列車TCU開發(fā)平臺的研制

張 晶，胡繼勝

（大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028）

0 引言

列車電力牽引系統(tǒng)通常由主電路和控制系統(tǒng)組成。其中，牽引變流控制系統(tǒng)TCU（Traction Control Unit）是整個牽引控制系統(tǒng)的核心部分，它通過控制牽引變流器的運行，實現(xiàn)對列車電力牽引工況和電氣制動工況的控制。為了完成對TCU控制策略的開發(fā)，需構建與現(xiàn)行列車牽引變流系統(tǒng)運行模式相同的模擬運行系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以進行對牽引變流控制系統(tǒng)控制策略的開發(fā)，研究的成果可以移植到列車控制系統(tǒng)中。整個試驗平臺由牽引變流控制系統(tǒng)動力平臺和TCU控制策略開發(fā)平臺組成，其中動力平臺為TCU研發(fā)平臺提供了一個小功率被控對象，在本文開發(fā)的試驗平臺上可以實現(xiàn)TCU對牽引變流系統(tǒng)控制的模擬以及對TCU控制策略的研發(fā)。

1 牽引變流控制系統(tǒng)動力試驗平臺

為了保證TCU的控制策略所依靠的試驗平臺與現(xiàn)行列車電力牽引系統(tǒng)運行模式相同，需構建能量互饋型列車牽引變流控制系統(tǒng)動力試驗平臺。利用該平臺可以模擬交-直-交（干線鐵路）及直-交（城軌列車）電力牽引變流控制系統(tǒng)。

1.1 動力試驗平臺總體結構

系統(tǒng)構建的與現(xiàn)行牽引變流系統(tǒng)運行模式相同的牽引變流控制系統(tǒng)動力試驗平臺結構，如圖1所示。

整個系統(tǒng)由被試系統(tǒng)和陪試系統(tǒng)構成。陪試系統(tǒng)為列車模擬運行系統(tǒng)，可作為負載供被試系統(tǒng)使用。被試系統(tǒng)由變壓器、被試機、四象限脈沖整流器、牽引逆變器、制動單元、模擬信號發(fā)生器和TCU組成。

1.1.1 變壓器

變壓器與車載變壓器功能一致，為隔離變壓器和斯科特變壓器串聯(lián)結構，其作用是將三相交流電變?yōu)閱蜗嘟涣麟?。試驗平臺具體要求為變壓器工作頻率50Hz，額定功率>10kw，輸出電壓為三相AC380V/單相AC330V。其中，隔離變壓器將一次側和二次側的電氣完全絕緣[1]，即對系統(tǒng)起到隔離、防雷和濾波的作用，而斯科特變壓器則是將電源處的三相交流電變成系統(tǒng)運行所需的單相交流電。

1.1.2 牽引變流器

變流器由牽引逆變器和四象限脈沖整流器構成。脈沖整流器將牽引變壓器的牽引繞組輸出的單相交流電變換成直流電，系統(tǒng)規(guī)定整流器輸出的直流電壓為DC500～700V連續(xù)可調，在電網電壓或負載發(fā)生變化時，能夠維持中間直流電壓的穩(wěn)定，功率因數(shù)>96.5%。牽引逆變器是牽引傳動系統(tǒng)的電動機驅動側變流器，可將中間直流環(huán)節(jié)的直流電壓變換成電壓、電流、頻率按照牽引特性要求控制的三相交流電[2]。

1.1.3 牽引變流控制系統(tǒng)TCU

牽引變流控制系統(tǒng)TCU是用于列車的控制產品，其作用是通過檢測列車的運行狀態(tài)，接收司機控制器的運行指令，來控制四象限脈沖整流器和牽引逆變器的正常工作，從而控制系統(tǒng)的功率因數(shù)以及直流環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定。

圖1 牽引變流控制系統(tǒng)動力試驗平臺結構框圖Fig.1 Traction converter dynamic test platform of control system block diagram

圖2 TCU控制策略開發(fā)平臺結構框圖Fig.2 TCU control structure strategy development platform

1.2 動力試驗平臺的交-直-交運行模式

現(xiàn)行干線鐵路交-直-交電力牽引系統(tǒng)，電能的輸入為單相交流輸入，本系統(tǒng)采用斯科特變壓器可以將三相交流電變?yōu)閱蜗嘟涣麟娸敵觯顾南笙廾}沖整流器的輸入側為單相交流電，這與現(xiàn)行牽引系統(tǒng)相同，同時牽引逆變器輸出側為三相交流電輸出，也滿足現(xiàn)行電力牽引系統(tǒng)的要求。由于四象限脈沖整流器和牽引逆變器組成的牽引變流系統(tǒng)的運行情況與現(xiàn)行的列車牽引變流系統(tǒng)相同，所以可在此平臺上實現(xiàn)對交-直-交牽引系統(tǒng)TCU的開發(fā)。

1.3 動力試驗平臺的直-交運行模式

本試驗平臺為能量互饋式試驗臺，在模擬交-直-交牽引系統(tǒng)時，能量在三相交流電處進行反饋，如果被試系統(tǒng)和陪試系統(tǒng)的直流環(huán)節(jié)直接相連，如圖1中虛線所示，則此平臺在直流環(huán)節(jié)就進行能量反饋，此時整個試驗系統(tǒng)按照與現(xiàn)行城軌列車相同的直-交運行模式運行。

因此，本試驗系統(tǒng)可以模擬現(xiàn)行干線鐵路和城軌列車的運行模式，可以利用此動力平臺完成對TCU相應模式下的開發(fā)。

2 TCU控制策略開發(fā)平臺

TCU控制策略開發(fā)平臺，既可以實現(xiàn)對牽引變流系統(tǒng)的控制又能完成對TCU控制策略的開發(fā)。

2.1 TCU控制策略開發(fā)平臺

為了實現(xiàn)對TCU控制策略的開發(fā)，構建了如圖2所示的控制策略開發(fā)平臺。由于本試驗系統(tǒng)著重研究TCU的列車控制策略，同時為了便于對列車控制策略的開發(fā)，所以系統(tǒng)中將底層控制與列車控制進行分開研究。

底層控制部分采用成熟的控制產品，來保證TCU對牽引變流器基本控制功能的實現(xiàn)，具體過程為：TCU控制系統(tǒng)接收MVB總線和采集卡輸出的司機控制指令，然后由RS 485總線傳輸給底層控制系統(tǒng)，底層控制系統(tǒng)通過控制牽引變流器，實現(xiàn)對電機的矢量控制，同時底層控制系統(tǒng)控制四象限脈沖整流器以及牽引逆變器工作，進而實現(xiàn)對系統(tǒng)的功率因數(shù)以及直流電壓的控制。同時，為了便于以后對系統(tǒng)底層控制系統(tǒng)的自行開發(fā)，配置了底層控制的接口模塊，可以直接在相應的位置對底層控制的算法進行更改。

列車控制部分的主要功能是采集列車的運行狀態(tài)和司機的操作指令，進而確定牽引電機的電磁轉矩，并把電磁轉矩通過串行通信或者模擬輸出的方式，傳輸給底層控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)對電機的控制。

2.2 TCU開發(fā)平臺的功能模塊

TCU的開發(fā)平臺具有列車狀態(tài)模擬信號生成功能，數(shù)據(jù)采集、分析功能以及系統(tǒng)通信功能等。

2.2.1 列車信號的產生

列車運行的狀態(tài)信號可以通過動力平臺以及相應的信號發(fā)生裝置提供。其中，軸重信號、司機操作信號均可采用信號發(fā)生裝置來生成，而列車的轉速信號，則需要動力平臺和信號發(fā)生裝置來共同實現(xiàn)。動力平臺可以模擬列車的一根軸的軸速信號，其余的測量信號則需要信號發(fā)生裝置來提供。

2.2.2 信號的采集

由TCU的控制功能可知，TCU控制策略研發(fā)平臺需要采集空氣彈簧壓力信號，轉速信號，軸重信號，司機操作手柄位信號等。其中軸重信號、空氣彈簧壓力信號為模擬信號，轉速信號為正交編碼信號，司機操作手柄位信號為數(shù)字I/O信號。

為了采集這些數(shù)字信號、模擬信號，系統(tǒng)采用NI公司的PCI-6229數(shù)據(jù)采集卡以及LabVIEW圖形化編程軟件[3]。PCI-6229為NI公司的 M系列數(shù)據(jù)采集卡，本卡有16位32路模擬輸入通道；16位4路模擬輸出通道和48路數(shù)字I/O通道；2個分辨率為32位的定時/計數(shù)器，1個頻率發(fā)生器；內部時鐘頻率為80MHz，A/D轉換器的分辨率為16位，采樣率為2501kS/s。該板卡的模擬輸入、輸出電壓范圍均是±10V，支持數(shù)字觸發(fā)以及DAQmx的數(shù)據(jù)采集方法[4]。由于本卡具有A/D轉換功能，所以采集卡可以采集空氣彈簧壓力、列車軸重等模擬信號。又由于采集卡具有數(shù)字I/O接口以及對正交編碼信號的采集功能，因此，采集卡可以采集司機操作手柄位的數(shù)字I/O信號以及由正交編碼器產生的列車軸速等數(shù)字信號。

2.2.3 通信系統(tǒng)

系統(tǒng)的通信部分采用MVB總線和RS485，RS232串行通信總線相結合的方式進行控制，系統(tǒng)網關具有RS232和MVB自動轉換的功能。首先，TCU中的網關通過MVB總線接收司機控制器的控制指令，然后再通過RS232串行總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機中，PC機結合PCI-6229采集卡采集的信息，自動調整牽引力和電制動力的大小，然后通過RS485總線或者模擬端口將轉矩信息傳輸給底層控制系統(tǒng)，底層控制系統(tǒng)按照指令實現(xiàn)對四象限脈沖整流器和牽引逆變器的控制，并完成過流、過壓保護的功能。

至此，牽引變流控制系統(tǒng)TCU的控制功能得以全部實現(xiàn)。同時，由于系統(tǒng)采用了PC機作為系統(tǒng)組件，所以可以使控制系統(tǒng)獲得良好的控制操作界面，便于對程序的后續(xù)開發(fā)。

3 TCU列車控制策略的研發(fā)

對于TCU各個單項控制策略的開發(fā)，可以通過MVB總線或者PCI-6229數(shù)據(jù)采集卡的D/A轉換功能來接收司機操作指令，采集列車的運行狀態(tài)，并按照列車的控制策略，通過PC機產生電磁轉矩控制信號，并將其送入底層的控制系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)TCU相關功能的模擬。按照此種模式，系統(tǒng)可以進行恒速控制策略，列車牽引特性控制策略，粘著控制等控制策略的開發(fā)。

3.1 恒速控制策略開發(fā)

為了使列車在一定速度范圍內穩(wěn)定運行，采用恒速控制策略，如圖3中的CRH3動車組恒速控制曲線。當給定速度與列車實際運行速度的差值△v>5km/h時，列車進入牽引控制模式；當-5≤△v≤5km/h時，列車進入恒速控制模式；當△v<-5km/h時，列車進入再生制動模式[5]。

圖3 CRH3動車組恒速控制曲線Fig.3 Constant speed control curve of CRH3 EMU

本系統(tǒng)構建的TCU控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)與真實列車相同的恒速控制功能，具體方法如下：

圖4 牽引特性曲線控制Fig.4 Traction characteristics curve control

通過TCU的數(shù)據(jù)采集模塊，采集列車四根軸的軸速信號，取速度平均值V作為速度檢測的標準。當列車的實際運行速度V恰好等于給定速度V1，或者與給定的速度V1的速度差△v在給定的誤差范圍之內，則列車在此速度下穩(wěn)定運行；當列車的運行阻力由于線路、環(huán)境等因素發(fā)生變化并最終導致實際速度V不等于給定速度V1，或者速度差△v超過給定范圍時，采用速度差-轉矩控制法，即轉矩按照速度偏差進行恒速控制，然后通過計算輸出轉矩T1，再由RS 485總線將轉矩值傳輸給底層控制系統(tǒng)，底層控制系統(tǒng)按照指令調整牽引變流器轉矩的大小，即控制列車的牽引力與制動力的值。至此，TCU實現(xiàn)了對列車的恒速控制。

3.2 牽引特性控制策略開發(fā)

列車牽引特性是指列車輪軸牽引力F與機車運行速度V之間的關系F=f（ν）[6]。系統(tǒng)模擬的TCU控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對列車牽引特性的控制。

首先，TCU通過網關接收來自MVB總線的司機控制器的控制指令，然后通過網關將控制信號傳輸給PC機，PC機通過牽引特性控制軟件，結合PCI-6229數(shù)據(jù)采集卡采集到的列車速度信號以及MVB總線傳輸?shù)目刂菩盘枺詣诱{整列車運行所需的牽引力和制動力的大小，最后通過RS485總線或者模擬輸出端口將計算值傳輸給底層控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對牽引變流系統(tǒng)的控制，如圖4所示。

3.3 粘著特性控制策略開發(fā)

由于列車的運行過程中，必須保證輪軌在粘著狀態(tài)下運行，所以粘著控制成為TCU控制策略的一大重點內容。本系統(tǒng)通過PCI-6229數(shù)據(jù)采集卡采集列車四根軸的軸速信號、速度差信號、加速度和減速度信號等，并結合相應的粘著控制方法（比如組合校正法、模糊控制法和正交相關法等方法[7]），計算列車的粘著牽引力F1，然后與列車牽引力F2進行比較，兩者中的較小值Fmin，為列車運行控制所需的實際牽引力F，牽引力F通過RS485總線或者模擬輸出端口傳輸給TCU的底層控制系統(tǒng)，完成對牽引變流器的粘著控制。

4 結束語

系統(tǒng)構建適用于干線鐵路和城軌列車的牽引變流控制系統(tǒng)（TCU）的開發(fā)試驗平臺，為研究現(xiàn)行列車上的TCU的運行情況提供了良好的仿真環(huán)境。利用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對牽引變流系統(tǒng)的控制功能，以及對TCU控制策略的研發(fā)，本次的研究成果可以移植到列車控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)對現(xiàn)行列車的牽引變流系統(tǒng)的研發(fā)。

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