磁浮列車(chē)懸浮控制系統(tǒng)工程化應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)*

徐俊起 佟來(lái)生 榮立軍 張文躍 袁建軍 吉 文

(1.同濟(jì)大學(xué)磁浮交通工程技術(shù)研究中心，200092，上海；2. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，610031，成都；3.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，412001，株洲 //第一作者，高級(jí)工程師)

2016年5月6日，長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)正式進(jìn)入試運(yùn)營(yíng)階段，標(biāo)志著中國(guó)自主研制的中低速磁浮列車(chē)由實(shí)驗(yàn)室走向工程化應(yīng)用。長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)位于湖南省長(zhǎng)沙市，連接長(zhǎng)沙高鐵站和長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)，全長(zhǎng)18.55 km。從2012年開(kāi)始，在上海臨港中低速磁浮試驗(yàn)線(xiàn)研制的工程樣機(jī)的基礎(chǔ)上，同濟(jì)大學(xué)和中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)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(yàn)線(xiàn)上進(jìn)行了一系列功能和性能驗(yàn)證，在工程化樣車(chē)上運(yùn)行了2萬(wàn)多公里。盡管如此，由于線(xiàn)路距離長(zhǎng)、條件復(fù)雜、工況較多等原因，在長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)懸浮控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖 1)調(diào)試過(guò)程中仍然遇到了很多問(wèn)題和困難。本文針對(duì)長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)懸浮控制系統(tǒng)工程化應(yīng)用過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行探討，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、抗干擾措施、車(chē)軌耦合共振抑制、抗連續(xù)臺(tái)階激擾等關(guān)鍵技術(shù)。

1 可靠性設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)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(mǎn)足規(guī)定的固有可靠性要求。因此，應(yīng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行必要的可靠性設(shè)計(jì)?？煽啃栽O(shè)計(jì)是可靠性工程的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品固有可靠性要求的最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是在可靠性分析的基礎(chǔ)上通過(guò)制定和貫徹可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在產(chǎn)品研制過(guò)程中，常用的可靠性設(shè)計(jì)原則和方法有：元器件選擇和控制、熱設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、冗余和容錯(cuò)設(shè)計(jì)和環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)等。在懸浮控制器工程化應(yīng)用過(guò)程中，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、冗余和容錯(cuò)設(shè)計(jì)在提高系統(tǒng)可靠性方面發(fā)揮了重要作用。

1.1 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)就是指產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將構(gòu)成產(chǎn)品的元件尺寸精度、形位要求、結(jié)構(gòu)或構(gòu)成整個(gè)部件或系統(tǒng)的要求進(jìn)行簡(jiǎn)化，在保證性能要求的前提下達(dá)到最簡(jiǎn)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(shè)計(jì)。具體到懸浮控制器中，主要表現(xiàn)如下文所述。

1.1.1 簡(jiǎn)化控制電路結(jié)構(gòu)

在原試驗(yàn)樣機(jī)的基礎(chǔ)上，使用大容量FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)實(shí)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(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使用數(shù)字電路替代模擬電路。將上述功能綜合運(yùn)用后，使試驗(yàn)樣機(jī)的 4 塊控制板卡簡(jiǎn)化為 2 塊控制板卡，極大簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，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(shí)施過(guò)程中取得了良好的效果。

1.1.2 簡(jiǎn)化功率電路結(jié)構(gòu)

原試驗(yàn)樣機(jī)功率電路包括 2 個(gè)輸入電壓傳感器、2個(gè)熔斷器、2個(gè)輸入濾波器、2 個(gè)接觸器、2 個(gè)支撐電容、IGBT 模塊、2 個(gè)輸出電流傳感器、輸出電抗器等主要部件。經(jīng)過(guò)分析和試驗(yàn)，在保持原電路功能和性能不下降的基礎(chǔ)上，功率電路簡(jiǎn)化為 1 個(gè)輸入電壓傳感器、 1 個(gè)熔斷器、2 個(gè)輸入濾波器、2 個(gè)接觸器、2 個(gè)支撐電容、IGBT 模塊、1 個(gè)輸出電流傳感器。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的電路，節(jié)省了成本，又提高了系統(tǒng)可靠性，在長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)上未發(fā)生懸浮控制器功率部件可靠性問(wèn)題。

1.2 冗余和容錯(cuò)設(shè)計(jì)

冗余和容錯(cuò)設(shè)計(jì)是指通過(guò)冗余設(shè)計(jì)等手段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的容錯(cuò)功能。長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)冗余和容錯(cuò)設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)包括以下幾個(gè)方面。

1.2.1 懸浮傳感器信號(hào)的冗余設(shè)計(jì)

懸浮傳感器的主要功能是測(cè)量電磁鐵磁極面與軌道之間的間隙，并檢測(cè)電磁鐵垂向運(yùn)動(dòng)加速度。為實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的軌道接縫通過(guò)功能，一般采用 2 個(gè)間隙傳感器和 1個(gè)加速度傳感器。在長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)懸浮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，懸浮傳感器采用 3 個(gè)間隙傳感器和 2 個(gè)加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)了懸浮間隙信號(hào)和加速度信號(hào)的冗余功能。當(dāng) 1 路間隙信號(hào)或 1 路加速度信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別故障傳感器，并切換到未出現(xiàn)故障傳感器，使車(chē)輛能夠繼續(xù)保持正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

1.2.2 懸浮控制電路內(nèi)部信號(hào)冗余和容錯(cuò)設(shè)計(jì)

在懸浮控制器內(nèi)部控制電路中，主要控制信號(hào)采用冗余設(shè)計(jì)。間隙信號(hào)采用 3 路并行信號(hào)處理和濾波電路，加速度信號(hào)采用 2 路并行信號(hào)處理和濾波電路，電流信號(hào)采用 2 路并行信號(hào)處理和濾波電路。當(dāng)其中的1路信號(hào)發(fā)生故障或錯(cuò)誤時(shí)，不會(huì)影響其它電路。采用冗余和容錯(cuò)處理后，提高了系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)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(gè)強(qiáng)磁環(huán)境中，因此干擾問(wèn)題是懸浮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中必須考慮的問(wèn)題。懸浮控制系統(tǒng)的工作環(huán)境存在大量的電磁信號(hào)，如電網(wǎng)波動(dòng)、高壓設(shè)備開(kāi)關(guān)電磁輻射等，當(dāng)它們產(chǎn)生干擾沖擊時(shí)，往往就會(huì)擾亂系統(tǒng)的正常運(yùn)行，降低了系統(tǒng)的精度，甚至嚴(yán)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(duì)設(shè)備抑制外來(lái)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(shù)。

2.1 屏蔽措施

屏蔽技術(shù)是抑制電磁場(chǎng)干擾的重要措施，正確的屏蔽阻止干擾進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部。在懸浮控制器試驗(yàn)樣機(jī)中，控制電路板安裝在未密閉的機(jī)籠里。在株洲中低速磁浮試驗(yàn)線(xiàn)運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程中，靠近牽引變流器的兩個(gè)懸浮控制器受到很大的干擾，系統(tǒng)出現(xiàn)突然死機(jī)重啟現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)分析和試驗(yàn)認(rèn)為，機(jī)籠沒(méi)有很好地屏蔽電磁干擾，導(dǎo)致懸浮控制 CPU (中央處理器)復(fù)位，引起系統(tǒng)故障。通過(guò)改進(jìn)機(jī)籠結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)屏蔽功能，系統(tǒng)受干擾死機(jī)重啟故障消失。在長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)懸浮控制器中，采用完全封閉的控制板卡機(jī)籠，未出現(xiàn)過(guò)因電磁干擾引起的 CPU 復(fù)位故障。

2.2 濾波措施

濾波是抑制干擾傳導(dǎo)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(hào)的頻譜寬得多，因此，當(dāng)接收器接收有用信號(hào)時(shí)，也會(huì)接收到那些不希望有的干擾。這時(shí)可以采用濾波的方法，僅允許所需要的頻率成分通過(guò)，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(cè)和 110 V控制電壓輸入側(cè)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(kāi)了地環(huán)電流的干擾，降低了公共地線(xiàn)阻抗的耦合干擾?！耙稽c(diǎn)接地”有效地避開(kāi)了地環(huán)電流，而在“一點(diǎn)接地”前提下，并聯(lián)接地則是降低公共地線(xiàn)阻抗的耦合干擾的有效措施。在磁浮列車(chē)上，以車(chē)體作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位。懸浮控制器和懸浮傳感器通過(guò)接地線(xiàn)纜可靠連接在車(chē)體上，保證了系統(tǒng)的基準(zhǔn)點(diǎn)位一致，有效地通過(guò)接地防止了干擾侵入。

3 車(chē)軌耦合共振問(wèn)題

在磁浮列車(chē)的研究過(guò)程中，車(chē)輛和軌道之間的共振問(wèn)題一直是人們研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一。在不同軌道條件、不同速度和不同車(chē)輛工況下，如何解決車(chē)軌耦合振動(dòng)問(wèn)題，一直是磁浮研究的難題。在長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)懸浮控制系統(tǒng)調(diào)試中，同樣面臨車(chē)軌共振問(wèn)題。由于長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn) 18.55 km的線(xiàn)路條件復(fù)雜，車(chē)軌共振問(wèn)題更加復(fù)雜。在調(diào)試的初始階段，車(chē)輛在維修軌道、車(chē)站軌道以及部分線(xiàn)路上都存在車(chē)軌共振現(xiàn)象。為了對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)研究，建立了中低速磁浮列車(chē)車(chē)軌共振試驗(yàn)臺(tái)(見(jiàn)圖2)。該試驗(yàn)臺(tái)包括1個(gè)單懸浮架結(jié)構(gòu)、1套軌道及振動(dòng)激勵(lì)系統(tǒng)和1套懸浮控制系統(tǒng)。

在車(chē)軌共振試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于軌道剛度及基礎(chǔ)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(guò)進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)并與軌道特性相匹配，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定良好的懸浮控制。結(jié)合軌道特性、懸浮架結(jié)構(gòu)特性和振動(dòng)激勵(lì)的施加等因素，在車(chē)軌共振試驗(yàn)臺(tái)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(duì)懸浮控制性能的影響，對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化懸浮系統(tǒng)性能具有重要價(jià)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(hào)濾波器成為影響車(chē)軌共振情況的主要因素。根據(jù)軌道振動(dòng)頻率，采用不同的低通和高通濾波參數(shù)可以有效消除車(chē)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(yùn)動(dòng)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(shí)間常數(shù)；Th為高通濾波器時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)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(shí)際電磁力;ΔI為電磁鐵電流控制量；S為復(fù)變量

圖3 懸浮控制方案

4 軌道臺(tái)階干擾問(wèn)題

在磁浮線(xiàn)路上，由于鋼制軌道的熱脹冷縮，導(dǎo)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(gè)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(zhǎng)度較長(zhǎng)，必須預(yù)留較大長(zhǎng)度的軌縫，又因?yàn)閼腋鞲衅鲀蓚€(gè)間隙之間的距離決定每個(gè)軌縫不能超過(guò)40 mm，因此，在兩段較長(zhǎng)軌道之間的接縫被分割為 4～6 個(gè)連續(xù)軌縫(見(jiàn)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(dāng)高差大于某個(gè)值時(shí)，將對(duì)懸浮控制系統(tǒng)造成較大的臺(tái)階干擾；而連續(xù)較大的臺(tái)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(tái)階干擾對(duì)懸浮控制系統(tǒng)的影響，在懸浮控制方案中加入非線(xiàn)性控制算法。該算法的基本原理是，當(dāng)臺(tái)階干擾對(duì)懸浮間隙造成的間隙變化超過(guò) 4 mm 時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)一種特殊的非線(xiàn)性算法自動(dòng)增大阻尼系數(shù)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)驗(yàn)證，本算法對(duì)解決連續(xù)臺(tái)階干擾問(wèn)題具有明顯的效果。

圖4 兩段較長(zhǎng)軌道之間的連續(xù)軌縫

5 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)是世界上第三條中低速磁浮商業(yè)運(yùn)營(yíng)線(xiàn)。作為無(wú)更多冗余設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，磁浮列車(chē)懸浮系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在設(shè)備高可靠性的基礎(chǔ)上，采用簡(jiǎn)單有效的控制算法，以便在不同工況和線(xiàn)路條件下，使懸浮控制系統(tǒng)達(dá)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(chē)懸浮控制系統(tǒng)優(yōu)化的首要目標(biāo)。本文通過(guò)總結(jié)長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)懸浮控制系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，得到的主要結(jié)論如下：

(1)通過(guò)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)等措施提高系統(tǒng)可靠性；

(2)通過(guò)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(dòng)頻率，對(duì)間隙信號(hào)采用不同的低通和高通濾波參數(shù)可以有效消除車(chē)軌共振；

(4)在控制方案中，加入非線(xiàn)性算法以增大系統(tǒng)阻尼，對(duì)解決連續(xù)臺(tái)階干擾問(wèn)題具有明顯的效果。