適用于分布式計算機聯鎖系統的智能轉轍機研究

潘 明,趙夢瑤,2,王龍生

(1.中國鐵道科學研究院通信信號研究所,國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心,北京 100081； 2.中國鐵道科學研究院研究生部,北京 100081)

近年來，國外、國內多家信號公司都已研發出各自的全電子計算機聯鎖系統，并取得了不同程度的實際應用業績，且最終可實現軌旁設備智能化控制的分布式全電子聯鎖系統已成為計算機聯鎖系統的一個主要發展方向，而智能轉轍機則可以說是其中最為關鍵的設備[1]。

動力式道岔轉轍機是道岔控制系統的執行機構，同時具有轉換道岔、(機械)鎖閉道岔和反映道岔位置表示三大關鍵基本功能。動力式轉轍機不但在提高運輸效率、有效改善勞動條件方面起著至關重要的作用，而且由于道岔的轉換、鎖閉和狀態表示與運行的列車或車列直接相關，直接影響行車安全，所以是鐵路信號最重要的基礎設備[2]。現有轉轍機采用集中控制方式，控制電路設計較為復雜巧妙，轉換過程和表示狀態對線路進行了復用，高效利用了有限數量的線纜，能夠實現道岔動力的切換，控制道岔定反位轉換以及表示狀態的回傳。但隨著聯鎖系統向著執行層分布式、智能化的方向發展，用電子和光傳輸代替了原有的電纜傳輸，不但可顯著擴展傳輸距離并顯著降低傳輸成本，而且以光傳輸為基礎的分布式就地控制還能夠極大地減小甚至消除電纜混線的安全隱患，杜絕雷電、牽引電流經傳輸(光)纜侵入的可能，顯著提升系統的防雷性能[3-7]。

本文提出一種適用于分布式計算機聯鎖系統的智能轉轍機，具備網絡接口和智能控制單元，可直接通過外部通信轉換單元及光纖環網與上層對象控制器建立通信，接收聯鎖機的控制命令進行相應的動作。同時智能轉轍機內部使用無刷直流電機取代傳統直流電機，使用智能控制單元與高精度位移傳感器取代了傳統轉轍機中自動開閉器和摩擦連接器等機械結構，可實時采集轉轍機工作狀態和道岔尖軌位置等數據，并通過通信接口最終上傳至監測系統，便于室內工作人員掌握轉轍設備工作狀態的全面數據，通過對大量監測數據的分析和存儲對比，可為轉轍機存在的潛在隱患提供判斷依據。

1 智能轉轍機設計

根據《鐵路道岔轉轍機 第1部分：通用技術條件》(GB/T 25338.1—2010)、《鐵路道岔轉轍機 第2部分：試驗方法》(GB/T 25338.2—2010)等技術條件中的相關規定、設計需求、現有條件及使用經驗，要滿足轉轍機的功能需求，必須包含以下功能：動力驅動功能、道岔位置表示功能、過載保護功能、動作桿和表示桿的鎖閉與解鎖功能等。在保證道岔轉轍設備安全性的前提下，提出智能轉轍機主要功能設計方案。智能轉轍機的原理框圖和結構框圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 智能轉轍機工作原理

圖2 智能轉轍機結構

智能轉轍機按功能分為動作模塊、表示模塊、鎖閉模塊和通信模塊。其中動作模塊由轉轍機控制單元(包括CPU1和CPU2)、電機控制單元、繼電器組以及直流無刷電機組成。工作原理為：CPU1接收聯鎖發來的控制命令，邏輯處理之后通過通信接口轉發給電機控制器，使電機控制器產生相應的PWM信號控制電機轉動；CPU2接收到命令后，也進行邏輯處理，并控制繼電器組的開閉，這樣只能兩個CPU的邏輯處理結果一致時才能驅動電機轉動，實現2取2的安全控制。

(1)表示模塊由兩組位移傳感器組成，形成安全冗余的結構。一方面實時檢測道岔位置，提供給電機控制器實現閉環控制；另一方面也具有檢測道岔位置和是否轉動到位的功能。

(2)鎖閉模塊由滾珠絲杠和鎖閉裝置組成，當位移傳感器檢測道岔轉到位并且密貼后，鎖閉裝置實現道岔鎖閉，轉轍機控制單元給出相應的表示。

(3)通信模塊與聯鎖系統和監測系統相連，與聯鎖系統的通信包括接收下發的命令和上傳狀態信息；與監測系統的通信實現電機當前轉速、目標轉速、電流、電壓以及道岔尖軌位置等信息的交互，用于實時監測和存儲設備狀態數據。

以我國鐵路使用量最大的ZD6型轉轍機為例，智能轉轍機與其結構對比如表1所示，可以看出智能轉轍機具有如下特性。

表1 ZD6型轉轍機與智能轉轍機結構對比

(1)智能轉轍機使用網絡接口與控制系統(聯鎖系統)連接，通過光纖環網接入室內聯鎖主控層，適用于分布式控制或區域控制的計算機聯鎖系統。

(2)智能轉轍機采用無刷直流電機來提供動力。無刷直流電機是根據現代控制技術和電機理論而研制的新型機電一體化產品，采用電子換向[8]，避免了傳統電動轉轍機中有刷直流電機機械換向帶來的機械摩擦、換向火花、電磁噪聲、電刷磨損及維修性差等種種弊端。無刷直流電機既有交流電機的結構簡單、運行可靠、維護方便等特點，又有直流電機運行效率高，調劑性能好等特性，同時其智能控制技術的研究也日益成熟，逐步被應用于自動化及工業現場[8-11]。

(3)智能轉轍機的道岔位置檢測采用無接點的位移傳感器方式。選用差動變壓器式位移傳感器(簡稱為LVDT)和智能控制單元配合表示桿來實現道岔位置的正確表示功能。LVDT是利用電磁感應原理來測量位移量的一種傳感器，基本組成包括鐵芯、骨架、激磁繞組、2個對稱分布的輸出繞組及外殼等[12]。LVDT把直線位移轉換為模擬電壓，能進行非接觸式位移測量，具有結構簡單、響應速度快、分辨率高和使用壽命長等優點[13]，已被應用于航空、航天及眾多工業控制場合[14]。

2 智能轉轍機無刷直流電機自適應控制

在上述的設計當中，無刷直流電機的閉環控制算法將直接影響轉轍機位置轉動的精度、轉動的速度和平順性等性能指標，所以本節將設計一種自適應控制器對轉轍機進行控制。

選取智能轉轍機中的控制相關模塊，構建成閉環控制系統，如圖3所示。

圖3 智能轉轍機控制環路

2.1 無刷直流電機的數學模型

由文獻[15]可知，無刷直流電機的電磁轉矩方程為

(1)

式中，Te為電磁轉矩；eA，eB，eC為定子繞組的電動勢；iA，iB，iC為定子繞組的電流；ω為電機的機械角速度。

由無刷電機的工作原理可知，ABC三相只會同時導通兩相，以AB兩相導通時為例，此時的供電電壓

(2)

式中，L，M和R分別為電機每相繞組的自感，每兩相繞組的互感和每相的電阻；i為線圈電流；ke為感應反電動勢。

根據牛頓力學定理，電機的運動方程為

(3)

式中，t為時間；J為轉子與負載的轉動慣量；T0為負載轉矩；B為阻尼系數。

無刷直流電機最終將帶動道岔，本設計中通過位置傳感器能測量到推動的距離為

L=klωt

(4)

式中，kl為電機轉動角度到道岔動作距離的轉換系數。

聯立式(1)～式(4)，即為智能轉轍機的無刷直流電機數學模型。需注意式(3)中的阻尼系數B和負載轉矩T0會因為線路條件的不同而不同，因此使用傳統的PID控制算法無法保證精確的位置控制。針對這個問題，本文設計一種自適應控制器[16]。

2.2 無刷直流電機自適應控制器設計

定義道岔動作桿期望的移動距離為L*，那么實際距離和期望距離的誤差

e=L-L*

(5)

設計如下自適應控制器

(6)

(7)

式中，λB>0，λT>0，能使e→0，即控制器使道岔轉到期望位置。構造相應的Lyapunov函數能證明該算法的穩定性。

3 實驗平臺的開發與驗證

根據智能轉轍機工作原理開發了實驗平臺，驗證智能轉轍機的功能和控制性能。圖4所示為智能轉轍機實驗平臺，該平臺主要包括：57BL系列無刷直流電機、AQMD6010BLS型電機控制器、CPU1、CPU2、繼電器組、絲杠型道岔模型組件、LVDT位移傳感器、電源等。

圖4 智能轉轍機實驗平臺

3.1 智能轉轍機的功能驗證

智能轉轍機實驗平臺用于模擬智能轉轍機來完成道岔轉換，以及轉換到位后給出道岔位置表示的過程。在實驗過程中，智能轉轍機以3 000 r/min的轉速，通過減速器連接滾珠絲杠，經過4 s的時間可以完成1次道岔轉換，符合轉轍機要求的動作時間。圖5為智能轉轍機完成一次轉換過程的電機電流曲線。從圖5可以看出，智能轉轍機電流曲線平滑，具有較小的啟動電流，啟動后電機電流可以較快地進入穩定狀態，經過多次實驗表明智能轉轍機具有較好的穩定性和可靠性。

圖5 智能轉轍機電流曲線

使用計算機模擬聯鎖機及微機監測系統，與智能轉轍機實驗平臺中控制單元進行通信，向轉轍機控制單元發送道岔動作命令，同時接收控制單元上傳的電機實時狀態及道岔位置等信息。圖6為使用計算機模擬監測系統編寫的實時顯示界面，可以看出在轉轍機接到命令開始轉動過程中，監測系統可以獲取道岔是否轉換到位、電機電流、電機當前轉速、目標轉速、電機是否堵轉、4個位移傳感器數據以及道岔位置表示等信息，這些信息隨著轉轍機的工作狀態進行實時更新，轉動到位后給出道岔正確的位置表示(定位、反位或四開狀態)，可以證明該智能轉轍機控制邏輯正確，在實現轉轍機基本功能的同時提供了更多電機工作狀態信息以及道岔位移數據。

圖6 智能轉轍機模擬監測界面

3.2 無刷直流電機的控制性能

比較使用PID控制算法和本文提出的自適應控制算法的控制效果，結果如圖7所示。圖中虛線為使用PID算法的結果，可見實際的位移和期望的位移有一個穩態誤差；圖中實線是使用自適應算法的結果，道岔動作的位移能精確地到達零點，驗證了對于模型存在不確定參數情形下，該算法能有效地實現位移的精確控制，為智能轉轍機的安全轉動提供保障。

圖7 自適應控制與PID控制位移曲線

4 結語

設計了一種可應用于分布式全電子計算機聯鎖系統的智能轉轍機及其自適應控制算法。智能轉轍機具有獨立的信息采集和處理功能，通過光纖以太網接入聯鎖等系統，擴展方式靈活，并且啟動電流小，具有可變速功能，系統結構確保了較高的可靠性和可用性。提出的自適應控制算法能有效地克服因道岔使用環境不同，軌道摩擦系數和帶動的負載不同所導致控制精度不夠的問題，確保智能轉轍機的安全操作。