地鐵列車牽引傳動控制研究及發(fā)展綜述

陳桂平　廖益豐　向偉彬　魏秀琴　師光洲

摘要：文章針對地鐵列車牽引傳動控制研究與應用現(xiàn)狀，結合電力電子器件、計算機控制算法等成熟技術與理論在牽引傳動控制中的應用，分析不同控制模式、控制策略在地鐵列車上應用的優(yōu)勢與不足，并就當前社會的發(fā)展趨勢分析今后地鐵牽引控制的發(fā)展方向。

關鍵詞：地鐵列車;牽引傳動控制;牽引控制模式;牽引控制策略

0 引言

隨著城市體量的增大，為滿足城市交通運輸?shù)男枨?，我國城市軌道交通的建設進入了一個高速發(fā)展期。安全、準時、舒適是人們對地鐵出行的需求，而列車的牽引傳動控制系統(tǒng)正是保障此需求的核心。因此，為了保障列車牽引在穩(wěn)定性、響應性、可靠性等方面的優(yōu)良性能，國內(nèi)外的相關科研工作者開展了一系列的研究與應用。迄今為止，地鐵傳動控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從傳動控制方式到傳動控制策略等研究方向的轉變，并且今后一段時間內(nèi)，牽引傳動控制策略的研究仍然是該領域研究的一個主方向。

1 牽引傳動電氣驅動方式

地鐵列車采用直流受電，通過車載變流裝置將直流變流供牽引電機使用，并通過改變牽引電機轉速以實現(xiàn)車輛調速的目的。按牽引電機的電氣驅動方式，牽引電傳動經(jīng)歷了直流傳動和交流傳動兩個階段。

直流傳動階段，受電機技術及電力電子技術發(fā)展的制約，牽引傳動早期主要采用凸輪調阻方式來實現(xiàn)電機的速度調節(jié)，后期主要利用直流斬波器的DC/DC變流技術實現(xiàn)直流牽引電機的變流調速[1]。其傳動方式如下頁圖1所示。斬波調速可以在直流電源電壓不變的情況下通過直流斬波器的通斷，改變施加到直流電機兩端的電壓脈沖寬度，以調節(jié)電機的輸入電壓平均值。直流傳動利用斬波器改變晶閘管移向角來調整電機的輸入電壓，從而實現(xiàn)電機的連續(xù)、平滑無極調速。但直流牽引電機存在需要換向器、體積大、故障多、制造及維護成本高等缺點，現(xiàn)已逐步被交流牽引電機取代。

交流傳動階段，得益于交流電機技術及新型電力電子器件的發(fā)展，現(xiàn)如今地鐵車輛基本采用了基于交流電機的交流傳動方式。交流傳動利用IGBT等電力電子器件將直流電源逆變?yōu)殡妷骸㈩l率可調的三相交流電供交流電機使用。其傳動方式如圖2所示。

2 牽引傳動控制模式

地鐵線路存在彎道多、坡度多、粘著系數(shù)離散化等復雜工況特點，國內(nèi)外一些科研工作者從牽引系統(tǒng)冗余性、粘著利用、防滑/防空轉等為研究點，建立了基于電機控制方式為對象的“車控式”“架空式”“軸控式”研究模型[2-4]。

所謂“車控式”模型，為每輛動車牽引傳動系統(tǒng)布置1臺牽引逆變器，由該逆變器并聯(lián)本節(jié)動車上的2臺轉向架4臺電機，即1C4M車控驅動方式，其模型如圖3所示。這種傳動控制模式的缺點是由牽引逆變器故障造成的列車動力丟失影響較大，其優(yōu)點是成本低、車重輕、控制相對簡單。電力電子技術的發(fā)展使得逆變器故障率降低，目前國內(nèi)新建地鐵公司，如南寧地鐵1、2號線列車均采用了“車控式”的牽引傳動控制模式。

“架控式”模型以每輛動車配置2臺牽引逆變器分別并聯(lián)每臺轉向架的2臺電機，即2C4M架控驅動方式，其模型如圖4所示。該傳動控制模式的優(yōu)點是由牽引逆變器故障造成的單車動力丟失影響較小;缺點是因逆變器的增加，導致車輛的故障點增多，整車的故障率變高，同時也造成整車的成本、重量、車下空間占用增加。此外，由于轉向架存在輪徑差，同一臺逆變器供電的兩臺并聯(lián)電機負荷分配不均，可能導致負荷重軸的電機溫升過高或過低，使粘著力軸的輪對發(fā)生空轉或滑行，造成輪對踏面擦傷、剝離等?！凹芸厥健蹦Ｐ蜖恳齻鲃酉到y(tǒng)目前在廣州地鐵1號線列車上有應用。

“軸控式”模型為每輛動車上的4臺電機均由4臺相互獨立的牽引逆變器單獨供電，即4C4M軸控驅動方式，其模型如圖5所示。該傳動控制模式相比“架控式”模式逆變器故障的牽引動力丟失影響更小，系統(tǒng)冗余性更高[5]。該模式雖然具有動力丟失影響小、動軸粘著利用高和電機控制難度低等優(yōu)點，但出于成本及能耗考慮，國內(nèi)地鐵很少采用這種傳動控制模式。

3 牽引電機控制策略

電機控制是列車牽引傳動系統(tǒng)的核心。迄今，在地鐵列車牽引傳動電機控制應用上，主要的研究和應用模型經(jīng)歷了轉差頻率控制、磁場定向控制和直接轉矩控制三個階段。

3.1 轉差頻率控制

由圖6可見，在電機穩(wěn)態(tài)條件下，定子頻率ω *1是轉差頻率ω *s與速度傳感器實測轉速ω之和，即ω *1=ω *s+ω。由于采用了正反饋，因而在運行中定子頻率與轉速成正相關關系。因此電機加、減速平滑穩(wěn)定，具有較好的靜、動態(tài)性能。鑒于轉差頻率限定于電機穩(wěn)態(tài)條件下才具有較好的調速性能，動態(tài)條件下不一定適用。此外，被控轉矩為平均值，轉矩控制的瞬時性較差，在地鐵列車的調速控制中鮮有應用。

3.2 磁場定向控制

磁場定向控制的基本思想是通過定向坐標變換，將異步電機轉子磁鏈等效成直流電機磁鏈，以直流電機模型控制電磁轉矩，再將轉子磁鏈在定向坐標中的控制量反變換為三相坐標系控制量，以控制電機[7-8]。因其坐標變換是矢量變換，所以磁場定向控制又稱為矢量控制。

在直流電機中，勵磁電流If感生的主磁通Φf與電樞電流Ia感生的電樞磁勢Fa成正交關系，如圖7（a）所示。若忽略電樞反應以及磁路飽和的影響，其輸出轉矩為：

該電機控制方法在早期的地鐵車輛上投入使用，如上海地鐵2號線Siemens產(chǎn)地鐵列車、上海地鐵3號線Alstom產(chǎn)地鐵列車，均采用了直接轉子磁場定向控制方法。

3.3 直接轉矩控制

基于磁場定向控制方法矢量解耦數(shù)學模型的復雜性，1985年德國魯爾大學Depen Brock教授提出了一種免矢量解耦的轉矩控制方法，該方法利用快速改變定子磁場對轉子瞬時轉差的控制，實現(xiàn)對電機的轉矩控制[9]。

在異步電機中，定子磁鏈與轉子磁鏈的矢量關系表達式如下：

式（5）、（6）表明，異步電機電磁轉矩與定子磁鏈幅值、轉子磁鏈幅值、磁通角成正相關，如下頁圖8所示。從而利用電壓空間矢量控制定子磁鏈矢量與轉子磁鏈矢量的空間差角，實現(xiàn)對電機轉矩控制的目的，此即為直接轉矩控制原理。

直接轉矩控制不需要旋轉坐標變換，克服了矢量控制系統(tǒng)對電動機轉子參數(shù)依賴和控制系統(tǒng)復雜的缺點，通過輸出PWM控制牽引逆變器開關量，實現(xiàn)對牽引電機的轉矩控制。目前國內(nèi)如南寧地鐵1、2號線株機產(chǎn)地鐵列車，均采用了直接轉子磁場定向控制方法。

4 粘著利用控制策略

在交流傳動地鐵車輛牽引控制中，空轉/滑行保護和粘著利用控制系統(tǒng)是傳動控制系統(tǒng)的一部分，統(tǒng)稱粘著利用控制[10]?；诘罔F列車走行路況的多樣性，其走行過程中的粘著需求也隨線路的變化而變化，通過對電機轉速、轉矩等狀態(tài)量的采集、分析、處理，同時結合操縱指令表達的電機轉矩量，由牽引控制模塊單元生成電機牽引/制動特性包絡曲線，綜合輸出電機轉矩控制量，使得列車當前的電機轉矩是基于當前線路粘著需求的控制量，從而保證列車能在不同路況下的粘著利用率是最優(yōu)的，此即為粘著利用控制原理。

現(xiàn)有的粘著利用控制方法有蠕滑速度法、粘著斜率法，其中粘著斜率法又包括了相位移法和粘著因數(shù)導數(shù)法。就目前來說，相位移法是地鐵列車牽引控制系統(tǒng)粘著利用控制的常用方法，南寧地鐵1、2號線地鐵列車的粘著利用控制正是運用此方法。

5 牽引傳動控制發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)外地鐵列車的牽引電機交流傳動控制方式的技術已經(jīng)成熟，當前的一個研究方向是牽引能效，國外已就列車節(jié)能運行開展了較多研究。2015年我國政府工作報告中把“節(jié)能環(huán)保技術的研究與推廣應用”列為一項重大科技攻關，隨后，我國一些企業(yè)及院校就牽引傳動節(jié)能控制進行了相關的研究，目前比較明確的兩個研究方向是：牽引傳動效率研究[11]和行車控制節(jié)能優(yōu)化研究[12]。北京地鐵10號線的牽引傳動控制系統(tǒng)就是應用了一種節(jié)能優(yōu)化的牽引變流器來改善牽引節(jié)能問題[13]。列車牽引傳動節(jié)能控制是一項系統(tǒng)化工程，需要結合電機控制策略、粘著利用、運行控制、行車調度等方面綜合開展研究。

6 結語

（1）當前地鐵牽引傳動系統(tǒng)的電氣驅動方式與牽引傳動控制模式已趨向于交流傳動的“車控式”控制模式，其故障率及成本控制都處于一個較優(yōu)水平。

（2）在控制模式已經(jīng)趨于最優(yōu)的情況下，牽引傳動控制的研究轉向了對電機的控制策略研究，直接轉矩控制或粘著利用控制均是為了使列車獲得良好的動態(tài)性能。

（3）今后關于地鐵牽引傳動控制的研究更加趨向于牽引節(jié)能控制方向的研究。

參考文獻：

[1]徐 安.城市軌道交通電力牽引[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[2]Takaoka Y，Kawamura A.Disturbance observer base adhesion control for Shinkansen[C].6th International Workshop on Advanced Motion Control，2000.

[3]Senini S，F(xiàn)linders F，Oghanna W.Dynamic simulation of wheel-rail interaction for locomotive traction studies[C].Proceedings of the 1993 IEEE/ASME Joint Railroad Conferece，1993.

[4]李仕棟，陳樂恒，符建民，等.架控式牽引系統(tǒng)在城際動車組中的應用[J].機車電傳動，2016（5）：81-84.

[5]王延飛，曹宏發(fā)，靳明旭.交流傳動電力機車采用軸控的必要性[J].鐵道機車車輛，2006（4）：29-31.

[6]阮 毅.電力拖動自動控制系統(tǒng)—運動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[7]馮曉云.電力牽引交流傳動及控制系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[8]崔俊國，陶生桂.上海地鐵2號線車輛交流傳動系統(tǒng)仿真分析[J].機車電傳動，2002（1）：29-34.

[9]Direct self-control of the flux and rotary moment of a rotary field machine[P].1987.

[10]李江紅，胡云卿，彭輝水，等.軌道交通粘著利用控制的關鍵技術與方法[J].機車電傳動，2014（6）：1-5.

[11]王 勇.列車牽引傳動系統(tǒng)節(jié)能技術實現(xiàn)與研究[D].北京：北京交通大學，2017.

[12]賀德強，周繼續(xù)，李宇軒，等.基于矩陣離散法的地鐵列車節(jié)能優(yōu)化操縱方法及實現(xiàn)[J].鐵道學報，2015，37（7）：9-14.

[13]馬奇志.北京地鐵10號線牽引變流器控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].北京：北京交通大學，2018.