徐 娟,肖 健,李 俊,趙海濤
(株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司,湖南 株洲 412001)
磁浮列車運(yùn)行過程中與地面不接觸,相比輪軌列車,其具有不受輪軌黏著限制的優(yōu)勢,最高速度可超過600 km/h,因此高速磁浮系統(tǒng)將是我國選擇建設(shè)大容量客運(yùn)體系時(shí)考慮的重要方案之一[1]。高速磁浮列車分為常導(dǎo)型和超導(dǎo)型兩種,目前已實(shí)現(xiàn)運(yùn)營的既有線路只有上海磁浮列車示范運(yùn)營線,其采用全套進(jìn)口設(shè)備,磁浮列車為常導(dǎo)型。
牽引系統(tǒng)為磁浮列車提供運(yùn)行動(dòng)力,是高速磁浮交通技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[2]描述了上海磁浮列車示范運(yùn)營線磁浮列車的牽引系統(tǒng),其整體優(yōu)勢在于系統(tǒng)簡潔、模塊化程度高,但系統(tǒng)架構(gòu)不同于傳統(tǒng)輪軌系統(tǒng)的,需另行配備駕駛控制功能。文獻(xiàn)[3]所述的高速磁浮牽引控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)高層控制、車輛導(dǎo)引等功能,在牽引系統(tǒng)中起著十分核心的作用,但文獻(xiàn)僅限于功能介紹,未對(duì)其具體實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行研究和分析。文獻(xiàn)[4]~文獻(xiàn)[6]僅對(duì)高速磁浮列車長定子直線電機(jī)變頻器的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究,但未對(duì)牽引控制系統(tǒng)進(jìn)行描述。
駕駛控制技術(shù)最早出現(xiàn)在城市軌道交通(簡稱“城軌”)信號(hào)系統(tǒng)中。根據(jù)文獻(xiàn)[7]中定義的功能劃分,駕駛控制屬于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)(ATO)中的主要功能。文獻(xiàn)[8]~文獻(xiàn)[10]介紹了當(dāng)前城軌列車自動(dòng)駕駛的控制算法,其包括傳統(tǒng)的比例積分(PID)控制方法和當(dāng)前的智能控制方法。高速磁浮列車動(dòng)力系統(tǒng)不同于城軌列車,其被布置在地面,若將駕駛控制劃分到運(yùn)行控制系統(tǒng),則會(huì)增加通信延時(shí),降低運(yùn)行的可靠性[11]。因此高速磁浮交通系統(tǒng)需增強(qiáng)運(yùn)行控制的實(shí)時(shí)性和可靠性,以滿足高速運(yùn)行和大功率電機(jī)控制的要求;而原隸屬于信號(hào)設(shè)備的駕駛控制已不能滿足高速磁浮地面動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行需求。目前城軌列車牽引邏輯控制單元作為獨(dú)立設(shè)備雖已有成熟技術(shù),但對(duì)于具備駕駛功能的牽引控制系統(tǒng)集成技術(shù),尚未有相關(guān)研究,因此如何實(shí)現(xiàn)在高速磁浮的牽引邏輯控制融合駕駛控制,是高速磁浮牽引控制系統(tǒng)最重要的技術(shù)研究方向。本文通過研究高速磁浮牽引系統(tǒng)的功能特性,提出一種適用于高速磁浮交通系統(tǒng)的牽引控制集成方案,并對(duì)其可行性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
高速磁浮牽引系統(tǒng)(圖1)包括軌旁大功率變流器系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)、線路軌旁直線電機(jī)定子開關(guān)和長定子繞組等。牽引系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行控制系統(tǒng)的要求,通過牽引控制系統(tǒng)控制大功率變流系統(tǒng)輸出幅值、頻率與相位可調(diào)節(jié)的電壓和電流,并通過軌旁定子開關(guān)分段向磁浮列車所在的直線電機(jī)長定子繞組供電,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁浮列車牽引力的有效控制。
根據(jù)供電范圍,線路被劃分為不同的牽引分區(qū),牽引控制系統(tǒng)和大功率變流器被布置在線路沿線的牽引變電所中。如圖1所示,根據(jù)供電和牽引能力需求,高速磁浮牽引系統(tǒng)的變流器可被布置在同一牽引分區(qū)的兩端變電所或一端變電所。變流器機(jī)柜中包括變流器控制系統(tǒng),其接收牽引控制系統(tǒng)的控制指令。為提高控制可靠性,牽引控制系統(tǒng)采用主從冗余控制方式,主從設(shè)備被分別布置在牽引分區(qū)兩端;列車在不同分區(qū)之間運(yùn)行時(shí),通過牽引控制系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)交接同步,從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行協(xié)同。
圖1 高速磁浮牽引系統(tǒng)Fig.1 Traction system of high speed maglev
如圖2所示,牽引控制系統(tǒng)發(fā)送牽引控制指令給變流器系統(tǒng),變流器輸出滿足牽引控制指令要求的電壓/電流,同時(shí)牽引控制系統(tǒng)通過定子開關(guān)站控制軌旁定子開關(guān)的通斷,將變流器輸出電壓和輸出電流供給列車所在的定子段。為盡可能降低損耗、提高電機(jī)效率,牽引控制系統(tǒng)按照列車運(yùn)行序列順序控制線路上定子開關(guān)的通斷。牽引控制系統(tǒng)控制線路定子段順序供電,實(shí)現(xiàn)列車起動(dòng)、恒速運(yùn)行以及制動(dòng)停車等功能,使磁浮列車高速、安全、具有舒適感地運(yùn)行。可見,牽引控制系統(tǒng)是高速磁浮牽引系統(tǒng)的核心單元,其直線電機(jī)特性與傳統(tǒng)中低速磁浮的不同,牽引控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案是高速磁浮列車運(yùn)行亟須研究的問題。
圖2 牽引控制系統(tǒng)連接關(guān)系圖Fig.2 Connecting diagram of traction control system
高速磁浮牽引控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行控制系統(tǒng)和定子開關(guān)站等外圍設(shè)備的通信,檢測牽引系統(tǒng)狀態(tài),并基于運(yùn)行控制系統(tǒng)發(fā)送的運(yùn)行指令完成列車的牽引任務(wù)。結(jié)合高速磁浮動(dòng)力系統(tǒng)的特性和運(yùn)行需求,牽引控制系統(tǒng)具有邏輯控制、駕駛控制和換步控制功能(圖3)。其中,邏輯控制功能主要實(shí)現(xiàn)頂層協(xié)同功能,使?fàn)恳到y(tǒng)的下級(jí)設(shè)備轉(zhuǎn)換到滿足列車運(yùn)行的狀態(tài),包括通信控制、牽引狀態(tài)控制及主從控制等功能;駕駛控制功能集成了原牽引邏輯控制中的速度控制和牽引/制動(dòng)控制等功能,并進(jìn)一步利用運(yùn)行控制系統(tǒng)所提供的線路數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)符合線路特征的速度控制;換步控制功能對(duì)軌道上列車運(yùn)行所在的定子段分時(shí)供電,以達(dá)到供電安全和節(jié)能的效果。
圖3 牽引控制系統(tǒng)功能方案Fig.3 Function proposal of traction control system
牽引控制系統(tǒng)的邏輯控制功能包括通信控制、牽引狀態(tài)控制、主從切換控制和分區(qū)切換控制等,主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的頂層協(xié)同,使外部設(shè)備、變流器設(shè)備、同分區(qū)/不同分區(qū)的牽引設(shè)備連續(xù)工作,控制列車持續(xù)不斷地運(yùn)行。只有當(dāng)牽引系統(tǒng)外部設(shè)備通信正常、牽引控制系統(tǒng)正常啟用變流器后,才能啟動(dòng)駕駛控制功能。
2.1.1 通信控制
牽引控制系統(tǒng)建立與外部設(shè)備的通信鏈路,接收運(yùn)行控制系統(tǒng)和定子開關(guān)站等外部設(shè)備通信的信息,并將自身的反饋信息發(fā)送給外部設(shè)備,實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的協(xié)調(diào)工作。
2.1.2 牽引狀態(tài)控制
牽引系統(tǒng)執(zhí)行列車運(yùn)行任務(wù)時(shí),需合上主斷路器、啟動(dòng)逆變控制、閉合輸出開關(guān),使變流器具備給軌道供電的能力。牽引控制系統(tǒng)通過牽引狀態(tài)控制完成供電準(zhǔn)備。
牽引系統(tǒng)具備8種牽引狀態(tài),分別為初始狀態(tài)、基本狀態(tài)、帶電等待狀態(tài)、列車運(yùn)行狀態(tài)、準(zhǔn)備測試狀態(tài)、帶電牽引的測試狀態(tài)、不帶電牽引的測試狀態(tài)、仿真運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)啟動(dòng)正常后,進(jìn)入初始狀態(tài);接收到運(yùn)控系統(tǒng)命令指令,則相繼轉(zhuǎn)入基本狀態(tài)、帶電等待、列車運(yùn)行等運(yùn)行控制狀態(tài)。
基本狀態(tài)時(shí),牽引系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)備運(yùn)行狀態(tài);帶電等待狀態(tài)時(shí),牽引控制系統(tǒng)啟動(dòng)充電,建立中間電壓;列車運(yùn)行狀態(tài),牽引控制系統(tǒng)閉合輸出開關(guān),啟動(dòng)逆變控制,允許變流器開始工作;其余狀態(tài)為測試仿真狀態(tài),用于故障檢測和仿真。
2.1.3 主從切換控制
為提高系統(tǒng)的可靠性,需設(shè)置主從兩套設(shè)備熱備控制,一旦一套設(shè)備故障,立即啟用另一套設(shè)備。因變流器系統(tǒng)被布置在分區(qū)的兩端,為提高牽引控制系統(tǒng)與變流器控制系統(tǒng)通信的可靠性,當(dāng)列車越過分區(qū)中間點(diǎn)時(shí),即進(jìn)行主從切換,將牽引控制系統(tǒng)的控制權(quán)切換到列車運(yùn)行接近的一端。
2.1.4 分區(qū)切換控制
常導(dǎo)型磁浮列車線路被劃分為多個(gè)牽引供電分區(qū),當(dāng)列車連續(xù)運(yùn)行時(shí),需在相鄰的牽引分區(qū)進(jìn)行無縫切換,以滿足持續(xù)運(yùn)行要求。
駕駛控制功能包括駕駛狀態(tài)控制和車輛運(yùn)行控制,其主要根據(jù)運(yùn)行控制系統(tǒng)提供的線路數(shù)據(jù)、車輛特征和運(yùn)行調(diào)整信息,并考慮沖擊、牽引/制動(dòng)轉(zhuǎn)換限制等因素,計(jì)算出給定變流器的控制指令,以驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行。
2.2.1 駕駛狀態(tài)控制
高速磁浮牽引系統(tǒng)駕駛控制方案涉及非控制和運(yùn)行控制兩種狀態(tài)。駕駛初始狀態(tài)為非控制狀態(tài);當(dāng)滿足駕駛控制條件時(shí),則轉(zhuǎn)入運(yùn)行控制狀態(tài),并根據(jù)運(yùn)行控制系統(tǒng)(簡稱“運(yùn)控系統(tǒng)”)發(fā)送的線路數(shù)據(jù)和停車點(diǎn)信息以及測速單元反饋的位置速度信息,實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制,輸出牽引力給定值給變流器單元。
運(yùn)行控制狀態(tài)激活的條件包括牽引系統(tǒng)無故障、停車點(diǎn)運(yùn)行曲線計(jì)算完成、列車已懸浮等。在運(yùn)行過程中,當(dāng)不滿足運(yùn)行控制狀態(tài)激活的條件或運(yùn)行控制系統(tǒng)切斷牽引系統(tǒng)時(shí),駕駛狀態(tài)將轉(zhuǎn)換到非控制狀態(tài)(圖4),退出自動(dòng)控車模式,所輸出的控制指令恢復(fù)到默認(rèn)值。
圖4 駕駛狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.4 Driving status switching
2.2.2 車輛運(yùn)行控制
車輛運(yùn)行控制是駕駛控制的主要功能。結(jié)合高速磁浮交通系統(tǒng)供電特性,該功能包括停車點(diǎn)運(yùn)行曲線計(jì)算、曲線計(jì)算補(bǔ)償和步進(jìn)式PID速度跟蹤(圖5)。停車點(diǎn)運(yùn)行曲線計(jì)算接收來自運(yùn)行控制系統(tǒng)的線路數(shù)據(jù)和停車點(diǎn)步進(jìn)信息,通過停車點(diǎn)運(yùn)行曲線計(jì)算駕駛控制的速度曲線。線路的不同牽引控制區(qū)域配置了不同的定子段切換方式,不同切換方式的切換過程對(duì)牽引力的影響也不同。因此需要基于不同牽引分區(qū)的定子段換步方式,曲線計(jì)算補(bǔ)償功能對(duì)駕駛控制的速度曲線進(jìn)行重新預(yù)測,生成新的控制曲線??刂扑俣扰c當(dāng)前速度形成控制的偏差量,通過步進(jìn)式PID控制對(duì)該偏差進(jìn)行跟蹤,計(jì)算生成當(dāng)前的牽引/制動(dòng)控制指令并輸出至變流器單元。
圖5 車輛運(yùn)行控制功能Fig.5 Functions of train operation control
2.2.2.1 基于最大限速的停車點(diǎn)運(yùn)行曲線計(jì)算
運(yùn)控系統(tǒng)發(fā)送停車點(diǎn)范圍內(nèi)的限速和線路數(shù)據(jù)至駕駛控制中的運(yùn)行控制模塊。為減少制動(dòng)過程中的力的沖動(dòng),運(yùn)行控制模塊根據(jù)運(yùn)營控制要求,選取牽引能力范圍內(nèi)的恒定加/減速度作為計(jì)算停車點(diǎn)運(yùn)行曲線的加減速度參考值。根據(jù)已有的參考值并結(jié)合線路坡道和彎道數(shù)據(jù),綜合得出實(shí)際所產(chǎn)生的控制加/減速度;同時(shí),根據(jù)不同區(qū)段的線路限速約束(圖6中的曲線1),計(jì)算出從停車點(diǎn)到當(dāng)前位置的運(yùn)行參考速度(圖6的曲線2)。
2.2.2.2 基于定子段特性的曲線計(jì)算補(bǔ)償[12]
在磁浮列車運(yùn)行過程中,牽引系統(tǒng)通過蛙跳法、兩步法和三步法的換步方式為列車在不同定子段上提供的控制電流和電壓,從而提供持續(xù)的牽引力/制動(dòng)力并實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
在蛙跳法或三步法換步過程中,前后相鄰定子段因由不同的變流器供電,其電流加載可以由不同定子段同時(shí)進(jìn)行,因此其沒有動(dòng)力損失;而在兩步法換步過程中,因是在同一變流器供電工況下切換,對(duì)于相鄰定子段,必須先將變流器的電流降為0并將此定子段與變流器斷開,然后再將下一定子段與變流器連接,為下一定子段供電,因此存在切換過程的動(dòng)力損失。若此時(shí)列車減速制動(dòng),因電流下降使產(chǎn)生的制動(dòng)力減小,將導(dǎo)致列車超速或停車時(shí)沖標(biāo),如圖6所示。因此,根據(jù)牽引分區(qū)定子段的換步方式,需采用不同的制動(dòng)控制方案。在存在動(dòng)力損失的牽引分區(qū),需按照補(bǔ)償損失的曲線算法進(jìn)行控制,如圖7所示。
圖6 兩步法換步時(shí)超速Fig.6 Over-speed of two steps
圖7 車輛運(yùn)行控制流程Fig.7 Flow of train operation control
當(dāng)磁浮列車處于兩步法定子段的區(qū)間運(yùn)行且前方有低的目標(biāo)速度時(shí),假設(shè)制動(dòng)初速度為V0,目標(biāo)速度為Vt,常用制動(dòng)減速度為a0,則當(dāng)前的制動(dòng)距離為
設(shè)定子段換步的距離為S0,因左軌、右軌的定子段交錯(cuò)布置,S0為定子段長度的1/2。設(shè)制動(dòng)距離S1內(nèi)有n個(gè)S0,即n=S1/S0并取整數(shù)。
根據(jù)常用制動(dòng)減速度a0和沖擊率J0,計(jì)算在制動(dòng)力損失50%和轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過t0條件下,需補(bǔ)償?shù)闹苿?dòng)距離:
列車安全制動(dòng)距離內(nèi),當(dāng)S1>n×S2時(shí),S3=S1-n×S2;否則S3=S1。
圖8中的曲線2為補(bǔ)償后的制動(dòng)曲線。
圖8 補(bǔ)償后的運(yùn)行曲線Fig.8 Compensation of train operation curve
2.2.2.3 基于步進(jìn)式PID的速度跟蹤
列車運(yùn)行控制必須滿足沖擊率J0低于0.75 m/s3的要求。在實(shí)際控制過程中,為保證運(yùn)行的舒適度,計(jì)算相應(yīng)的步進(jìn)限制量:
通過Vlimit對(duì)輸入控制的偏差進(jìn)行限制,即為圖9的步進(jìn)量控制限制環(huán)節(jié)。通過采用此步進(jìn)限制,可以消除速度偏差發(fā)生的突變,減少后續(xù)PID控制器的調(diào)整時(shí)間。
圖9 PID控制量計(jì)算Fig.9 Calculation of PID control variables
通過PID控制器調(diào)整后,輸出針對(duì)當(dāng)前速度偏差的控制值并對(duì)其進(jìn)行速度偏差到力的變換,同時(shí)力的輸出需滿足牽引/制動(dòng)工況變化的約束,圖10為牽引/制動(dòng)工況變化示意圖。最終,牽引控制系統(tǒng)輸出力控制指令給變流器單元,由變流器輸出幅值可變的三相交流電,分段輸出給定子段,實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的閉環(huán)控制和列車的安全高效運(yùn)行。
圖10 牽引轉(zhuǎn)制動(dòng)工況變化示意圖Fig.10 Switching between traction and braking conditions
直線電機(jī)定子采用分段供電方式。牽引控制系統(tǒng)根據(jù)列車在線路上的位置,啟用相應(yīng)的變流器,對(duì)當(dāng)前車所在的定子段進(jìn)行供電。當(dāng)列車在線路上由一個(gè)定子段跨到另一個(gè)定子段運(yùn)行時(shí),牽引控制系統(tǒng)根據(jù)線路布置的換步方式,依次控制原定子段中的電流,其按照一定的斜率下降至0,則斷開原定子段開關(guān),然后閉合新的定子開關(guān),將定子段中的電流逐步增大到設(shè)定值,完成定子段的順序換步控制。圖11示出定子段換步電流變化示意。
圖11 定子段換步電流變化示意圖Fig.11 Diagram of stator switching current
對(duì)于定子段換步過程中所產(chǎn)生的動(dòng)力損失,牽引控制系統(tǒng)通過駕駛控制功能進(jìn)行補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)列車制動(dòng)減速的安全控制。
為驗(yàn)證高速磁浮牽引控制系統(tǒng)的運(yùn)行控制性能,搭建半實(shí)物仿真系統(tǒng),涉及d-Space模擬仿真模型和運(yùn)控仿真系統(tǒng),其中d-Space模擬仿真模型包括牽引控制單元、定子開關(guān)站、車輛模型、線路模型和變流器模型等。圖12示出半實(shí)物實(shí)驗(yàn)室調(diào)試場景。
圖12 半實(shí)物仿真調(diào)試場景Fig.12 Debugging environment of hardware in loop simulation
實(shí)驗(yàn)室采用某試驗(yàn)線的牽引系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)并將牽引系統(tǒng)設(shè)置為單分區(qū)兩步法。設(shè)定車輛為單節(jié)車,最大速度為20 km/h,最大加減速度為1.0 m/s2,沖擊率J為0.3 m/s3。圖13示出半實(shí)物仿真平臺(tái)的速度和牽引控制力數(shù)據(jù),可以看出,控制過程平緩。圖14示出半實(shí)物仿真平臺(tái)速度和加速度曲線,可以看出,運(yùn)行過程平穩(wěn)。圖15示出半實(shí)物仿真平臺(tái)的速度距離曲線,可以看出,停車定位精確。圖16示出換步控制時(shí)控制變流器電流的變化過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該速度控制方案能適應(yīng)高速磁浮控制系統(tǒng)的分段換步特性,速度穩(wěn)定,不存在超速觸發(fā)的安全問題,計(jì)算的實(shí)際沖擊率滿足設(shè)定值需求,且停車定位滿足±30 cm的精度要求,運(yùn)行控制平緩。
圖13 半實(shí)物仿真v-F曲線Fig.13 v-F plot from hardware in loop simulation
圖14 半實(shí)物仿真v-a曲線Fig.14 v-a plot from hardware in loop simulation
圖15 半實(shí)物仿真v-S曲線Fig.15 v-S plot from hardware in loop simulation
圖16 換步控制電流變化Fig.16 Switching current of stator with step-change control
為適應(yīng)高速磁浮動(dòng)力系統(tǒng)配置在地面的特性需求,高速磁浮牽引控制系統(tǒng)需突破原有牽引控制系統(tǒng)的框架,納入駕駛控制系統(tǒng),以提高運(yùn)行的可控性和實(shí)時(shí)性;增加定子段換步功能,并考慮定子段換步對(duì)運(yùn)行過程的影響。對(duì)此,本文提出了一種高速磁浮系統(tǒng)的牽引控制實(shí)現(xiàn)方案,其整合了原牽引控制的加減速限制、沖擊率限制以及工況轉(zhuǎn)換約束,集成了城市軌道交通自動(dòng)駕駛相關(guān)功能;同時(shí)還集成了高速磁浮牽引系統(tǒng)特有的分區(qū)切換、主從切換、定子段換步功能,能滿足高速磁浮交通系統(tǒng)運(yùn)營所必需的牽引控制需求。
針對(duì)依據(jù)該研究方案所實(shí)現(xiàn)的牽引控制系統(tǒng),本文不僅完成了半實(shí)物實(shí)驗(yàn)室牽引控制、變流控制的集成驗(yàn)證,同時(shí)也在某試驗(yàn)線進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證。在某試驗(yàn)線上,牽引控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與運(yùn)行控制系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)的集成聯(lián)調(diào),對(duì)于用戶來說,集成駕駛功能后其操作控制簡單,運(yùn)行性能優(yōu)越。半實(shí)物和試驗(yàn)線上運(yùn)行測試結(jié)果表明,采用該集成方案后,運(yùn)行控制的指令響應(yīng)延時(shí)縮短為單獨(dú)信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行控制的1/10,能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的速度控制和停車控制。
目前本方案在測試中的最高時(shí)速僅為80 km/h,還需要進(jìn)一步驗(yàn)證時(shí)速達(dá)到600 km/h時(shí)的控制性能。后續(xù)將建設(shè)長大線路仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)高速下的系統(tǒng)各項(xiàng)控制性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。