中国北车股份有限公司大连电力牵引研发中心
副总经理 姜悦礼
1 牵引传动及控制基本任务
交流传动电力牵引及控制系统技术，是新一代交流传动机车车辆必须的重要技术配置，是机车车辆现代化变革的主要标志。它不但推动着机车车辆的传动控制技术进步，更是机车车辆向高速客运、重载货运方向发展的基本基础，是机车车辆满足快速发展的轨道交通运输的必备条件。
1.1 牵引传动控制
1.1.1 基本功能需求
牵引变流器控制的核心是牵引控制单元（TCU），TCU的控制对象主要有：四象限整流器、直流母线和牵引逆变器。TCU通过微控制器及其外围电路实现四象限整流器控制、牵引逆变器控制和直流母线过压抑制等功能，并能对牵引传动系统主电路器件进行保护，可记录故障时间和代码等信息，牵引控制单元的控制对象见图1。
图1 牵引传动控制单元的控制对象
TCU通过MVB总线与车辆网络进行通信，通过维护接口与个人电脑或便携设备相连，从而达到程序和数据下载、记录以及在线调试。
1.1.2 性能指标
对于牵引控制来说，由于采用交直交主电路传动技术，牵引变流器内含有交直、直交两个基本功能环节，因此必然是两个方面的控制指标，这就是四象限整流器控制指标和牵引逆变器控制指标。
（1）四象限整流器控制指标
总效率：在额定网压下，在牵引工况下发挥持续额定功率时，总效率≥0.85；
功率因数：当接触网电压在22.5至27.5kV范围内，且牵引功率在额定牵引功率的20 %至100%范围内，机车功率因数(λ)≥0.98；
等效干扰电流和谐波含量：当一台机车满功率运行时等效干扰电流(Jp)≤2.5A；
总谐波电流：100次以下总谐波电流≤6A，其中三次谐波电流值≤4.5A；
（2）牵引逆变器控制指标
牵引电机实施转矩控制（含牵引、电制动特性控制）；
空转、滑行控制（在状况变化不定的情况下，保持最大的粘着利用率）；
轴重转移；
库内动车控制（限速5km/h）；
定速控制（速度精度±2.5km/h）。
1.2 网络控制系统
1.2.1基本功能需求
按照现代化机车车辆的基本需求，机车车辆网络控制系统功能主要由五个基本功能区构成，如：运行控制功能、电力牵引/制动功能、辅助供电系统功能、制动与压缩空气供应功能和故障诊断功能。
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序号 |
功能划分 |
具体功能 |
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1 |
运行控制功能 |
蓄电池控制、司机室激活、网络结构与布线、牵引控制单元供电、控制单元供电控制、库内动车控制、撒沙控制与测试等。 |
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2 |
电力牵引/制动功能 |
受电弓控制、钥匙箱连锁、高压隔离开关控制、主断路器控制、自动过分相控制、牵引变压器保护、牵引/制动命令、运行方向选择等。 |
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3 |
辅助供电系统功能 |
辅助控制单元供电、辅助变流器传感器、辅助系统接触器控制与反馈等。 |
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4 |
制动与压缩空气供应功能 |
制动系统控制、紧急制动与制动系统状态反馈、风笛控制、辅助风源控制和主风源控制等。 |
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5 |
故障诊断功能 |
受电弓、牵引变压器、牵引变流器、牵引电机和网络控制系统等； 转向架、车体和轮对及轴承等； 空气管路、气动装置、电空制动装置、压缩机等。 |
1.2.2 控制系统部件组成
典型六轴机车网络控制系统拓扑图如图2。
图2 典型网络控制系统拓扑
2 牵引传动控制技术平台
牵引传动控制技术是交流传动现代化的关键技术之一，经过几年的艰苦努力，我们已经在牵引传动控制技术上实现了重大突破，构建的半实物仿真平台，可以验证各种控制策略和控制算法，构建的热仿真和结构仿真平台，可以辅助热设计以及机械结构的设计。
2.1 牵引传动控制关键技术
2.1.1 四象限整流控制技术
四象限整流器控制的主要目标是：保证直流侧电压稳定在允许偏差范围内；使输入电流正弦化，单位功率因数运行,减小对电网谐波污染；输出电压或电流能够快速的调节，达到稳定，即要求具有较好的动态特性，提高系统的动态响应能力，减少系统的动态响应时间。
本技术平台的四象限整流控制采用了外环电压控制、内环电流控制的双闭环控制方法--瞬态电流控制法，电压控制为外环，电流控制为内环。对于某一参数变动时，控制系统具有自动校正调节功能，最终达到稳态平衡。外环采用电压控制器使实际的直流侧电压跟踪给定的直流侧电压值，从而保持直流侧电压稳定。内环采用电流控制，电流内环主要使实际的网侧电流跟踪给定的网侧电流，从而实现网侧电压与电流同相位，也即网侧输入端为单位功率因数。电流内环控制器的输出是所需的调制信号。不但保证在稳态和动态过程中对直流母线电压的良好控制，同时电网侧的功率因数得到大幅提升，保证了电能的有效利用。
四象限整流电流控制采用了比较新颖的比例-谐振控制器。不同于传统的比例-积分控制器，它能够对网侧固定频率的电流实现无静差跟踪，加快电流（能量）变化的响应速度，提高系统的动态性能。
2.1.2 多重化控制技术
牵引变流器四象限控制的PWM控制技术的应用使牵引变压器次边绕组中的电流存在一定含量的谐波，如果不采取任措施的话，多组牵引绕组中的谐波电流就会叠加在一起，在原边绕组中较大含量的谐波。
多重化控制技术可以有效降低了变压器原边电流的谐波含量，将多组四象限变流器PWM脉冲的载波相互错开一定角度，从而使次边绕组上的谐波电流相互抵消，达到消除原边绕组谐波电流的目的。
2.1.3 牵引电动机控制技术
牵引电机控制采用基于间接磁场定向的矢量控制策略，以及电流控制方法和脉冲调制方式等。转速闭环控制由MPU控制器完成，牵引控制器仅做转矩控制。
电流控制解耦为励磁电流和转矩电流分别控制，励磁电流给定由电机转速计算获得，转矩电流给定由MPU控制器分配给本轴的牵引力大小计算得到。它们分别和其反馈值计算偏差后经调节器输出电压分量，再加上解耦分量作为期望的输出电压。同时，计算给定转差角速度，和反馈电机角速度信号相加后得到同步角速度，积分后作为输出电压矢量的角度。
脉冲调制采用分段同步调制方式，并使用特定次消谐PWM优化现有的调制方法，改善牵引逆变器输出电压谐波含量。
2.1.4 机车粘着控制技术
粘着控制技术主要包括空转趋势识别技术和蠕滑优化控制技术。空转趋势识别使用无基准速度的识别方法，通过检测轮周加速度微分值识别空转趋势；蠕滑优化控制对车轮加速度进行判断，当加速度超过一定阈值时迅速采用加速度标准法快速深度削减动轮驱动转矩，如果车轮加速度没有超过阈值，估算车速计算蠕滑速度，当蠕滑速度大于一定值时，由极值法对电机转矩进行调整。
2.2 技术特点
NECT牵引传动控制平台采用高速总线贯穿整个牵引控制单元，实时控制器采用高性能DSP，浮点运算速度高达每秒上亿次，具备应对复杂牵引变流器的高性能实时控制能力。与其他公司的对比如表1所示。
表1 NECT牵引传动控制与其他公司的技术对比
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Alstom公司 |
庞巴迪公司 |
中国北车NECT |
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执行标准 |
EN50155 |
EN50155 |
EN50155 |
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实时DSP芯片型号 |
ADSP21062 |
Motorola DSP 56302 |
TMS320F28335 |
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实时DSP芯片主频 |
40MHz |
80MHz |
150MHz |
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电机控制策略 |
矢量控制 |
直接转矩控制 |
矢量控制 |
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四象限控制策略 |
矢量控制 |
瞬态电流控制 |
瞬态电流控制+单位功率因数控制 |
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AD采样转换精度 |
10位，0~5V |
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12位，±10V |
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开发调试工具 |
VisualDSP++ |
TRACS Monitor |
Code Composer Studio |
牵引控制单元TCU软件的核心是四象限变流器控制软件和三相逆变器控制软件，另外，软件系统还包含了系统控制、逻辑控制、网络通信、故障处理、记录及下载等内容。TCU软件架构如图3所示：
图3 TCU软件架构
3 网络控制系统技术平台
3.1 网络控制系统关键技术
网络控制系统总线采用基于TCN国际标准（IEC61375-1），实现轨道交通车辆数据的高实时传输功能的现场总线。
3.1.1 重联控制技术
TCMS采用基于WTB/MVB网关的重联方式。机车车辆实施重联采用WTB/MVB网关，该网关基于IEC61375-1和UIC556国际标准，通过WTB总线获取整个编组机车车辆的动态编组信息。
3.1.2 设备和线路冗余技术
TCMS采用设备冗余和线路冗余方式。网络控制系统中各重要单元都采用设备冗余方式，当一个单元发生故障时，另外一个单元可以正常完成相关控制功能。针对关键电气信号（受电弓、主断路器等输入输出信号），远程输入输出单元同时采集两路电气输入信号或经二极管并联方式驱动两路电气输出信号。通过上述的设备和线路冗余设计，最大程度保证了网络控制系统的可靠运行。
3.1.3 可靠的系统调试及维护工具
整套系统安装后，借助专用调试软件可实现整车在线调试、故障信息下载及分析等功能，可以在相关单元无法正常上电工作的条件下，单独完成系统半实物仿真模拟调试。同时网络控制系统具备完善的故障诊断、记录、存储、显示及下载功能，便于工程人员进行网络控制系统的日常维护。
3.2 技术特点
TCMS是实现机车的控制、监视和诊断的车载分布式微机控制系统。不仅适用于干线机车车辆的列车级和车辆级的控制，而且适用于地铁列车、轻轨车辆等的控制。与外国公司同类产品对比如表3所示。
表3 NECT网络控制系统与外国公司同类产品对比
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网络控制系统 |
NECT网络 控制系统 |
西门子公司 SIBAS32 |
庞巴迪公司 MITRAC |
东芝公司 TMS |
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执行标准 |
IEC61375 |
IEC61375 |
IEC61375 |
ISO13239 |
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主处理器速度 |
400MHz |
66MHz |
400MHz |
<100MHz |
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自动组网 |
具备 |
具备 |
具备 |
不具备 |
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车辆总线 |
MVB |
MVB |
MVB，以太网 |
HDLC |
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车辆总线形式 |
主从结构 |
主从结构 |
主从结构，星型 |
点对点 |
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车辆总线速度 |
1.5M bps |
1.5M bps |
1.5M 100M bps |
<100K bps |
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最小通信周期 |
1ms |
1ms |
1ms |
50ms |
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消息数据 |
支持 |
支持 |
支持 |
不支持 |
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编程工具 |
IEC61131-3 |
IEC61131-3 |
IEC61131-3 |
不支持 |
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故障记录 |
2GB |
16MB |
32MB |
<100K |
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数据下载方式 |
USB，以太网 |
RS232 |
以太网 |
无 |
可见，NECT网络控制系统整体技术水平与先进的国际交流传动机车网络控制系统结构相同，已经达到西门子公司、庞巴迪公司等当前主流产品的技术水平。
3.1 WTB/MVB网关
MVB/WTB网关负责WTB网络和MVB网络之间的数据传输，既可以自动完成WTB设备的列车自编组、实现机车的重联控制，也可以作为MVB总线四类设备完成机车设备状态查询、过程数据通信、消息数据通信、监控数据通信和总线管理等功能，便于实现多台机车的重联运行。
WTB/MVB网关符合UIC556国际标准，网关CSS配置技术、UDS诊断技术等核心软件技术处于国际先进水平。
3.2 主处理单元
主处理单元（MPU）采用冗余设计，由MPU1和MPU2组成，既可以完成MVB网络的总线管理功能，也可以完成TCN网络控制系统的中央处理功能，实现车辆控制。在正常情况下，MPU1作为主控单元，负责管理和监测网络通信和各设备状态，MPU2热备冗余；在MPU1故障的情况下，MPU2自动接管主控单元功能。切换过程中除MPU1本身故障外任何数据无损失，不会引起其它设备故障。MPU负责车辆网络配置管理，数据报文收发。同时负责列车网络配置管理，数据报文收发。
主处理单元采用了INTEL公司Celeron 400MHz处理器，配有256M SDRAM和2G 非易失性存贮区，具有MVB、以太网、RS485、RS232、USB2.0等接口。主控单元系统软件为底层的支持软件。软件装载于主控MPU单元内，主控MPU基于32位X86构架，增加了Vxworks实时操作系统和IEC61131的图形化编程功能，提升了整个控制系统软件的实时性、可靠性和用户开放性。
该图形化软件编程工具已经通过了欧洲软件安全认证机构的安全认证，达到IEC61508标准规定的安全完整性等级的SIL3级，从而保证了系统控制软件的坚固性及可靠性。其界面如图4所示。
图4 图形化软件编程工具
3.3 远程输入输出单元
远程输入输出单元（RIOM）采用冗余设计，负责采集机械室和司机室内的现场信息和数据，同时驱动司机控制台的显示灯和执行控制命令，驱动相应的继电器、接触器等现场执行设备。
（1）MVB/CAN模块：控制车辆总线MVB和CAN、RS485接口间的信息传输。从MVB角度来看，它是一个MVB接口设备；从CAN、RS485总线来看,是一个可以配置为主或者从的节点。表现为它既可以作为CAN、RS485的主设备轮询从属设备，也可以作为从属设备来应答主设备的轮询。
（2）110V/24V电源模块（CC-PWR）：额定输入电压110VDC；10路24V输出，额定功率100W。该模块为所有的24V电源供电模块提供电源支持。
（3）数字量输入模块（DIM）：实现数字量信号的采集和输出，它将采集的数字量输入信号送到MVB总线。DIM有16路DC信号采集通道，额定输入电压DC110V。
（4）数字量输出模块（DOM）：将MVB总线传来的数据转换为数字量输出。DOM具有16路继电器节点输出。每一单路输出可以提供0.4A的驱动能力。
（5）模拟量输入模块（AIOM）：采集4-20mA的电流信号或0-10V的电压信号。