磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)工程化應用中的關鍵技術*

徐俊起 佟來生 榮立軍 張文躍 袁建軍 吉 文

(1.同濟大學磁浮交通工程技術研究中心，200092，上海；2. 西南交通大學電氣工程學院，610031，成都；3.中車株洲電力機車有限公司，412001，株洲 //第一作者，高級工程師)

2016年5月6日，長沙磁浮快線正式進入試運營階段，標志著中國自主研制的中低速磁浮列車由實驗室走向工程化應用。長沙磁浮快線位于湖南省長沙市，連接長沙高鐵站和長沙黃花機場，全長18.55 km。從2012年開始，在上海臨港中低速磁浮試驗線研制的工程樣機的基礎上，同濟大學和中車株洲電力機車有限公司聯(lián)合研制的懸浮控制器在株洲中低速磁浮試驗線上進行了一系列功能和性能驗證，在工程化樣車上運行了2萬多公里。盡管如此，由于線路距離長、條件復雜、工況較多等原因，在長沙磁浮快線懸浮控制系統(tǒng)(見圖 1)調(diào)試過程中仍然遇到了很多問題和困難。本文針對長沙磁浮快線懸浮控制系統(tǒng)工程化應用過程中遇到的問題進行探討，重點闡述了系統(tǒng)可靠性設計、抗干擾措施、車軌耦合共振抑制、抗連續(xù)臺階激擾等關鍵技術。

1 可靠性設計

在產(chǎn)品設計過程中，為消除產(chǎn)品的潛在缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，防止故障發(fā)生，以確保滿足規(guī)定的固有可靠性要求。因此，應對產(chǎn)品進行必要的可靠性設計。可靠性設計是可靠性工程的重要組成部分，是實現(xiàn)產(chǎn)品固有可靠性要求的最關鍵的環(huán)節(jié)，是在可靠性分析的基礎上通過制定和貫徹可靠性設計準則來實現(xiàn)的。在產(chǎn)品研制過程中，常用的可靠性設計原則和方法有：元器件選擇和控制、熱設計、簡化設計、降額設計、冗余和容錯設計和環(huán)境防護設計等。在懸浮控制器工程化應用過程中，簡化設計、冗余和容錯設計在提高系統(tǒng)可靠性方面發(fā)揮了重要作用。

1.1 簡化設計

簡化設計就是指產(chǎn)品在設計過程中，將構成產(chǎn)品的元件尺寸精度、形位要求、結構或構成整個部件或系統(tǒng)的要求進行簡化，在保證性能要求的前提下達到最簡化狀態(tài)，以便于制造、裝配和維修，以及提高可靠性的一種設計。具體到懸浮控制器中，主要表現(xiàn)如下文所述。

1.1.1 簡化控制電路結構

在原試驗樣機的基礎上，使用大容量FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)實現(xiàn)原分立電路的邏輯控制功能，使用集成電路、合并采樣電路簡化系統(tǒng)結構，使用數(shù)字電路替代模擬電路。將上述功能綜合運用后，使試驗樣機的 4 塊控制板卡簡化為 2 塊控制板卡，極大簡化了電路結構，提高了系統(tǒng)可靠性，使控制電路便于制造、裝配和維修，降低了制造成本，在工程化實施過程中取得了良好的效果。

1.1.2 簡化功率電路結構

原試驗樣機功率電路包括 2 個輸入電壓傳感器、2個熔斷器、2個輸入濾波器、2 個接觸器、2 個支撐電容、IGBT 模塊、2 個輸出電流傳感器、輸出電抗器等主要部件。經(jīng)過分析和試驗，在保持原電路功能和性能不下降的基礎上，功率電路簡化為 1 個輸入電壓傳感器、 1 個熔斷器、2 個輸入濾波器、2 個接觸器、2 個支撐電容、IGBT 模塊、1 個輸出電流傳感器。經(jīng)過簡化后的電路，節(jié)省了成本，又提高了系統(tǒng)可靠性，在長沙磁浮快線上未發(fā)生懸浮控制器功率部件可靠性問題。

1.2 冗余和容錯設計

冗余和容錯設計是指通過冗余設計等手段實現(xiàn)系統(tǒng)級的容錯功能。長沙磁浮快線冗余和容錯設計主要表現(xiàn)包括以下幾個方面。

1.2.1 懸浮傳感器信號的冗余設計

懸浮傳感器的主要功能是測量電磁鐵磁極面與軌道之間的間隙，并檢測電磁鐵垂向運動加速度。為實現(xiàn)車輛的軌道接縫通過功能，一般采用 2 個間隙傳感器和 1個加速度傳感器。在長沙磁浮快線懸浮控制系統(tǒng)設計中，懸浮傳感器采用 3 個間隙傳感器和 2 個加速度傳感器，實現(xiàn)了懸浮間隙信號和加速度信號的冗余功能。當 1 路間隙信號或 1 路加速度信號出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動識別故障傳感器，并切換到未出現(xiàn)故障傳感器，使車輛能夠繼續(xù)保持正常運營狀態(tài)。

1.2.2 懸浮控制電路內(nèi)部信號冗余和容錯設計

在懸浮控制器內(nèi)部控制電路中，主要控制信號采用冗余設計。間隙信號采用 3 路并行信號處理和濾波電路，加速度信號采用 2 路并行信號處理和濾波電路，電流信號采用 2 路并行信號處理和濾波電路。當其中的1路信號發(fā)生故障或錯誤時，不會影響其它電路。采用冗余和容錯處理后，提高了系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)的可靠性指標得到很大改善。

2 抗干擾措施

懸浮控制器和傳感器處在一個強磁環(huán)境中，因此干擾問題是懸浮控制系統(tǒng)設計和應用過程中必須考慮的問題。懸浮控制系統(tǒng)的工作環(huán)境存在大量的電磁信號，如電網(wǎng)波動、高壓設備開關電磁輻射等，當它們產(chǎn)生干擾沖擊時，往往就會擾亂系統(tǒng)的正常運行，降低了系統(tǒng)的精度，甚至嚴重影響懸浮控制系統(tǒng)性能，直至系統(tǒng)不能夠正常工作。為了提高抗干擾能力，通常使用抑制干擾源和對設備抑制外來干擾的方法。在懸浮控制系統(tǒng)自身的抗干擾措施中，除了采用軟件濾波和抗干擾算法外，采用的硬件抗干擾方法主要有屏蔽、濾波、隔離和接地等技術。

2.1 屏蔽措施

屏蔽技術是抑制電磁場干擾的重要措施，正確的屏蔽阻止干擾進入設備內(nèi)部。在懸浮控制器試驗樣機中，控制電路板安裝在未密閉的機籠里。在株洲中低速磁浮試驗線運行試驗過程中，靠近牽引變流器的兩個懸浮控制器受到很大的干擾，系統(tǒng)出現(xiàn)突然死機重啟現(xiàn)象。經(jīng)過分析和試驗認為，機籠沒有很好地屏蔽電磁干擾，導致懸浮控制 CPU (中央處理器)復位，引起系統(tǒng)故障。通過改進機籠結構，增強屏蔽功能，系統(tǒng)受干擾死機重啟故障消失。在長沙磁浮快線懸浮控制器中，采用完全封閉的控制板卡機籠，未出現(xiàn)過因電磁干擾引起的 CPU 復位故障。

2.2 濾波措施

濾波是抑制干擾傳導的一種重要方法。由于干擾源發(fā)出的電磁干擾頻譜往往要比接收信號的頻譜寬得多，因此，當接收器接收有用信號時，也會接收到那些不希望有的干擾。這時可以采用濾波的方法，僅允許所需要的頻率成分通過，而將干擾頻率成分加以抑制。在懸浮控制系統(tǒng)中，常用 LC (電感電容)低通濾波器抑制由外部電網(wǎng)侵入的高頻干擾。在 330 V 主電源輸入側和 110 V控制電壓輸入側分別串接 LC 低通濾波器，起到了很好的濾波作用。

2.3 接地措施

抗干擾接地處理避開了地環(huán)電流的干擾，降低了公共地線阻抗的耦合干擾。“一點接地”有效地避開了地環(huán)電流，而在“一點接地”前提下，并聯(lián)接地則是降低公共地線阻抗的耦合干擾的有效措施。在磁浮列車上，以車體作為系統(tǒng)的基準電位。懸浮控制器和懸浮傳感器通過接地線纜可靠連接在車體上，保證了系統(tǒng)的基準點位一致，有效地通過接地防止了干擾侵入。

3 車軌耦合共振問題

在磁浮列車的研究過程中，車輛和軌道之間的共振問題一直是人們研究的重點問題之一。在不同軌道條件、不同速度和不同車輛工況下，如何解決車軌耦合振動問題，一直是磁浮研究的難題。在長沙磁浮快線懸浮控制系統(tǒng)調(diào)試中，同樣面臨車軌共振問題。由于長沙磁浮快線 18.55 km的線路條件復雜，車軌共振問題更加復雜。在調(diào)試的初始階段，車輛在維修軌道、車站軌道以及部分線路上都存在車軌共振現(xiàn)象。為了對這個問題進行系統(tǒng)研究，建立了中低速磁浮列車車軌共振試驗臺(見圖2)。該試驗臺包括1個單懸浮架結構、1套軌道及振動激勵系統(tǒng)和1套懸浮控制系統(tǒng)。

在車軌共振試驗中發(fā)現(xiàn)，由于軌道剛度及基礎特征的變化，懸浮控制系統(tǒng)特性隨之發(fā)生了較大變化，通過進一步優(yōu)化參數(shù)并與軌道特性相匹配，可以實現(xiàn)穩(wěn)定良好的懸浮控制。結合軌道特性、懸浮架結構特性和振動激勵的施加等因素，在車軌共振試驗臺上，可以系統(tǒng)地研究懸浮控制系統(tǒng)的剛度、阻尼、濾波參數(shù)對懸浮控制性能的影響，對進一步優(yōu)化懸浮系統(tǒng)性能具有重要價值。研究中發(fā)現(xiàn)，在懸浮剛度和阻尼不變的情況下，間隙信號濾波器成為影響車軌共振情況的主要因素。根據(jù)軌道振動頻率，采用不同的低通和高通濾波參數(shù)可以有效消除車軌共振。系統(tǒng)最終采用的懸浮控制方案如圖3所示。

注：a為電磁鐵垂向運動加速度；C為懸浮間隙；I為電磁鐵電流；C0為懸浮間隙期望值；I0為額定電流值；T1a，T1b為低通濾波器時間常數(shù)；Th為高通濾波器時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)；K1為間隙偏差系數(shù)；K2為間隙偏差微分系數(shù)；K3為加速度反饋系數(shù)；K4為間隙偏差積分系數(shù)；Kf為常數(shù)；F為電磁鐵產(chǎn)生的實際電磁力;ΔI為電磁鐵電流控制量；S為復變量

圖3 懸浮控制方案

4 軌道臺階干擾問題

在磁浮線路上，由于鋼制軌道的熱脹冷縮，導致一段軌道與另一段軌道的連接處都留有不大于40 mm(由懸浮傳感器兩個間隙之間的距離決定)的軌縫。在有大跨度梁的位置，由于軌道長度較長，必須預留較大長度的軌縫，又因為懸浮傳感器兩個間隙之間的距離決定每個軌縫不能超過40 mm，因此，在兩段較長軌道之間的接縫被分割為 4～6 個連續(xù)軌縫(見圖4)。由于制造和安裝誤差，軌縫之間必然存在一定的高差，當高差大于某個值時，將對懸浮控制系統(tǒng)造成較大的臺階干擾；而連續(xù)較大的臺階干擾，將使懸浮系統(tǒng)超調(diào)，造成系統(tǒng)失穩(wěn)，以及發(fā)生滑橇或電磁鐵接觸到軌道的情況。

為解決連續(xù)臺階干擾對懸浮控制系統(tǒng)的影響，在懸浮控制方案中加入非線性控制算法。該算法的基本原理是，當臺階干擾對懸浮間隙造成的間隙變化超過 4 mm 時，系統(tǒng)根據(jù)一種特殊的非線性算法自動增大阻尼系數(shù)。經(jīng)過長沙磁浮快線驗證，本算法對解決連續(xù)臺階干擾問題具有明顯的效果。

圖4 兩段較長軌道之間的連續(xù)軌縫

5 結語

長沙磁浮快線是世界上第三條中低速磁浮商業(yè)運營線。作為無更多冗余設計的系統(tǒng)，磁浮列車懸浮系統(tǒng)的可靠性設計至關重要。在設備高可靠性的基礎上，采用簡單有效的控制算法，以便在不同工況和線路條件下，使懸浮控制系統(tǒng)達到優(yōu)良的狀態(tài)，以及增加乘客乘坐舒適性，成為磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)優(yōu)化的首要目標。本文通過總結長沙磁浮快線懸浮控制系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)驗，得到的主要結論如下：

(1)通過簡化設計和冗余容錯設計等措施提高系統(tǒng)可靠性；

(2)通過屏蔽、濾波和接地等措施提高系統(tǒng)抗干擾能力；

(3)根據(jù)軌道振動頻率，對間隙信號采用不同的低通和高通濾波參數(shù)可以有效消除車軌共振；

(4)在控制方案中，加入非線性算法以增大系統(tǒng)阻尼，對解決連續(xù)臺階干擾問題具有明顯的效果。