地鐵車輛牽引制動力指令的級位控制

王仁慶 南京地鐵建設有限責任公司

1 地鐵車輛傳統級位控制方式--PWM脈寬調制

PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制技術），它通過不同占空比的脈沖信號來表示牽引和制動的級位信息。其在逆變電路中有著重要的地位，在地鐵車輛的傳統控制方式中有著極其重要的作用。以南京地鐵一號線車輛為例，整車設計采用如下設計方案，詳見圖1。

圖1 設計方案框圖

使用三角載波可以使PWM等效出正弦波（如圖2），因此PWM可以直接用于逆變器的控制。

圖2 PWM等效正弦波

PWM編碼器采用90%～10%占空比的方波表示從100%全牽引到惰行再到快速制動的所有級位信息，超過90%或者低于10%的占空比被認為是無效的級位信號。

與模擬信號相比較，PWM采用時間上的占空比，這極大提高了PWM信號的抗干擾能力，延長了信號傳輸距離，使得信號傳輸精準超過百米成為可能。

2 地鐵車輛網絡控制下的級位控制方式--TCMS

地鐵車輛是城市軌道交通系統的重要組成部分，也是技術含量較高的機電設備。隨著現代經濟、技術的高速發展，現代地鐵車輛也正朝著自動化、高速化的方向發展。越來越多的列車狀態和故障信息需要在車輛各子系統之間互相傳輸與交換。為滿足上述要求，TCMS（Train Control and Management System，列車控制系統）應運而生。

TCMS作為列車控制系統，在軌道交通車輛尤其是地鐵車輛上的應用越來越廣泛。TCMS采用數字信號對列車進行控制，TCMS采集到司控器或ATC發出的級位模擬信號后，將其轉換為數字信號，在對級位信號進行計算及有效性判定后，TCMS通過MVB網絡實時傳輸給牽引和制動系統進行相應控制。TCMS的介入使得級位信號和其他的車輛控制信號進行有效的統一管理成為可能，使得級位控制更加精確，車輛更加安全。

司控器會通過電流或者電壓信號來提供信號源，TCMS一般通過如下方法進行數據采集。

2.1 電流源司控器

當電流源司控器控制手柄從快速制動位推至全牽引位時，司控器會提供4 mA～20 mA的電流信號（如圖3）。

圖3 司控器電流信號

TCMS通過如下兩種方法對電流信號進行級位的信號采集并進行相應的控制。

2.1.1 轉為電壓信號進行信號采集

根據V=R*I，在電流環路上添加一個電阻后，TCMS系統中的RIOM對電阻兩端的電壓信號進行信號采集，以獲取級位的信息。級位信號作為車輛控制中極為重要的組成部分，一般需要提供冗余功能，即由完全冗余的兩個RIOM進行信號的采集（如圖4）。

電壓信號的采集設備一般較電流信號的采集設備成本低，因此該方案的成本較低，但是電阻的阻值會隨著溫度的變化而變化，溫度的特性曲線一般為近似的拋物線（如圖5）。

當環境溫度變化時，電阻阻值會出現輕微變化，RIOM檢測到的電壓值會出現漂移，因此控制的精度會隨之出現偏差。

2.1.2 直接對電流信號進行采集

TCMS通過RIOM對電流信號進行直接采集。為增加系統的穩定性，可通過兩個RIOM冗余的方式進行信號采集，如圖6。

圖6 兩個RIOM冗余方式信號采集

電流源作為恒流源具有精度高的特點，直接采集電流信號可以使得控制精度提高。但電流恒流源和電流模擬信號的采集設備成本略高，因此電壓源的司控器應運而生。

2.2 電壓源司控器

電壓源司控器使用旋轉電位器進行電壓信號的輸出，當司機推動司控器手柄時，電位器的電阻阻值發生變化，TCMS通過采集電位器上電壓的變化進行信號采集，可通過如下方式進行控制。

2.2.1 直接對電壓信號采集

直接對電位器的電壓輸出進行測量，如圖7。

圖7 電位器電壓輸出測量回路

通過調整R1和R2的阻值，使得電位器的電壓輸出范圍控制在9 V～0.5 V，如圖8。

圖8 電位器輸出電壓

該方法的成本最低，但是其控制精度受限于電源的輸出精度和電阻的溫度系數，當電源的輸出電壓出現波動或者三個電阻的阻值因環境溫度變化而出現波動時，采集到的電壓信號就不能精確地表示司控器手柄的實時位置，控制精度相對較差。

2.2.2 比對法進行級位信息采集

為克服外部環境因素帶來的不利影響，確保控制的精度和可靠性，我們定義之前采集的電位器的輸出信號為EffDmd，然后多采集一個電位器兩端的電壓輸出為參考信號EffRef，如圖 9。

圖9 參考信號EffRef采集

使用兩個變量的比值 進行控制，如圖10。

圖10 列車運行工況-變量比關系

使用該方法后，電源電壓輸出的波動和電阻阻值的波動所產生的影響幾乎可以忽略不計。為了提高設備的可用性，可以增加冗余設計，每個司控器可以采用兩套電位器，TCMS也增加一套RIOM對電壓信號進行采集。由于電位器和電壓信號采集設備的成本較恒流源和電流信號采集設備的成本低得多，因此該控制方式性價比較高。

3 TCMS對級位控制的應用

TCMS收集牽引制動指令信號、級位信號、方向信號以及緊急制動信號等信息后，這讓TCMS對所有信號進行綜合判定成為可能，使得每個孤立的信號不再需要設置復雜的聯鎖電路進行控制，讓級位控制也更加安全。當采樣頻率足夠高時，TCMS可以接管牽引系統的速度控制模塊，從而實現對牽引和制動的同步控制，以達到更好的控制效果和功能。

3.1 TCMS實現更加安全的級位控制

TCMS可以收集眾多信號并進行統一的邏輯判定，參考代碼如下：

If緊急制動緩解 and牽引授權 and牽引指令；

Then輸出級位：=獲取的當前級位；

Else輸出級位：=0。

3.2 TCMS實現對速度的控制

TCMS可以通過收集速度信號，并實時根據當前的速度信號在達到或者超過目標速度時對牽引、制動指令和級位進行有效控制，參考代碼如下：

目標速度：=設定值；

步距速度：=設定值；

當速度小于目標速度：

牽引指令；

牽引級位限制：=級位需求100%*（目標速度 -當前速度）/步距速度；

輸出級位：=0＜獲取的當前級位 ＜牽引級位限制；當速度大于目標速度：

制動指令；

制動級位限制：=級位需求100%*（目標速度 -當前速度）/步距速度；

輸出級位：=-100＜獲取的當前級位 ＜制動級位限制；

該速度控制由牽引系統獨立執行改為TCMS執行后，制動系統也可以參與到速度控制中，從而使得車輛即使在超載（AW3）工況、惡劣線路條件等特殊工況下，也能變得更加安全。

4 備用模式下的級位控制方式

盡管車輛TCMS網絡控制有諸多的優點，但是為保證車輛的可用性和可靠性，在車輛設計時為保證車輛在網絡故障模式下依然可用，會為車輛設計備用模式下的緊急牽引功能，用于網絡控制出現故障時的車輛控制。

4.1 PWM控制

將傳統的PWM控制作為備用模式進行級位控制（如圖11）。

圖11 備用模式級位控制

在牽引系統和制動系統軟件中進行約定，當備用模式激活時，牽引和制動系統不再執行TCMS網絡發出的命令，而是使用PWM編碼器發來的PWM信號進行控制。

其優點為即使車輛TCMS網絡出現故障，司機依舊可以通過司控器手柄精確地控制車輛。當然因為PWM編碼器的使用，成本大大增加。

4.2 級位編碼控制

隨著車輛網絡控制技術的日趨成熟，可靠性越來越高，備用模式也很少發揮作用，因此可以使用簡單的編碼方式進行簡單的級位控制，如圖12。

圖12 編碼方式級位控制

在司控器手柄的行程上設定兩個行程開關S12和S13，當司控器手柄的級位需求（牽引和制動）為50%-100%時，行程開關S12閉合；當司控器手柄的級位需求（牽引和制動）為25%-75%時，行程開關S13閉合。在牽引和制動系統中進行約定：當車輛控制網絡出現故障時，牽引和制動按照圖 12約定的級位需求進行控制。

級位編碼控制方式雖然并非十分精確地進行控制，但其成本低廉，并基本滿足了備用模式下的控車需求。

5 結束語

PWM作為車輛傳統級位控制方式正被逐步淘汰。實踐證明，TCMS很好地完成了地鐵車輛牽引、制動指令的采集和傳輸，提高了地鐵車輛牽引力、制動力等級位信號的抗干擾能力，充分發揮了TCMS控制功能的可靠性、安全性、可維護性與低成本等優勢。不同的信號采集方式為TCMS控制提供了更多的可能性和可選擇性，不同的采集方式各自有其不同的優缺點，車輛設計時可根據不同的需求進行合理選擇。