適用于分布式計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的智能轉(zhuǎn)轍機研究

潘 明,趙夢瑤,2,王龍生

(1.中國鐵道科學研究院通信信號研究所,國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術研究中心,北京 100081； 2.中國鐵道科學研究院研究生部,北京 100081)

近年來，國外、國內(nèi)多家信號公司都已研發(fā)出各自的全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，并取得了不同程度的實際應用業(yè)績，且最終可實現(xiàn)軌旁設備智能化控制的分布式全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)已成為計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的一個主要發(fā)展方向，而智能轉(zhuǎn)轍機則可以說是其中最為關鍵的設備[1]。

動力式道岔轉(zhuǎn)轍機是道岔控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，同時具有轉(zhuǎn)換道岔、(機械)鎖閉道岔和反映道岔位置表示三大關鍵基本功能。動力式轉(zhuǎn)轍機不但在提高運輸效率、有效改善勞動條件方面起著至關重要的作用，而且由于道岔的轉(zhuǎn)換、鎖閉和狀態(tài)表示與運行的列車或車列直接相關，直接影響行車安全，所以是鐵路信號最重要的基礎設備[2]?，F(xiàn)有轉(zhuǎn)轍機采用集中控制方式，控制電路設計較為復雜巧妙，轉(zhuǎn)換過程和表示狀態(tài)對線路進行了復用，高效利用了有限數(shù)量的線纜，能夠?qū)崿F(xiàn)道岔動力的切換，控制道岔定反位轉(zhuǎn)換以及表示狀態(tài)的回傳。但隨著聯(lián)鎖系統(tǒng)向著執(zhí)行層分布式、智能化的方向發(fā)展，用電子和光傳輸代替了原有的電纜傳輸，不但可顯著擴展傳輸距離并顯著降低傳輸成本，而且以光傳輸為基礎的分布式就地控制還能夠極大地減小甚至消除電纜混線的安全隱患，杜絕雷電、牽引電流經(jīng)傳輸(光)纜侵入的可能，顯著提升系統(tǒng)的防雷性能[3-7]。

本文提出一種適用于分布式計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的智能轉(zhuǎn)轍機，具備網(wǎng)絡接口和智能控制單元，可直接通過外部通信轉(zhuǎn)換單元及光纖環(huán)網(wǎng)與上層對象控制器建立通信，接收聯(lián)鎖機的控制命令進行相應的動作。同時智能轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部使用無刷直流電機取代傳統(tǒng)直流電機，使用智能控制單元與高精度位移傳感器取代了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機中自動開閉器和摩擦連接器等機械結構，可實時采集轉(zhuǎn)轍機工作狀態(tài)和道岔尖軌位置等數(shù)據(jù)，并通過通信接口最終上傳至監(jiān)測系統(tǒng)，便于室內(nèi)工作人員掌握轉(zhuǎn)轍設備工作狀態(tài)的全面數(shù)據(jù)，通過對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和存儲對比，可為轉(zhuǎn)轍機存在的潛在隱患提供判斷依據(jù)。

1 智能轉(zhuǎn)轍機設計

根據(jù)《鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機 第1部分：通用技術條件》(GB/T 25338.1—2010)、《鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機 第2部分：試驗方法》(GB/T 25338.2—2010)等技術條件中的相關規(guī)定、設計需求、現(xiàn)有條件及使用經(jīng)驗，要滿足轉(zhuǎn)轍機的功能需求，必須包含以下功能：動力驅(qū)動功能、道岔位置表示功能、過載保護功能、動作桿和表示桿的鎖閉與解鎖功能等。在保證道岔轉(zhuǎn)轍設備安全性的前提下，提出智能轉(zhuǎn)轍機主要功能設計方案。智能轉(zhuǎn)轍機的原理框圖和結構框圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 智能轉(zhuǎn)轍機工作原理

圖2 智能轉(zhuǎn)轍機結構

智能轉(zhuǎn)轍機按功能分為動作模塊、表示模塊、鎖閉模塊和通信模塊。其中動作模塊由轉(zhuǎn)轍機控制單元(包括CPU1和CPU2)、電機控制單元、繼電器組以及直流無刷電機組成。工作原理為：CPU1接收聯(lián)鎖發(fā)來的控制命令，邏輯處理之后通過通信接口轉(zhuǎn)發(fā)給電機控制器，使電機控制器產(chǎn)生相應的PWM信號控制電機轉(zhuǎn)動；CPU2接收到命令后，也進行邏輯處理，并控制繼電器組的開閉，這樣只能兩個CPU的邏輯處理結果一致時才能驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)2取2的安全控制。

(1)表示模塊由兩組位移傳感器組成，形成安全冗余的結構。一方面實時檢測道岔位置，提供給電機控制器實現(xiàn)閉環(huán)控制；另一方面也具有檢測道岔位置和是否轉(zhuǎn)動到位的功能。

(2)鎖閉模塊由滾珠絲杠和鎖閉裝置組成，當位移傳感器檢測道岔轉(zhuǎn)到位并且密貼后，鎖閉裝置實現(xiàn)道岔鎖閉，轉(zhuǎn)轍機控制單元給出相應的表示。

(3)通信模塊與聯(lián)鎖系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)相連，與聯(lián)鎖系統(tǒng)的通信包括接收下發(fā)的命令和上傳狀態(tài)信息；與監(jiān)測系統(tǒng)的通信實現(xiàn)電機當前轉(zhuǎn)速、目標轉(zhuǎn)速、電流、電壓以及道岔尖軌位置等信息的交互，用于實時監(jiān)測和存儲設備狀態(tài)數(shù)據(jù)。

以我國鐵路使用量最大的ZD6型轉(zhuǎn)轍機為例，智能轉(zhuǎn)轍機與其結構對比如表1所示，可以看出智能轉(zhuǎn)轍機具有如下特性。

表1 ZD6型轉(zhuǎn)轍機與智能轉(zhuǎn)轍機結構對比

(1)智能轉(zhuǎn)轍機使用網(wǎng)絡接口與控制系統(tǒng)(聯(lián)鎖系統(tǒng))連接，通過光纖環(huán)網(wǎng)接入室內(nèi)聯(lián)鎖主控層，適用于分布式控制或區(qū)域控制的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。

(2)智能轉(zhuǎn)轍機采用無刷直流電機來提供動力。無刷直流電機是根據(jù)現(xiàn)代控制技術和電機理論而研制的新型機電一體化產(chǎn)品，采用電子換向[8]，避免了傳統(tǒng)電動轉(zhuǎn)轍機中有刷直流電機機械換向帶來的機械摩擦、換向火花、電磁噪聲、電刷磨損及維修性差等種種弊端。無刷直流電機既有交流電機的結構簡單、運行可靠、維護方便等特點，又有直流電機運行效率高，調(diào)劑性能好等特性，同時其智能控制技術的研究也日益成熟，逐步被應用于自動化及工業(yè)現(xiàn)場[8-11]。

(3)智能轉(zhuǎn)轍機的道岔位置檢測采用無接點的位移傳感器方式。選用差動變壓器式位移傳感器(簡稱為LVDT)和智能控制單元配合表示桿來實現(xiàn)道岔位置的正確表示功能。LVDT是利用電磁感應原理來測量位移量的一種傳感器，基本組成包括鐵芯、骨架、激磁繞組、2個對稱分布的輸出繞組及外殼等[12]。LVDT把直線位移轉(zhuǎn)換為模擬電壓，能進行非接觸式位移測量，具有結構簡單、響應速度快、分辨率高和使用壽命長等優(yōu)點[13]，已被應用于航空、航天及眾多工業(yè)控制場合[14]。

2 智能轉(zhuǎn)轍機無刷直流電機自適應控制

在上述的設計當中，無刷直流電機的閉環(huán)控制算法將直接影響轉(zhuǎn)轍機位置轉(zhuǎn)動的精度、轉(zhuǎn)動的速度和平順性等性能指標，所以本節(jié)將設計一種自適應控制器對轉(zhuǎn)轍機進行控制。

選取智能轉(zhuǎn)轍機中的控制相關模塊，構建成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 智能轉(zhuǎn)轍機控制環(huán)路

2.1 無刷直流電機的數(shù)學模型

由文獻[15]可知，無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(1)

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩；eA，eB，eC為定子繞組的電動勢；iA，iB，iC為定子繞組的電流；ω為電機的機械角速度。

由無刷電機的工作原理可知，ABC三相只會同時導通兩相，以AB兩相導通時為例，此時的供電電壓

(2)

式中，L，M和R分別為電機每相繞組的自感，每兩相繞組的互感和每相的電阻；i為線圈電流；ke為感應反電動勢。

根據(jù)牛頓力學定理，電機的運動方程為

(3)

式中，t為時間；J為轉(zhuǎn)子與負載的轉(zhuǎn)動慣量；T0為負載轉(zhuǎn)矩；B為阻尼系數(shù)。

無刷直流電機最終將帶動道岔，本設計中通過位置傳感器能測量到推動的距離為

L=klωt

(4)

式中，kl為電機轉(zhuǎn)動角度到道岔動作距離的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

聯(lián)立式(1)～式(4)，即為智能轉(zhuǎn)轍機的無刷直流電機數(shù)學模型。需注意式(3)中的阻尼系數(shù)B和負載轉(zhuǎn)矩T0會因為線路條件的不同而不同，因此使用傳統(tǒng)的PID控制算法無法保證精確的位置控制。針對這個問題，本文設計一種自適應控制器[16]。

2.2 無刷直流電機自適應控制器設計

定義道岔動作桿期望的移動距離為L*，那么實際距離和期望距離的誤差

e=L-L*

(5)

設計如下自適應控制器

(6)

(7)

式中，λB>0，λT>0，能使e→0，即控制器使道岔轉(zhuǎn)到期望位置。構造相應的Lyapunov函數(shù)能證明該算法的穩(wěn)定性。

3 實驗平臺的開發(fā)與驗證

根據(jù)智能轉(zhuǎn)轍機工作原理開發(fā)了實驗平臺，驗證智能轉(zhuǎn)轍機的功能和控制性能。圖4所示為智能轉(zhuǎn)轍機實驗平臺，該平臺主要包括：57BL系列無刷直流電機、AQMD6010BLS型電機控制器、CPU1、CPU2、繼電器組、絲杠型道岔模型組件、LVDT位移傳感器、電源等。

圖4 智能轉(zhuǎn)轍機實驗平臺

3.1 智能轉(zhuǎn)轍機的功能驗證

智能轉(zhuǎn)轍機實驗平臺用于模擬智能轉(zhuǎn)轍機來完成道岔轉(zhuǎn)換，以及轉(zhuǎn)換到位后給出道岔位置表示的過程。在實驗過程中，智能轉(zhuǎn)轍機以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速，通過減速器連接滾珠絲杠，經(jīng)過4 s的時間可以完成1次道岔轉(zhuǎn)換，符合轉(zhuǎn)轍機要求的動作時間。圖5為智能轉(zhuǎn)轍機完成一次轉(zhuǎn)換過程的電機電流曲線。從圖5可以看出，智能轉(zhuǎn)轍機電流曲線平滑，具有較小的啟動電流，啟動后電機電流可以較快地進入穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過多次實驗表明智能轉(zhuǎn)轍機具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。

圖5 智能轉(zhuǎn)轍機電流曲線

使用計算機模擬聯(lián)鎖機及微機監(jiān)測系統(tǒng)，與智能轉(zhuǎn)轍機實驗平臺中控制單元進行通信，向轉(zhuǎn)轍機控制單元發(fā)送道岔動作命令，同時接收控制單元上傳的電機實時狀態(tài)及道岔位置等信息。圖6為使用計算機模擬監(jiān)測系統(tǒng)編寫的實時顯示界面，可以看出在轉(zhuǎn)轍機接到命令開始轉(zhuǎn)動過程中，監(jiān)測系統(tǒng)可以獲取道岔是否轉(zhuǎn)換到位、電機電流、電機當前轉(zhuǎn)速、目標轉(zhuǎn)速、電機是否堵轉(zhuǎn)、4個位移傳感器數(shù)據(jù)以及道岔位置表示等信息，這些信息隨著轉(zhuǎn)轍機的工作狀態(tài)進行實時更新，轉(zhuǎn)動到位后給出道岔正確的位置表示(定位、反位或四開狀態(tài))，可以證明該智能轉(zhuǎn)轍機控制邏輯正確，在實現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機基本功能的同時提供了更多電機工作狀態(tài)信息以及道岔位移數(shù)據(jù)。

圖6 智能轉(zhuǎn)轍機模擬監(jiān)測界面

3.2 無刷直流電機的控制性能

比較使用PID控制算法和本文提出的自適應控制算法的控制效果，結果如圖7所示。圖中虛線為使用PID算法的結果，可見實際的位移和期望的位移有一個穩(wěn)態(tài)誤差；圖中實線是使用自適應算法的結果，道岔動作的位移能精確地到達零點，驗證了對于模型存在不確定參數(shù)情形下，該算法能有效地實現(xiàn)位移的精確控制，為智能轉(zhuǎn)轍機的安全轉(zhuǎn)動提供保障。

圖7 自適應控制與PID控制位移曲線

4 結語

設計了一種可應用于分布式全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的智能轉(zhuǎn)轍機及其自適應控制算法。智能轉(zhuǎn)轍機具有獨立的信息采集和處理功能，通過光纖以太網(wǎng)接入聯(lián)鎖等系統(tǒng)，擴展方式靈活，并且啟動電流小，具有可變速功能，系統(tǒng)結構確保了較高的可靠性和可用性。提出的自適應控制算法能有效地克服因道岔使用環(huán)境不同，軌道摩擦系數(shù)和帶動的負載不同所導致控制精度不夠的問題，確保智能轉(zhuǎn)轍機的安全操作。