高速磁浮牽引控制集成技術研究

徐 娟，肖 健，李 俊，趙海濤

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

磁浮列車運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勢，最高速度可超過600 km/h，因此高速磁浮系統將是我國選擇建設大容量客運體系時考慮的重要方案之一［1］。高速磁浮列車分為常導型和超導型兩種，目前已實現運營的既有線路只有上海磁浮列車示范運營線，其采用全套進口設備，磁浮列車為常導型。

牽引系統為磁浮列車提供運行動力，是高速磁浮交通技術中的一項關鍵技術。文獻［2］描述了上海磁浮列車示范運營線磁浮列車的牽引系統，其整體優勢在于系統簡潔、模塊化程度高，但系統架構不同于傳統輪軌系統的，需另行配備駕駛控制功能。文獻［3］所述的高速磁浮牽引控制系統主要實現高層控制、車輛導引等功能，在牽引系統中起著十分核心的作用，但文獻僅限于功能介紹，未對其具體實現方案進行研究和分析。文獻［4］～文獻［6］僅對高速磁浮列車長定子直線電機變頻器的控制系統進行了研究，但未對牽引控制系統進行描述。

駕駛控制技術最早出現在城市軌道交通（簡稱“城軌”）信號系統中。根據文獻［7］中定義的功能劃分，駕駛控制屬于自動駕駛系統（ATO）中的主要功能。文獻［8］～文獻［10］介紹了當前城軌列車自動駕駛的控制算法，其包括傳統的比例積分（PID）控制方法和當前的智能控制方法。高速磁浮列車動力系統不同于城軌列車，其被布置在地面，若將駕駛控制劃分到運行控制系統，則會增加通信延時，降低運行的可靠性［11］。因此高速磁浮交通系統需增強運行控制的實時性和可靠性，以滿足高速運行和大功率電機控制的要求；而原隸屬于信號設備的駕駛控制已不能滿足高速磁浮地面動力系統的運行需求。目前城軌列車牽引邏輯控制單元作為獨立設備雖已有成熟技術，但對于具備駕駛功能的牽引控制系統集成技術，尚未有相關研究，因此如何實現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最重要的技術研究方向。本文通過研究高速磁浮牽引系統的功能特性，提出一種適用于高速磁浮交通系統的牽引控制集成方案，并對其可行性進行仿真驗證。

1 高速磁浮牽引系統概述

高速磁浮牽引系統（圖1）包括軌旁大功率變流器系統、牽引控制系統、線路軌旁直線電機定子開關和長定子繞組等。牽引系統根據運行控制系統的要求，通過牽引控制系統控制大功率變流系統輸出幅值、頻率與相位可調節的電壓和電流，并通過軌旁定子開關分段向磁浮列車所在的直線電機長定子繞組供電，從而實現對磁浮列車牽引力的有效控制。

根據供電范圍，線路被劃分為不同的牽引分區，牽引控制系統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，根據供電和牽引能力需求，高速磁浮牽引系統的變流器可被布置在同一牽引分區的兩端變電所或一端變電所。變流器機柜中包括變流器控制系統，其接收牽引控制系統的控制指令。為提高控制可靠性，牽引控制系統采用主從冗余控制方式，主從設備被分別布置在牽引分區兩端；列車在不同分區之間運行時，通過牽引控制系統進行分區交接同步，從而實現運行協同。

圖1 高速磁浮牽引系統Fig.1 Traction system of high speed maglev

如圖2所示，牽引控制系統發送牽引控制指令給變流器系統，變流器輸出滿足牽引控制指令要求的電壓/電流，同時牽引控制系統通過定子開關站控制軌旁定子開關的通斷，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、提高電機效率，牽引控制系統按照列車運行序列順序控制線路上定子開關的通斷。牽引控制系統控制線路定子段順序供電，實現列車起動、恒速運行以及制動停車等功能，使磁浮列車高速、安全、具有舒適感地運行?？梢?，牽引控制系統是高速磁浮牽引系統的核心單元，其直線電機特性與傳統中低速磁浮的不同，牽引控制系統實現方案是高速磁浮列車運行亟須研究的問題。

圖2 牽引控制系統連接關系圖Fig.2 Connecting diagram of traction control system

2 高速磁浮牽引控制系統集成方案

高速磁浮牽引控制系統用于實現與運行控制系統和定子開關站等外圍設備的通信，檢測牽引系統狀態，并基于運行控制系統發送的運行指令完成列車的牽引任務。結合高速磁浮動力系統的特性和運行需求，牽引控制系統具有邏輯控制、駕駛控制和換步控制功能（圖3）。其中，邏輯控制功能主要實現頂層協同功能，使牽引系統的下級設備轉換到滿足列車運行的狀態，包括通信控制、牽引狀態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/制動控制等功能，并進一步利用運行控制系統所提供的線路數據，實現符合線路特征的速度控制；換步控制功能對軌道上列車運行所在的定子段分時供電，以達到供電安全和節能的效果。

圖3 牽引控制系統功能方案Fig.3 Function proposal of traction control system

2.1 邏輯控制功能

牽引控制系統的邏輯控制功能包括通信控制、牽引狀態控制、主從切換控制和分區切換控制等，主要實現系統的頂層協同，使外部設備、變流器設備、同分區/不同分區的牽引設備連續工作，控制列車持續不斷地運行。只有當牽引系統外部設備通信正常、牽引控制系統正常啟用變流器后，才能啟動駕駛控制功能。

2.1.1 通信控制

牽引控制系統建立與外部設備的通信鏈路，接收運行控制系統和定子開關站等外部設備通信的信息，并將自身的反饋信息發送給外部設備，實現與外部設備的協調工作。

2.1.2 牽引狀態控制

牽引系統執行列車運行任務時，需合上主斷路器、啟動逆變控制、閉合輸出開關，使變流器具備給軌道供電的能力。牽引控制系統通過牽引狀態控制完成供電準備。

牽引系統具備8種牽引狀態，分別為初始狀態、基本狀態、帶電等待狀態、列車運行狀態、準備測試狀態、帶電牽引的測試狀態、不帶電牽引的測試狀態、仿真運行狀態。系統啟動正常后，進入初始狀態；接收到運控系統命令指令，則相繼轉入基本狀態、帶電等待、列車運行等運行控制狀態。

基本狀態時，牽引系統進入預備運行狀態；帶電等待狀態時，牽引控制系統啟動充電，建立中間電壓；列車運行狀態，牽引控制系統閉合輸出開關，啟動逆變控制，允許變流器開始工作；其余狀態為測試仿真狀態，用于故障檢測和仿真。

2.1.3 主從切換控制

為提高系統的可靠性，需設置主從兩套設備熱備控制，一旦一套設備故障，立即啟用另一套設備。因變流器系統被布置在分區的兩端，為提高牽引控制系統與變流器控制系統通信的可靠性，當列車越過分區中間點時，即進行主從切換，將牽引控制系統的控制權切換到列車運行接近的一端。

2.1.4 分區切換控制

常導型磁浮列車線路被劃分為多個牽引供電分區，當列車連續運行時，需在相鄰的牽引分區進行無縫切換，以滿足持續運行要求。

2.2 駕駛控制功能

駕駛控制功能包括駕駛狀態控制和車輛運行控制，其主要根據運行控制系統提供的線路數據、車輛特征和運行調整信息，并考慮沖擊、牽引/制動轉換限制等因素，計算出給定變流器的控制指令，以驅動列車運行。

2.2.1 駕駛狀態控制

高速磁浮牽引系統駕駛控制方案涉及非控制和運行控制兩種狀態。駕駛初始狀態為非控制狀態；當滿足駕駛控制條件時，則轉入運行控制狀態，并根據運行控制系統（簡稱“運控系統”）發送的線路數據和停車點信息以及測速單元反饋的位置速度信息，實現速度的閉環控制，輸出牽引力給定值給變流器單元。

運行控制狀態激活的條件包括牽引系統無故障、停車點運行曲線計算完成、列車已懸浮等。在運行過程中，當不滿足運行控制狀態激活的條件或運行控制系統切斷牽引系統時，駕駛狀態將轉換到非控制狀態（圖4），退出自動控車模式，所輸出的控制指令恢復到默認值。

圖4 駕駛狀態轉換圖Fig.4 Driving status switching

2.2.2 車輛運行控制

車輛運行控制是駕駛控制的主要功能。結合高速磁浮交通系統供電特性，該功能包括停車點運行曲線計算、曲線計算補償和步進式PID速度跟蹤（圖5）。停車點運行曲線計算接收來自運行控制系統的線路數據和停車點步進信息，通過停車點運行曲線計算駕駛控制的速度曲線。線路的不同牽引控制區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牽引力的影響也不同。因此需要基于不同牽引分區的定子段換步方式，曲線計算補償功能對駕駛控制的速度曲線進行重新預測，生成新的控制曲線?？刂扑俣扰c當前速度形成控制的偏差量，通過步進式PID控制對該偏差進行跟蹤，計算生成當前的牽引/制動控制指令并輸出至變流器單元。

圖5 車輛運行控制功能Fig.5 Functions of train operation control

2.2.2.1 基于最大限速的停車點運行曲線計算

運控系統發送停車點范圍內的限速和線路數據至駕駛控制中的運行控制模塊。為減少制動過程中的力的沖動，運行控制模塊根據運營控制要求，選取牽引能力范圍內的恒定加/減速度作為計算停車點運行曲線的加減速度參考值。根據已有的參考值并結合線路坡道和彎道數據，綜合得出實際所產生的控制加/減速度；同時，根據不同區段的線路限速約束（圖6中的曲線1），計算出從停車點到當前位置的運行參考速度（圖6的曲線2）。

2.2.2.2 基于定子段特性的曲線計算補償［12］

在磁浮列車運行過程中，牽引系統通過蛙跳法、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，從而提供持續的牽引力/制動力并實現節能。

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進行，因此其沒有動力損失；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力損失。若此時列車減速制動，因電流下降使產生的制動力減小，將導致列車超速或停車時沖標，如圖6所示。因此，根據牽引分區定子段的換步方式，需采用不同的制動控制方案。在存在動力損失的牽引分區，需按照補償損失的曲線算法進行控制，如圖7所示。

圖6 兩步法換步時超速Fig.6 Over-speed of two steps

圖7 車輛運行控制流程Fig.7 Flow of train operation control

當磁浮列車處于兩步法定子段的區間運行且前方有低的目標速度時，假設制動初速度為V0，目標速度為Vt，常用制動減速度為a0，則當前的制動距離為

設定子段換步的距離為S0，因左軌、右軌的定子段交錯布置，S0為定子段長度的1/2。設制動距離S1內有n個S0，即n=S1/S0并取整數。

根據常用制動減速度a0和沖擊率J0，計算在制動力損失50%和轉換時間不超過t0條件下，需補償的制動距離：

列車安全制動距離內，當S1＞n×S2時，S3=S1-n×S2；否則S3=S1。

圖8中的曲線2為補償后的制動曲線。

圖8 補償后的運行曲線Fig.8 Compensation of train operation curve

2.2.2.3 基于步進式PID的速度跟蹤

列車運行控制必須滿足沖擊率J0低于0.75 m/s3的要求。在實際控制過程中，為保證運行的舒適度，計算相應的步進限制量：

通過Vlimit對輸入控制的偏差進行限制，即為圖9的步進量控制限制環節。通過采用此步進限制，可以消除速度偏差發生的突變，減少后續PID控制器的調整時間。

圖9 PID控制量計算Fig.9 Calculation of PID control variables

通過PID控制器調整后，輸出針對當前速度偏差的控制值并對其進行速度偏差到力的變換，同時力的輸出需滿足牽引/制動工況變化的約束，圖10為牽引/制動工況變化示意圖。最終，牽引控制系統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，實現對速度的閉環控制和列車的安全高效運行。

圖10 牽引轉制動工況變化示意圖Fig.10 Switching between traction and braking conditions

2.3 換步控制功能

直線電機定子采用分段供電方式。牽引控制系統根據列車在線路上的位置，啟用相應的變流器，對當前車所在的定子段進行供電。當列車在線路上由一個定子段跨到另一個定子段運行時，牽引控制系統根據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，然后閉合新的定子開關，將定子段中的電流逐步增大到設定值，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

對于定子段換步過程中所產生的動力損失，牽引控制系統通過駕駛控制功能進行補償，從而實現列車制動減速的安全控制。

3 方案實現與仿真驗證

為驗證高速磁浮牽引控制系統的運行控制性能，搭建半實物仿真系統，涉及d-Space模擬仿真模型和運控仿真系統，其中d-Space模擬仿真模型包括牽引控制單元、定子開關站、車輛模型、線路模型和變流器模型等。圖12示出半實物實驗室調試場景。

圖12 半實物仿真調試場景Fig.12 Debugging environment of hardware in loop simulation

實驗室采用某試驗線的牽引系統配置數據并將牽引系統設置為單分區兩步法。設定車輛為單節車，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示出半實物仿真平臺的速度和牽引控制力數據，可以看出，控制過程平緩。圖14示出半實物仿真平臺速度和加速度曲線，可以看出，運行過程平穩。圖15示出半實物仿真平臺的速度距離曲線，可以看出，停車定位精確。圖16示出換步控制時控制變流器電流的變化過程。實驗結果表明，該速度控制方案能適應高速磁浮控制系統的分段換步特性，速度穩定，不存在超速觸發的安全問題，計算的實際沖擊率滿足設定值需求，且停車定位滿足±30 cm的精度要求，運行控制平緩。

圖13 半實物仿真v-F曲線Fig.13 v-F plot from hardware in loop simulation

圖14 半實物仿真v-a曲線Fig.14 v-a plot from hardware in loop simulation

圖15 半實物仿真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

4 結語

為適應高速磁浮動力系統配置在地面的特性需求，高速磁浮牽引控制系統需突破原有牽引控制系統的框架，納入駕駛控制系統，以提高運行的可控性和實時性；增加定子段換步功能，并考慮定子段換步對運行過程的影響。對此，本文提出了一種高速磁浮系統的牽引控制實現方案，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換約束，集成了城市軌道交通自動駕駛相關功能；同時還集成了高速磁浮牽引系統特有的分區切換、主從切換、定子段換步功能，能滿足高速磁浮交通系統運營所必需的牽引控制需求。

針對依據該研究方案所實現的牽引控制系統，本文不僅完成了半實物實驗室牽引控制、變流控制的集成驗證，同時也在某試驗線進行了現場驗證。在某試驗線上，牽引控制系統實現了與運行控制系統、車輛系統的集成聯調，對于用戶來說，集成駕駛功能后其操作控制簡單，運行性能優越。半實物和試驗線上運行測試結果表明，采用該集成方案后，運行控制的指令響應延時縮短為單獨信號系統運行控制的1/10，能夠實現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速僅為80 km/h，還需要進一步驗證時速達到600 km/h時的控制性能。后續將建設長大線路仿真實驗平臺，對高速下的系統各項控制性能指標進行驗證。