)，2 個(gè)轉(zhuǎn)向架就同時(shí)執(zhí)行滑行防護(hù)邏輯；1 個(gè)轉(zhuǎn)向架因故障切除，另1 個(gè)轉(zhuǎn)向架也同時(shí)切除。

圖8 列車牽引采用架控模式時(shí)的控制信號(hào)流向

4 結(jié)語(yǔ)

本文在研究混合式牽引系統(tǒng)的固有矛盾和特性后，在地鐵新型DCU 架構(gòu)上通過(guò)屬性識(shí)別的方法將牽引系統(tǒng)劃分為2 個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的解耦，通過(guò)控制信號(hào)流的方向?qū)崿F(xiàn)了牽引架控和制動(dòng)車控的分離和統(tǒng)一的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)通過(guò)跟隨式下垂法和狀態(tài)同步控制策略，解決了2 套獨(dú)立的制動(dòng)系統(tǒng)耦合所產(chǎn)生的關(guān)鍵問(wèn)題，最大程度地降低這種配置所造成的車輪和閘瓦磨耗問(wèn)題。