列車TCU開發平臺的研制

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

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

1 牽引變流控制系統動力試驗平臺

為了保證TCU的控制策略所依靠的試驗平臺與現行列車電力牽引系統運行模式相同，需構建能量互饋型列車牽引變流控制系統動力試驗平臺。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。

1.1 動力試驗平臺總體結構

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

整個系統由被試系統和陪試系統構成。陪試系統為列車模擬運行系統，可作為負載供被試系統使用。被試系統由變壓器、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結構，其作用是將三相交流電變為單相交流電。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，系統規定整流器輸出的直流電壓為DC500～700V連續可調，在電網電壓或負載發生變化時，能夠維持中間直流電壓的穩定，功率因數>96.5%。牽引逆變器是牽引傳動系統的電動機驅動側變流器，可將中間直流環節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TCU

牽引變流控制系統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，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，從而控制系統的功率因數以及直流環節電壓的穩定。

圖1 牽引變流控制系統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

現行干線鐵路交-直-交電力牽引系統，電能的輸入為單相交流輸入，本系統采用斯科特變壓器可以將三相交流電變為單相交流電輸出，使四象限脈沖整流器的輸入側為單相交流電，這與現行牽引系統相同，同時牽引逆變器輸出側為三相交流電輸出，也滿足現行電力牽引系統的要求。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的運行情況與現行的列車牽引變流系統相同，所以可在此平臺上實現對交-直-交牽引系統TCU的開發。

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-交牽引系統時，能量在三相交流電處進行反饋，如果被試系統和陪試系統的直流環節直接相連，如圖1中虛線所示，則此平臺在直流環節就進行能量反饋，此時整個試驗系統按照與現行城軌列車相同的直-交運行模式運行。

因此，本試驗系統可以模擬現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。

2 TCU控制策略開發平臺

TCU控制策略開發平臺，既可以實現對牽引變流系統的控制又能完成對TCU控制策略的開發。

2.1 TCU控制策略開發平臺

為了實現對TCU控制策略的開發，構建了如圖2所示的控制策略開發平臺。由于本試驗系統著重研究TCU的列車控制策略，同時為了便于對列車控制策略的開發，所以系統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，具體過程為：TCU控制系統接收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，底層控制系統通過控制牽引變流器，實現對電機的矢量控制，同時底層控制系統控制四象限脈沖整流器以及牽引逆變器工作，進而實現對系統的功率因數以及直流電壓的控制。同時，為了便于以后對系統底層控制系統的自行開發，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，最終實現對電機的控制。

2.2 TCU開發平臺的功能模塊

TCU的開發平臺具有列車狀態模擬信號生成功能，數據采集、分析功能以及系統通信功能等。

2.2.1 列車信號的產生

列車運行的狀態信號可以通過動力平臺以及相應的信號發生裝置提供。其中，軸重信號、司機操作信號均可采用信號發生裝置來生成，而列車的轉速信號，則需要動力平臺和信號發生裝置來共同實現。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字I/O信號。

為了采集這些數字信號、模擬信號，系統采用NI公司的PCI-6229數據采集卡以及LabVIEW圖形化編程軟件[3]。PCI-6229為NI公司的 M系列數據采集卡，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路數字I/O通道；2個分辨率為32位的定時/計數器，1個頻率發生器；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，支持數字觸發以及DAQmx的數據采集方法[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字I/O信號以及由正交編碼器產生的列車軸速等數字信號。

2.2.3 通信系統

系統的通信部分采用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串行總線將數據傳輸到PC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，底層控制系統按照指令實現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TCU的控制功能得以全部實現。同時，由于系統采用了PC機作為系統組件，所以可以使控制系統獲得良好的控制操作界面，便于對程序的后續開發。

3 TCU列車控制策略的研發

對于TCU各個單項控制策略的開發，可以通過MVB總線或者PCI-6229數據采集卡的D/A轉換功能來接收司機操作指令，采集列車的運行狀態，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中，從而實現TCU相關功能的模擬。按照此種模式，系統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。

3.1 恒速控制策略開發

為了使列車在一定速度范圍內穩定運行，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

本系統構建的TCU控制系統，可以實現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的數據采集模塊，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定運行；當列車的運行阻力由于線路、環境等因素發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，底層控制系統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實現了對列車的恒速控制。

3.2 牽引特性控制策略開發

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]。系統模擬的TCU控制系統可以實現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數據采集卡采集到的列車速度信號以及MVB總線傳輸的控制信號，自動調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，實現對牽引變流系統的控制，如圖4所示。

3.3 粘著特性控制策略開發

由于列車的運行過程中，必須保證輪軌在粘著狀態下運行，所以粘著控制成為TCU控制策略的一大重點內容。本系統通過PCI-6229數據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，完成對牽引變流器的粘著控制。

4 結束語

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

[1]朱正會.隔離變壓器在電網中的應用分析[J].電氣技術,2013,08:80-81,88.

[2]宋雷明.動車組傳動與控制(第1版)[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[3]龍華偉,顧永剛.LabVIEW 8.2.1與DAQ數據采集[M].北京:清華大學出版社,2013.

[4]林朝陽,葉曉慧,姚祖文.基于PCI-6229的數據采集方法[J].艦船電子工程,2007,06:148-150,154,202.

[5]丁菊霞,蔣奎.CRH_3動車組兩種恒速控制策略研究與仿真[J].鐵道機車車輛,2013,06:73-77.

[6]孫中央.列車牽引計算實用教程[M].第2版.北京:中國鐵道出版社,2005.

[7]王穎超.高速動車組粘著控制算法研究[D].北京:北京交通大學,2009.