100%低地板车牵引变流系统控制技术

陈德文 董 侃 刁利军

(1.长春市轨道交通集团有限公司 长春 130000;2.北京交通大学电气工程学院 北京 100044)

100%低地板车牵引变流系统控制技术

陈德文1董 侃2刁利军2

(1.长春市轨道交通集团有限公司 长春 130000;2.北京交通大学电气工程学院 北京 100044)

介绍我国首列完全自主研制的100%低地板车牵引变流系统的组成及其牵引控制技术:采用先进的矢量控制技术来实现独立轮转向架牵引电机的控制，控制性能良好;分析列车控制功能的实现机理和相互之间的逻辑关系，给出了载荷调整、防滑/防空转等重要的列车控制策略。给出现场试验波形，验证其良好的牵引控制性能。

城市轨道交通;100%低地板车;牵引系统;矢量控制;防滑防空转

1 轻轨车辆优点

轻轨交通(light rail transport，LRT)是铁路运输的一种，又称轻轨捷运、轻轨铁路，简称“轻轨”，泛指所有在道路、街道上面或旁边行走的电车以及多节的铁路列车［1］。与地铁相比，轻轨交通具有以下突出的优点［2－4］。人性化、建设成本低、周期短:低地板轻轨车客室的地板面低，只需要很低的站台，可方便老人、小孩上下车，轻轨在土建成本上远低于地铁，建设周期也短得多。噪声低:轻轨不会对周边环境产生太大的影响。景观和谐:由于基本不需要建设隧道和高架，所以不会对城市环境和景观造成破坏，与城市建设相结合，反而给人一种和谐之美。节能:没有因为隧道而增加的环控设备费用和二次能源消耗。灵活适应运量变化:轻轨车“短小精悍”，可以更好地应对高低峰时刻客流反差引起的编组变更问题。

依托国家“十一五”科技支撑重点项目“100%低地板车研制”，以北车长春客车股份有限公司、北京交通大学、北车大连研发中心、北车永济电机厂为主要合作单位，成功开发研制出我国首列具有完全自主知识产权的100%低地板轻轨车(见图1)，掌握了以下关键核心技术:独立轮动/拖车转向架、轻量化铝合金车体、牵引变流器、辅助逆变器及充电机、牵引电机、列车网络监控系统、多模块铰接装置等关键技术［5］。下面从系统组成、电机控制技术、车辆控制、运行试验结果等方面，介绍由北京交通大学负责研制的牵引变流系统的控制技术。

图1 我国首列100%低地板轻轨车

2 牵引变流系统

2.1 变流系统组成

如图2所示，整车变流系统由牵引系统TSYS1和TSYS2组成，每个变流系统包括1套牵引变流器TCU(traction control unit)、1套辅助变流器。牵引变流器主要用于将直流电转换成可变频变压的交流电，对牵引电机进行控制;牵引控制采用1个逆变器控制1个牵引电机的1C1M方式，同时完成车辆控制和电机控制功能。

2.2 变流系统功能

整个变流系统与列车独立轮转向架的纵向布置电机对应，牵引变流系统采用1C1M模式，系统功能包括牵引电机驱动、车辆控制、网络监控等，如图3所示。

图2 变流器系统组成

图3 牵引变流系统功能

牵引变流系统接收司控台的给定指令，通过先进的矢量控制技术，将750 V直流电压变换成电压幅值及频率可变的交流电压来控制牵引电机，实现列车的牵引/制动功能。通过CANOpen网络与列车控制单元(vehicle control unit，VCU)配合，同时通过硬线的直接输出，实现对列车的逻辑控制，包括防滑控制、制动配合等。通过以太网络与电脑的通信，可实现对变流系统的直接监控、故障数据下载和诊断以及现场调试功能，具有友好的人机接口。

2.3 控制系统结构

为了实现完善的电机控制、车辆控制及网络监控功能，变流系统的控制采用双数字信号处理器DSP和现场可编程门阵列FPGA结构，软件控制采用分层方式，如图4所示。

1)顶层:主要由DSP1完成系统的监控、诊断、显示及其他低速控制功能，并实现与司控台和VCU以及人机接口的通信，控制周期为ms级。

2)中层:由DSP2实现主要的电机控制算法和信号逻辑控制，采用高级语言C或C++实现，控制周期为几十到几百μs。

3)快速控制:由FPGA完成，包括系统级保护、数据交互、信号测量等功能，周期一般小于100 μs。

图4 控制系统结构

4)驱动层:主要实现功率单元的驱动和保护功能，速度最快。

3 牵引电机控制

轻轨车采用3对极的异步感应电机，由于其具有非线性、强耦合、时变等特点［6］，为了得到良好的控制性能，最后采用了以矢量控制策略为主的电机控制技术。

3.1 矢量控制原理

控制原理如图5所示［7］:采样定子两相电流，通过三相静止/两相旋转的Park变换，得到定子^电流的同步旋转dq轴分量id、iq，计算得到转子磁链ψr。司控器手柄给出参考牵引力，经过列车牵引特性曲线及牵引力，由电机转矩转换后得到电机转矩给定值，经Iqcal模块得到转矩分量的给定量i*q;由转矩分量给定i*q和转子磁链计算得到给定转差频率，加上转子频率后积分得到转子磁链的位置角θe，作为下次旋转变换的变换角。把转子转速送入弱磁单元得到转子磁链给定值，对实际值进行PI1运算后获得定子电流的励磁分量给定值。将转矩分量给定i*q和励磁分量给定i*d分别与实际采样值iq和id相减，经PI3运算后得到dq坐标系的电压分量 uds、uqs，与耦合分量 udcc、uqcc相加后，得到经前馈解耦后的电压控制信号u*ds、u*qs，送入空间矢量调制模块，得到脉冲信号，送给电压型逆变器进行电机控制。

3.2 实际试验结果

图6给出了实际列车牵引/制动时牵引电机的试验波形，图7给出了采用矢量控制的列车运行波形，从图中可以看出，牵引电机实现了励磁分量和转矩分量的良好控制，列车牵引制动稳定。

图5 牵引电机矢量控制原理

图6 牵引电机矢量控制试验波形

图7 列车正常运行时电机控制相关波形

图8 TCU状态关系转换

4 车辆控制

车辆控制主要是根据司机给定指令和车辆的工况进行控制，以维持列车稳定、可靠运行。车辆的启动、运行、关闭均由牵引控制单元(traction control unit，TCU)控制，TCU的几种控制状态的转换关系如图8所示，各种状态动作如下:

1)待机(IDLE):当直流侧电压大于500V时，辅助逆变器运行正常，TCU进入IDLE状态，等待充电指令。

2)准备(READY):当网侧电压在满足运行范围时(500～900 V)，检测司控器指令;当有充电命令时，对直流母线电容充电。充电完后，TCU进入READY状态，等待运行指令。

3)运行(RUN):充电完成后，根据司控器指令，控制列车牵引、制动运行，TCU进入RUN状态。

4)故障(TRIP):当检测到故障时，TCU进入TRIP状态。TCU会相应地封锁脉冲，断开线路接触器，给出故障信号。TCU存储故障信息后，重启再运行，进入IDLE状态。

考虑各种因素，可以认为整个车辆的控制逻辑是一个由各种约束组成的串联结构，如图9所示。

图9 车辆控制逻辑

其中，“系统执行状态机”表示列车的行驶方向(向前、向后、无方向或方向切换)和牵引、制动、惰行以及限速、洗车、倒行等状态的判断和执行;在此基础上，根据列车速度和司机给定的牵引力指令，通过“牵引特性曲线”得到初步的给定牵引力;然后考虑车辆载荷、系统状态以及冲动、防滑等因素，得到最终的给定牵引力，由牵引系统控制牵引电机达到期望的控制效果。“系统限制”主要考虑在系统异常的情况下适当降低牵引力，以保证系统在异常状态不恶化的情况下保持列车的持续运行，主要考虑过温(变流器、电机、空气等过温)、同一转向架的轮径差太大、超速、轮径异常、网压异常等因素的影响。“冲动控制”主要具有以下作用:获得平滑的给定，限制牵引/制动的功率突变以减小EMI，减小对电网的冲击。对于路权独立或带平交路口的线路，轻轨车的冲动率一般控制在1.0 m/s3以内;而对于共享路权的线路，则可以控制在2.0～3.0 m/s3。冲动控制的实现，将通过调节牵引力或制动力的上升/下降斜率来进行。载荷调整及防滑/防空转的控制原理将在后面论述。

4.1 载荷调整功能

载荷调整的主要作用是:根据实际车辆载荷的变化，适时调整给定牵引力，以保证列车牵引制动的平稳性，一般按照比例进行调整，如图10所示。

图10 载荷调整后的车辆控制逻辑

载荷调整必须符合以下原则:每站间只进行一次载荷修正及运算调整;在未知载荷的情形下，默认采用AW2载荷参与运算;如果有隔离的或关闭的TCU模块，将负载修正系数设置到100%，以模拟最大负荷;在高速段，由于车辆阻力存在，将负载修正系数设置到100%，以补偿阻力。

4.2 防滑/防空转控制

牵引系统的防滑/防空转模块用在不利的轨道条件下，以提高加速和减速的性能，具有以下任务:充分利用轮轨黏着力;防止牵引时驱动轴的空转，以及制动时驱动轴的滑行;减少车轮和轨道的磨耗。

防滑/防空转保护由TCU执行，且此控制功能仅对动车施加，制动时拖车的滑行保护由制动控制单元BCU执行，其基本原理如图11所示。对动车两个电机的速度和拖车速度进行测量，并将其传输到TCU牵引控制单元中，再对测量值进行比较，以获得参考车速;TCU连续监控参考速度和动车电机的旋转速度，如果有差值，则牵引力就自动减少，以满足轮轨黏着力;如果轨道条件变好，摩擦系数变高，那么牵引力将按照一定的斜率(可调节)提高到轮轨黏着力。这种通过限制牵引力矩来抵消滑行和空转的方法，被广泛应用于轻轨系统。

图11 防滑/防空转基本原理

当TCU无法获取参考车速时，使用无参考速度的防滑/防空转模块，将根据动车电机的加速度进行保护。

为了验证列车防滑/防空转的控制效果，将肥皂液或混合剂洒在列车前进方向侧车轮踏面的轨面上，使受试车辆具备产生空转或滑行的条件。测试时，使用最大牵引级位，使列车达到40～70 km/h的速度，然后使用最大制动力停车，获得的试验波形如图12所示。可以看出，被控电机速度与参考速度的差异较小，控制效果良好。

图12 防滑/防空转试验波形

5 结语

我国第一列100%低地板车已在长春轻轨正线完成了5 000 km的中试试验，充分说明了所研制的牵引变流系统设计合理，具有良好的电机控制和车辆控制性能，为车辆的稳定、可靠运行提供了重要保障，也为我国完全自主创新、自主研发的低地板车技术装备的发展和竞争提供了有力的支持。

［1］Glossary of transit terminology.Online Publications and Databases［R］.American Public Transportation Authority，2008.

［2］王渤洪.现代低地板轨道车辆创新走行部［J］.机车电传动，2009(2):44－47.

［3］邹婷婷，李莉.阿尔斯通公司展示Citadis轻轨车模型［J］.国外铁道车辆，2009(1):6.

［4］王欢，戴焕云.低地板轻轨车辆的技术分析与自主研发选型［J］.中国铁路，2009(10):56－59.

［5］刘志刚.100%低地板车牵引传动系统研究及装备研制［J］.都市快轨交通，2010，23(5):17－21.

［6］Bose B.K.Modern power electronics and AC drives［M］，Harlow:Prentice － Hal，2002.

［7］刁利军.电力推进负载模拟系统研究［D］.北京:北京交通大学，2008.

Control Technologies of Traction Converter for 100%Low－Floor Vehicles

Chen Dewen1Dong Kan2Diao Lijun2
(1.Changchun Railway Group Co.，Ltd，Changchun 130000;2.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044)

Abstract:This paper introduces the composition and traction control functions of the traction converter system for the first domestic 100%low-floor vehicles,which were innovated by ourselves with the complete proprietary intellectual property right.Advanced vector control was adopted for motor control of independent-wheel bogie with good performance achieved.The train control theory and logic relation were also analyzed,such as load regulation,anti-slip/slide control,etc.The onsite experimental wave forms validated the good performance of traction control.

Key words:urban rail transit;100%low-floor vehicle;traction system;vector control;anti-slip/slide

U266.2

A

1672－6073(2012)04－0111－05

10.3969/j.issn.1672 －6073.2012.04.027

收稿日期:2011－07－02

2011－08－1

作者简介:陈德文，男，副经理，工程师，从事城市轨道交通电力牵引及电力电子技术与传动研究，ljdiao@bjtu.edu.cn

“十一五”国家科技支撑计划重点项目(2006BAG02B00);北京市科技计划项目(D101100049610001)

(编辑:郭 洁)