陈桂平 廖益丰 向伟彬 魏秀琴 师光洲
摘要：文章针对地铁列车牵引传动控制研究与应用现状，结合电力电子器件、计算机控制算法等成熟技术与理论在牵引传动控制中的应用，分析不同控制模式、控制策略在地铁列车上应用的优势与不足，并就当前社会的发展趋势分析今后地铁牵引控制的发展方向。
关键词：地铁列车;牵引传动控制;牵引控制模式;牵引控制策略
0 引言
随着城市体量的增大，为满足城市交通运输的需求，我国城市轨道交通的建设进入了一个高速发展期。安全、准时、舒适是人们对地铁出行的需求，而列车的牵引传动控制系统正是保障此需求的核心。因此，为了保障列车牵引在稳定性、响应性、可靠性等方面的优良性能，国内外的相关科研工作者开展了一系列的研究与应用。迄今为止，地铁传动控制系统经历了从传动控制方式到传动控制策略等研究方向的转变，并且今后一段时间内，牵引传动控制策略的研究仍然是该领域研究的一个主方向。
1 牵引传动电气驱动方式
地铁列车采用直流受电，通过车载变流装置将直流变流供牵引电机使用，并通过改变牵引电机转速以实现车辆调速的目的。按牵引电机的电气驱动方式，牵引电传动经历了直流传动和交流传动两个阶段。
直流传动阶段，受电机技术及电力电子技术发展的制约，牵引传动早期主要采用凸轮调阻方式来实现电机的速度调节，后期主要利用直流斩波器的DC/DC变流技术实现直流牵引电机的变流调速[1]。其传动方式如下页图1所示。斩波调速可以在直流电源电压不变的情况下通过直流斩波器的通断，改变施加到直流电机两端的电压脉冲宽度，以调节电机的输入电压平均值。直流传动利用斩波器改变晶闸管移向角来调整电机的输入电压，从而实现电机的连续、平滑无极调速。但直流牵引电机存在需要换向器、体积大、故障多、制造及维护成本高等缺点，现已逐步被交流牵引电机取代。
交流传动阶段，得益于交流电机技术及新型电力电子器件的发展，现如今地铁车辆基本采用了基于交流电机的交流传动方式。交流传动利用IGBT等电力电子器件将直流电源逆变为电压、频率可调的三相交流电供交流电机使用。其传动方式如图2所示。
2 牽引传动控制模式
地铁线路存在弯道多、坡度多、粘着系数离散化等复杂工况特点，国内外一些科研工作者从牵引系统冗余性、粘着利用、防滑/防空转等为研究点，建立了基于电机控制方式为对象的“车控式”“架空式”“轴控式”研究模型[2-4]。
所谓“车控式”模型，为每辆动车牵引传动系统布置1台牵引逆变器，由该逆变器并联本节动车上的2台转向架4台电机，即1C4M车控驱动方式，其模型如图3所示。这种传动控制模式的缺点是由牵引逆变器故障造成的列车动力丢失影响较大，其优点是成本低、车重轻、控制相对简单。电力电子技术的发展使得逆变器故障率降低，目前国内新建地铁公司，如南宁地铁1、2号线列车均采用了“车控式”的牵引传动控制模式。
“架控式”模型以每辆动车配置2台牵引逆变器分别并联每台转向架的2台电机，即2C4M架控驱动方式，其模型如图4所示。该传动控制模式的优点是由牵引逆变器故障造成的单车动力丢失影响较小;缺点是因逆变器的增加，导致车辆的故障点增多，整车的故障率变高，同时也造成整车的成本、重量、车下空间占用增加。此外，由于转向架存在轮径差，同一台逆变器供电的两台并联电机负荷分配不均，可能导致负荷重轴的电机温升过高或过低，使粘着力轴的轮对发生空转或滑行，造成轮对踏面擦伤、剥离等。“架控式”模型牵引传动系统目前在广州地铁1号线列车上有应用。
“轴控式”模型为每辆动车上的4台电机均由4台相互独立的牵引逆变器单独供电，即4C4M轴控驱动方式，其模型如图5所示。该传动控制模式相比“架控式”模式逆变器故障的牵引动力丢失影响更小，系统冗余性更高[5]。该模式虽然具有动力丢失影响小、动轴粘着利用高和电机控制难度低等优点，但出于成本及能耗考虑，国内地铁很少采用这种传动控制模式。
3 牵引电机控制策略
电机控制是列车牵引传动系统的核心。迄今，在地铁列车牵引传动电机控制应用上，主要的研究和应用模型经历了转差频率控制、磁场定向控制和直接转矩控制三个阶段。
3.1 转差频率控制
由图6可见，在电机稳态条件下，定子频率ω *1是转差频率ω *s与速度传感器实测转速ω之和，即ω *1=ω *s+ω。由于采用了正反馈，因而在运行中定子频率与转速成正相关关系。因此电机加、减速平滑稳定，具有较好的静、动态性能。鉴于转差频率限定于电机稳态条件下才具有较好的调速性能，动态条件下不一定适用。此外，被控转矩为平均值，转矩控制的瞬时性较差，在地铁列车的调速控制中鲜有应用。
3.2 磁场定向控制
磁场定向控制的基本思想是通过定向坐标变换，将异步电机转子磁链等效成直流电机磁链，以直流电机模型控制电磁转矩，再将转子磁链在定向坐标中的控制量反变换为三相坐标系控制量，以控制电机[7-8]。因其坐标变换是矢量变换，所以磁场定向控制又称为矢量控制。
在直流电机中，励磁电流If感生的主磁通Φf与电枢电流Ia感生的电枢磁势Fa成正交关系，如图7（a）所示。若忽略电枢反应以及磁路饱和的影响，其输出转矩为：
该电机控制方法在早期的地铁车辆上投入使用，如上海地铁2号线Siemens产地铁列车、上海地铁3号线Alstom产地铁列车，均采用了直接转子磁场定向控制方法。
3.3 直接转矩控制
基于磁场定向控制方法矢量解耦数学模型的复杂性，1985年德国鲁尔大学Depen Brock教授提出了一种免矢量解耦的转矩控制方法，该方法利用快速改变定子磁场对转子瞬时转差的控制，实现对电机的转矩控制[9]。
在异步电机中，定子磁链与转子磁链的矢量关系表达式如下：
式（5）、（6）表明，异步电机电磁转矩与定子磁链幅值、转子磁链幅值、磁通角成正相关，如下页图8所示。从而利用电压空间矢量控制定子磁链矢量与转子磁链矢量的空间差角，实现对电机转矩控制的目的，此即为直接转矩控制原理。
直接转矩控制不需要旋转坐标变换，克服了矢量控制系统对电动机转子参数依赖和控制系统复杂的缺点，通过输出PWM控制牵引逆变器开关量，实现对牵引电机的转矩控制。目前国内如南宁地铁1、2号线株机产地铁列车，均采用了直接转子磁场定向控制方法。
4 粘着利用控制策略
在交流传动地铁车辆牵引控制中，空转/滑行保护和粘着利用控制系统是传动控制系统的一部分，统称粘着利用控制[10]。基于地铁列车走行路况的多样性，其走行过程中的粘着需求也随线路的变化而变化，通过对电机转速、转矩等状态量的采集、分析、处理，同时结合操纵指令表达的电机转矩量，由牵引控制模块单元生成电机牵引/制动特性包络曲线，综合输出电机转矩控制量，使得列车当前的电机转矩是基于当前线路粘着需求的控制量，从而保证列车能在不同路况下的粘着利用率是最优的，此即为粘着利用控制原理。
现有的粘着利用控制方法有蠕滑速度法、粘着斜率法，其中粘着斜率法又包括了相位移法和粘着因数导数法。就目前来说，相位移法是地铁列车牵引控制系统粘着利用控制的常用方法，南宁地铁1、2号线地铁列车的粘着利用控制正是运用此方法。
5 牵引传动控制发展趋势
目前国内外地铁列车的牵引电机交流传动控制方式的技术已经成熟，当前的一个研究方向是牵引能效，国外已就列车节能运行开展了较多研究。2015年我国政府工作报告中把“节能环保技术的研究与推广应用”列为一项重大科技攻关，随后，我国一些企业及院校就牵引传动节能控制进行了相关的研究，目前比较明确的两个研究方向是：牵引传动效率研究[11]和行車控制节能优化研究[12]。北京地铁10号线的牵引传动控制系统就是应用了一种节能优化的牵引变流器来改善牵引节能问题[13]。列车牵引传动节能控制是一项系统化工程，需要结合电机控制策略、粘着利用、运行控制、行车调度等方面综合开展研究。
6 结语
（1）当前地铁牵引传动系统的电气驱动方式与牵引传动控制模式已趋向于交流传动的“车控式”控制模式，其故障率及成本控制都处于一个较优水平。
（2）在控制模式已经趋于最优的情况下，牵引传动控制的研究转向了对电机的控制策略研究，直接转矩控制或粘着利用控制均是为了使列车获得良好的动态性能。
（3）今后关于地铁牵引传动控制的研究更加趋向于牵引节能控制方向的研究。
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