基于多核協(xié)作式控制器架構(gòu)的地鐵列車牽引多模式控制策略

周雙雷 鄔春暉 王 博 徐 萌

（1. 中車青島四方車輛研究所有限公司，266114，青島；2.北京市地鐵運營有限公司運營二分公司，100043，北京；3. 中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春∥第一作者，工程師）

地鐵列車牽引控制系統(tǒng)通常為車控、架控和軸控中的一種或兩種組合設(shè)計。例如，牽引時采用架控、制動時采用車控的混合控車模式：為提高可靠性、降低因牽引動力損失過多帶來的運營風險，牽引時采用架控；為配合制動廠家的車控制動系統(tǒng)，電制動時采用車控［1-2］。

混合多模式列車牽引控制軟件在傳統(tǒng)的單核控制平臺上開發(fā)難度大。地鐵新型驅(qū)動控制單元（DCU）采用多核心、多任務(wù)、多板卡協(xié)同式工作的架構(gòu)，混合式列車牽引系統(tǒng)軟件在該平臺上通過采用功能劃分的信號控制流實現(xiàn)架控控制信號的解耦和車控控制信號的耦合，從而滿足列車控制要求，降低耦合故障的影響，軟件架構(gòu)也更明確、清晰。

1 列車牽引控制模式

車控、架控和軸控3 種控制模式有多種列車牽引電路結(jié)構(gòu)［1-3］。

在圖1 ～4 中，PU 是指驅(qū)動1 臺或多臺并聯(lián)電機的牽引三相逆變器。地鐵車輛的常規(guī)布局是每輛車2 臺轉(zhuǎn)向架，動車轉(zhuǎn)向架包含了2 根裝有牽引電機及齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)等傳動裝置的動軸。采用車控時，PU1 同時驅(qū)動動車上所有4 臺電機，如圖1 所示；采用架控時，PU1、PU2 分別驅(qū)動2 臺動力轉(zhuǎn)向架上的2 臺電機，如圖2 和圖3 所示；采用軸控時，PU1、PU2 各驅(qū)動1 個動軸上的1 臺電機，如圖4 所示。

列車牽引系統(tǒng)車控方式，每輛動車配置1 臺PU、1 臺HB（高速斷路器）、1 臺牽引濾波電抗器、1套主接觸器及預(yù)充電單元、1 臺DCU。

采用架控模式時，列車牽引系統(tǒng)高壓回路主要有2 種配置方式：

1）第1 種：配置了2 個PU（PU1 和PU2）、2 臺HB、2 臺有2 個獨立線圈的濾波電抗器、2 套主接觸器及預(yù)充電單元、2 臺DCU，在該結(jié)構(gòu)中2 個轉(zhuǎn)向架的牽引系統(tǒng)完全獨立。

2）第2 種：配置了2 個PU（PU1 和PU2），1 臺HB、1 臺集成2 個獨立線圈的濾波電抗器、2 套主接觸器及預(yù)充電單元、1 臺DCU。該結(jié)構(gòu)和第1 種相比共用HB、DCU 等設(shè)備，因而在綜合故障率和成本上，具有優(yōu)勢。

架控牽引系統(tǒng)多采用上述第2 種配置，如采用時代電氣牽引系統(tǒng)的北京燕房線、北京地鐵9 號線，采用四方所牽引系統(tǒng)的北京地鐵1 號線、八通線和青島地鐵11 號線等。

軸控牽引受車輛空間的限制，一般配置2 個逆變器箱，每個箱內(nèi)布置2 個PU。永磁牽引系統(tǒng)一般為軸控方式。

因關(guān)鍵器件共用，列車牽引系統(tǒng)架控模式的第2 種配置方式的控制軟件設(shè)計較為復雜，本文對此做重點研究。

圖2 典型架控原理圖（獨立HB）

圖3 典型架控原理圖（共用HB）

圖4 典型軸控原理圖

2 地鐵新型DCU 架構(gòu)

為適應(yīng)多任務(wù)、高性能及復雜的工作環(huán)境，地鐵新型DCU 采用DSP（數(shù)字信號處理器）+FPGA（可編程邏輯處理器）+ARM（嵌入式微處理器）的硬件平臺架構(gòu)，是當前工控領(lǐng)域嵌入式控制主流平臺。它擁有高速的運算能力和豐富的外圍設(shè)備，接口功能可靈活地配置和定義。新型多任務(wù)、多核心、板卡式協(xié)同工作的DCU 架構(gòu)見圖5 所示。

DCU 的處理器板卡采用多核心、分布式工作模式，核與核、核與外圍接口板卡間的重要實時控制信號通過高速并口通信協(xié)議進行交互，過程信號通過CAN（控制器局域網(wǎng)）總線進行通信。

ARM 采用QNX 嵌入式操作系統(tǒng)，主要完成邏輯控制、對外通信管理、人機交互界面、慢速故障記錄等功能；DSP 設(shè)計為DSP1、DSP2 雙核心，主要完成電機矢量控制算法、DSP 快速保護邏輯；FPGA 主要協(xié)調(diào)各芯片、板卡間的數(shù)據(jù)交互接口管理。

另外，PU 信號采樣板（CCA4 板） 采用高速FPGA 設(shè)計，主要完成與核心控制相關(guān)的信號實時采樣濾波、FPGA 模擬量信號快速保護、PWM（脈寬調(diào)制）脈沖生成和分配等。

總之，本架構(gòu)可實現(xiàn)牽引變流控制、邏輯控制與保護控制、防滑防空轉(zhuǎn)控制策略、故障記錄診斷維護等。其為多模式牽引控制軟件設(shè)計提供了優(yōu)秀的軟硬件平臺。

圖5 地鐵新型DCU 構(gòu)架

3 混合式架控實現(xiàn)方案和控制策略

混合式架控在電路結(jié)構(gòu)和信號控制流方面高度耦合，2 個轉(zhuǎn)向架的牽引系統(tǒng)無法做到完全獨立（上述第1 種配置除外）。

本研究將各類設(shè)備、控制策略、控制指令、信息交互和觀測狀態(tài)轉(zhuǎn)換為信號流。使用系統(tǒng)屬性做唯一標識信號進行功能劃分，以實現(xiàn)獨立的信號流控制和2 套控制系統(tǒng)的解耦和耦合，將耦合故障對運營的影響降到最低。

3.1 架控信息解耦

控制信號有多種系統(tǒng)屬性，在研究電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上本文為混合式架控牽引系統(tǒng)假設(shè)2 個基本的系統(tǒng)屬性：PU1 系統(tǒng)屬性和PU2 系統(tǒng)屬性。這2 個屬性分別對應(yīng)該列車的動力轉(zhuǎn)向架1 的牽引系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向架2 的牽引系統(tǒng)，在定義上這2 個系統(tǒng)屬性完全獨立。

使用圖解法將各設(shè)備、信號等劃分為PU1 系統(tǒng)和PU2 系統(tǒng)。通過識別對象的系統(tǒng)屬性，分類結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，牽引系統(tǒng)的大部分設(shè)備、控制算法、控制指令、信息交互和狀態(tài)都被唯一的標識為PU1 系統(tǒng)屬性和PU2 系統(tǒng)屬性，但HB、DCU 為PU1、PU2 這2 套系統(tǒng)所共有，不具有完全獨立的屬性。

圖6 混合架控信號屬性圖解

HB 作為保護動作設(shè)備應(yīng)當強調(diào)主動保護的特性，減少PU1、PU2 兩個系統(tǒng)對該設(shè)備的操作，只需做到上電合閘、跳閘后可復位合閘的操作即可。由于牽引系統(tǒng)高壓回路短路的概率很低，并且PU1、PU2 2 個系統(tǒng)對HB 基本不做操作，可認為HB 對PU1、PU2 2 個系統(tǒng)的耦合性基本沒影響。

對于DCU 而言，盡量從軟件、板卡配置等方面入手，減少PU1、PU2 這2 個系統(tǒng)的共用屬性。雖共用1 個機箱，但DCU 內(nèi)部的I/O（輸入/輸出）模塊、電機算法等均可以配置在獨立的板卡或者DSP 芯片上。邏輯算法運行在ARM 的QNX 操作系統(tǒng)上，軟件設(shè)計在邏輯處理、信號定義時可運行2 套獨立的進程。信號處理板卡上的FPGA 在執(zhí)行快速保護時各通道獨立運行。DCU 具體的功能劃分見圖7。

圖7 DCU 功能劃分

3.2 列車牽引時架控模式的信號流

列車牽引采用架控模式時，控制系統(tǒng)信息基本在各自PU1、PU2 系統(tǒng)內(nèi)流動，交互的信息較少，具有獨立性。此時PU1 的信號S1、PU2 的信號S2 流向分析如圖8 所示。

從以上分析可知，HB 和DCU 雖共有但不影響2 套信號流的獨立性，S1 和S2 基本獨立而不耦合。在圖8 中，S1 和S2 分別源自2 套獨立的控制邏輯，經(jīng)過DSP 算法運算后控制PU1、PU2 驅(qū)動對應(yīng)轉(zhuǎn)向架上的電機。在一個轉(zhuǎn)向架的牽引系統(tǒng)故障時，另一個轉(zhuǎn)向架牽引系統(tǒng)不受影響；轉(zhuǎn)向架牽引發(fā)生空轉(zhuǎn)時，只有本架上的牽引系統(tǒng)性能降低，另一臺不受影響，保障了列車的動力性能，架控的優(yōu)勢得到發(fā)揮，提高了線路運營效率。

3.3 列車制動時車控模式的信號流

列車牽引系統(tǒng)硬件按架控設(shè)計，但車輛電-空配合時需滿足制動系統(tǒng)的車控方式，這種矛盾的配置存在2 套系統(tǒng)如何實現(xiàn)耦合統(tǒng)一的問題：①2 套獨立模式的制動力如何協(xié)調(diào)分配；②2 套模式的電制動有效、可用、切除、故障隔離等狀態(tài)如何做到同步。

3.3.1 制動力協(xié)調(diào)分配

2 個轉(zhuǎn)向架PU1、PU2 系統(tǒng)在給定相同制動力需求值的條件下電制動力的發(fā)揮會不一致，尤其在觸發(fā)滑行、制動電阻冷熱不均時差異會更大，電制動力損失需要空氣制動補充。在補充期間，正常的動力轉(zhuǎn)向架在被動施加額外制動力，超黏著觸發(fā)滑動故障的幾率增加。

為此，本文研究了一種跟隨式下垂算法解決2個動力轉(zhuǎn)向架出力不一致的問題。該方法的本質(zhì)是列車制動力指令需求值、PU1 和PU2 系統(tǒng)實際電制動力需求值與實際值之間的協(xié)調(diào)配合聯(lián)動。需求不變，一個出力小，另一個會主動使功率下垂將制動力降低到另一臺的水平。

需要列車空氣制動補充時一般應(yīng)采用如下的電空交叉混合方案［2-4］：

1）列車的動車BCU（制動控制單元）按照本車占全部動車載重的比例去申請電制動力。

2）電制動力之和滿足全列車制動力時，不補充空氣制動。

3）電制動力之和不能滿足全列車制動力時，首先在拖車上按拖車載重比例補充空氣制動，拖車所能補充的最大空氣制動力與制動減速度有關(guān)。

4）當拖車空氣制動補足后，剩余所需要補充的制動力將平均補充到各個動車上。各動車上補充的空氣制動和本車電制動力之和受到輪軌黏著極限的限制。

根據(jù)以上分析結(jié)果，跟隨式下垂法的下垂函數(shù)表達式為：

式中：

F2，1——轉(zhuǎn)向架2 下垂處理后的制動力；

F1——轉(zhuǎn)向架1 電制動力；

F2——轉(zhuǎn)向架2 電制動力；

ΔF1——轉(zhuǎn)向架1 電制動力下垂數(shù)量；

ΔF2——轉(zhuǎn)向架2 電制動力下垂數(shù)量；

k ——下垂系數(shù)。

為簡化設(shè)計本研究將下垂模型簡化為線性函數(shù)，k 的取值為1/4。保證轉(zhuǎn)向架2 的F2降低后在該轉(zhuǎn)向架上總制動力不超過最大輪軌黏著力。

3.3.2 狀態(tài)同步

制動時，1 個轉(zhuǎn)向架電制動因故障隔離、外部切除指令等導致制動力切除，制動系統(tǒng)會在2 個轉(zhuǎn)向架同時施加空氣制動以保證制動減速度。正常轉(zhuǎn)向架的電制動力和空氣制動力的疊加會頻繁觸發(fā)車輪滑行甚至抱死，使車輪磨耗嚴重影響使用壽命。

因此，通過控制信號流將制動下的牽引系統(tǒng)配置為車控，實現(xiàn)2 個轉(zhuǎn)向架電制動狀態(tài)同步。同一車輛中當1 個轉(zhuǎn)向架滑行時，2 個轉(zhuǎn)向架就同時執(zhí)行滑行防護邏輯；1 個轉(zhuǎn)向架因故障切除，另1 個轉(zhuǎn)向架也同時切除。

圖8 列車牽引采用架控模式時的控制信號流向

4 結(jié)語

本文在研究混合式牽引系統(tǒng)的固有矛盾和特性后，在地鐵新型DCU 架構(gòu)上通過屬性識別的方法將牽引系統(tǒng)劃分為2 個獨立的系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)的解耦，通過控制信號流的方向?qū)崿F(xiàn)了牽引架控和制動車控的分離和統(tǒng)一的設(shè)計思路，同時通過跟隨式下垂法和狀態(tài)同步控制策略，解決了2 套獨立的制動系統(tǒng)耦合所產(chǎn)生的關(guān)鍵問題，最大程度地降低這種配置所造成的車輪和閘瓦磨耗問題。