基于多核協作式控制器架構的地鐵列車牽引多模式控制策略

周雙雷 鄔春暉 王 博 徐 萌

（1. 中車青島四方車輛研究所有限公司，266114，青島；2.北京市地鐵運營有限公司運營二分公司，100043，北京；3. 中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春∥第一作者，工程師）

地鐵列車牽引控制系統通常為車控、架控和軸控中的一種或兩種組合設計。例如，牽引時采用架控、制動時采用車控的混合控車模式：為提高可靠性、降低因牽引動力損失過多帶來的運營風險，牽引時采用架控；為配合制動廠家的車控制動系統，電制動時采用車控［1-2］。

混合多模式列車牽引控制軟件在傳統的單核控制平臺上開發難度大。地鐵新型驅動控制單元（DCU）采用多核心、多任務、多板卡協同式工作的架構，混合式列車牽引系統軟件在該平臺上通過采用功能劃分的信號控制流實現架控控制信號的解耦和車控控制信號的耦合，從而滿足列車控制要求，降低耦合故障的影響，軟件架構也更明確、清晰。

1 列車牽引控制模式

車控、架控和軸控3 種控制模式有多種列車牽引電路結構［1-3］。

在圖1 ～4 中，PU 是指驅動1 臺或多臺并聯電機的牽引三相逆變器。地鐵車輛的常規布局是每輛車2 臺轉向架，動車轉向架包含了2 根裝有牽引電機及齒輪箱、聯軸節等傳動裝置的動軸。采用車控時，PU1 同時驅動動車上所有4 臺電機，如圖1 所示；采用架控時，PU1、PU2 分別驅動2 臺動力轉向架上的2 臺電機，如圖2 和圖3 所示；采用軸控時，PU1、PU2 各驅動1 個動軸上的1 臺電機，如圖4 所示。

列車牽引系統車控方式，每輛動車配置1 臺PU、1 臺HB（高速斷路器）、1 臺牽引濾波電抗器、1套主接觸器及預充電單元、1 臺DCU。

采用架控模式時，列車牽引系統高壓回路主要有2 種配置方式：

1）第1 種：配置了2 個PU（PU1 和PU2）、2 臺HB、2 臺有2 個獨立線圈的濾波電抗器、2 套主接觸器及預充電單元、2 臺DCU，在該結構中2 個轉向架的牽引系統完全獨立。

2）第2 種：配置了2 個PU（PU1 和PU2），1 臺HB、1 臺集成2 個獨立線圈的濾波電抗器、2 套主接觸器及預充電單元、1 臺DCU。該結構和第1 種相比共用HB、DCU 等設備，因而在綜合故障率和成本上，具有優勢。

架控牽引系統多采用上述第2 種配置，如采用時代電氣牽引系統的北京燕房線、北京地鐵9 號線，采用四方所牽引系統的北京地鐵1 號線、八通線和青島地鐵11 號線等。

軸控牽引受車輛空間的限制，一般配置2 個逆變器箱，每個箱內布置2 個PU。永磁牽引系統一般為軸控方式。

因關鍵器件共用，列車牽引系統架控模式的第2 種配置方式的控制軟件設計較為復雜，本文對此做重點研究。

圖2 典型架控原理圖（獨立HB）

圖3 典型架控原理圖（共用HB）

圖4 典型軸控原理圖

2 地鐵新型DCU 架構

為適應多任務、高性能及復雜的工作環境，地鐵新型DCU 采用DSP（數字信號處理器）+FPGA（可編程邏輯處理器）+ARM（嵌入式微處理器）的硬件平臺架構，是當前工控領域嵌入式控制主流平臺。它擁有高速的運算能力和豐富的外圍設備，接口功能可靈活地配置和定義。新型多任務、多核心、板卡式協同工作的DCU 架構見圖5 所示。

DCU 的處理器板卡采用多核心、分布式工作模式，核與核、核與外圍接口板卡間的重要實時控制信號通過高速并口通信協議進行交互，過程信號通過CAN（控制器局域網）總線進行通信。

ARM 采用QNX 嵌入式操作系統，主要完成邏輯控制、對外通信管理、人機交互界面、慢速故障記錄等功能；DSP 設計為DSP1、DSP2 雙核心，主要完成電機矢量控制算法、DSP 快速保護邏輯；FPGA 主要協調各芯片、板卡間的數據交互接口管理。

另外，PU 信號采樣板（CCA4 板） 采用高速FPGA 設計，主要完成與核心控制相關的信號實時采樣濾波、FPGA 模擬量信號快速保護、PWM（脈寬調制）脈沖生成和分配等。

總之，本架構可實現牽引變流控制、邏輯控制與保護控制、防滑防空轉控制策略、故障記錄診斷維護等。其為多模式牽引控制軟件設計提供了優秀的軟硬件平臺。

圖5 地鐵新型DCU 構架

3 混合式架控實現方案和控制策略

混合式架控在電路結構和信號控制流方面高度耦合，2 個轉向架的牽引系統無法做到完全獨立（上述第1 種配置除外）。

本研究將各類設備、控制策略、控制指令、信息交互和觀測狀態轉換為信號流。使用系統屬性做唯一標識信號進行功能劃分，以實現獨立的信號流控制和2 套控制系統的解耦和耦合，將耦合故障對運營的影響降到最低。

3.1 架控信息解耦

控制信號有多種系統屬性，在研究電路結構的基礎上本文為混合式架控牽引系統假設2 個基本的系統屬性：PU1 系統屬性和PU2 系統屬性。這2 個屬性分別對應該列車的動力轉向架1 的牽引系統和動力轉向架2 的牽引系統，在定義上這2 個系統屬性完全獨立。

使用圖解法將各設備、信號等劃分為PU1 系統和PU2 系統。通過識別對象的系統屬性，分類結果如圖6 所示。由圖6 可知，牽引系統的大部分設備、控制算法、控制指令、信息交互和狀態都被唯一的標識為PU1 系統屬性和PU2 系統屬性，但HB、DCU 為PU1、PU2 這2 套系統所共有，不具有完全獨立的屬性。

圖6 混合架控信號屬性圖解

HB 作為保護動作設備應當強調主動保護的特性，減少PU1、PU2 兩個系統對該設備的操作，只需做到上電合閘、跳閘后可復位合閘的操作即可。由于牽引系統高壓回路短路的概率很低，并且PU1、PU2 2 個系統對HB 基本不做操作，可認為HB 對PU1、PU2 2 個系統的耦合性基本沒影響。

對于DCU 而言，盡量從軟件、板卡配置等方面入手，減少PU1、PU2 這2 個系統的共用屬性。雖共用1 個機箱，但DCU 內部的I/O（輸入/輸出）模塊、電機算法等均可以配置在獨立的板卡或者DSP 芯片上。邏輯算法運行在ARM 的QNX 操作系統上，軟件設計在邏輯處理、信號定義時可運行2 套獨立的進程。信號處理板卡上的FPGA 在執行快速保護時各通道獨立運行。DCU 具體的功能劃分見圖7。

圖7 DCU 功能劃分

3.2 列車牽引時架控模式的信號流

列車牽引采用架控模式時，控制系統信息基本在各自PU1、PU2 系統內流動，交互的信息較少，具有獨立性。此時PU1 的信號S1、PU2 的信號S2 流向分析如圖8 所示。

從以上分析可知，HB 和DCU 雖共有但不影響2 套信號流的獨立性，S1 和S2 基本獨立而不耦合。在圖8 中，S1 和S2 分別源自2 套獨立的控制邏輯，經過DSP 算法運算后控制PU1、PU2 驅動對應轉向架上的電機。在一個轉向架的牽引系統故障時，另一個轉向架牽引系統不受影響；轉向架牽引發生空轉時，只有本架上的牽引系統性能降低，另一臺不受影響，保障了列車的動力性能，架控的優勢得到發揮，提高了線路運營效率。

3.3 列車制動時車控模式的信號流

列車牽引系統硬件按架控設計，但車輛電-空配合時需滿足制動系統的車控方式，這種矛盾的配置存在2 套系統如何實現耦合統一的問題：①2 套獨立模式的制動力如何協調分配；②2 套模式的電制動有效、可用、切除、故障隔離等狀態如何做到同步。

3.3.1 制動力協調分配

2 個轉向架PU1、PU2 系統在給定相同制動力需求值的條件下電制動力的發揮會不一致，尤其在觸發滑行、制動電阻冷熱不均時差異會更大，電制動力損失需要空氣制動補充。在補充期間，正常的動力轉向架在被動施加額外制動力，超黏著觸發滑動故障的幾率增加。

為此，本文研究了一種跟隨式下垂算法解決2個動力轉向架出力不一致的問題。該方法的本質是列車制動力指令需求值、PU1 和PU2 系統實際電制動力需求值與實際值之間的協調配合聯動。需求不變，一個出力小，另一個會主動使功率下垂將制動力降低到另一臺的水平。

需要列車空氣制動補充時一般應采用如下的電空交叉混合方案［2-4］：

1）列車的動車BCU（制動控制單元）按照本車占全部動車載重的比例去申請電制動力。

2）電制動力之和滿足全列車制動力時，不補充空氣制動。

3）電制動力之和不能滿足全列車制動力時，首先在拖車上按拖車載重比例補充空氣制動，拖車所能補充的最大空氣制動力與制動減速度有關。

4）當拖車空氣制動補足后，剩余所需要補充的制動力將平均補充到各個動車上。各動車上補充的空氣制動和本車電制動力之和受到輪軌黏著極限的限制。

根據以上分析結果，跟隨式下垂法的下垂函數表達式為：

式中：

F2，1——轉向架2 下垂處理后的制動力；

F1——轉向架1 電制動力；

F2——轉向架2 電制動力；

ΔF1——轉向架1 電制動力下垂數量；

ΔF2——轉向架2 電制動力下垂數量；

k ——下垂系數。

為簡化設計本研究將下垂模型簡化為線性函數，k 的取值為1/4。保證轉向架2 的F2降低后在該轉向架上總制動力不超過最大輪軌黏著力。

3.3.2 狀態同步

制動時，1 個轉向架電制動因故障隔離、外部切除指令等導致制動力切除，制動系統會在2 個轉向架同時施加空氣制動以保證制動減速度。正常轉向架的電制動力和空氣制動力的疊加會頻繁觸發車輪滑行甚至抱死，使車輪磨耗嚴重影響使用壽命。

因此，通過控制信號流將制動下的牽引系統配置為車控，實現2 個轉向架電制動狀態同步。同一車輛中當1 個轉向架滑行時，2 個轉向架就同時執行滑行防護邏輯；1 個轉向架因故障切除，另1 個轉向架也同時切除。

圖8 列車牽引采用架控模式時的控制信號流向

4 結語

本文在研究混合式牽引系統的固有矛盾和特性后，在地鐵新型DCU 架構上通過屬性識別的方法將牽引系統劃分為2 個獨立的系統實現了系統的解耦，通過控制信號流的方向實現了牽引架控和制動車控的分離和統一的設計思路，同時通過跟隨式下垂法和狀態同步控制策略，解決了2 套獨立的制動系統耦合所產生的關鍵問題，最大程度地降低這種配置所造成的車輪和閘瓦磨耗問題。