磁浮列车悬浮控制系统工程化应用中的关键技术*

徐俊起 佟来生 荣立军 张文跃 袁建军 吉 文

(1.同济大学磁浮交通工程技术研究中心，200092，上海；2. 西南交通大学电气工程学院，610031，成都；3.中车株洲电力机车有限公司，412001，株洲 //第一作者，高级工程师)

2016年5月6日，长沙磁浮快线正式进入试运营阶段，标志着中国自主研制的中低速磁浮列车由实验室走向工程化应用。长沙磁浮快线位于湖南省长沙市，连接长沙高铁站和长沙黄花机场，全长18.55 km。从2012年开始，在上海临港中低速磁浮试验线研制的工程样机的基础上，同济大学和中车株洲电力机车有限公司联合研制的悬浮控制器在株洲中低速磁浮试验线上进行了一系列功能和性能验证，在工程化样车上运行了2万多公里。尽管如此，由于线路距离长、条件复杂、工况较多等原因，在长沙磁浮快线悬浮控制系统(见图 1)调试过程中仍然遇到了很多问题和困难。本文针对长沙磁浮快线悬浮控制系统工程化应用过程中遇到的问题进行探讨，重点阐述了系统可靠性设计、抗干扰措施、车轨耦合共振抑制、抗连续台阶激扰等关键技术。

1 可靠性设计

在产品设计过程中，为消除产品的潜在缺陷和薄弱环节，防止故障发生，以确保满足规定的固有可靠性要求。因此，应对产品进行必要的可靠性设计。可靠性设计是可靠性工程的重要组成部分，是实现产品固有可靠性要求的最关键的环节，是在可靠性分析的基础上通过制定和贯彻可靠性设计准则来实现的。在产品研制过程中，常用的可靠性设计原则和方法有：元器件选择和控制、热设计、简化设计、降额设计、冗余和容错设计和环境防护设计等。在悬浮控制器工程化应用过程中，简化设计、冗余和容错设计在提高系统可靠性方面发挥了重要作用。

1.1 简化设计

简化设计就是指产品在设计过程中，将构成产品的元件尺寸精度、形位要求、结构或构成整个部件或系统的要求进行简化，在保证性能要求的前提下达到最简化状态，以便于制造、装配和维修，以及提高可靠性的一种设计。具体到悬浮控制器中，主要表现如下文所述。

1.1.1 简化控制电路结构

在原试验样机的基础上，使用大容量FPGA(现场可编程门阵列)实现原分立电路的逻辑控制功能，使用集成电路、合并采样电路简化系统结构，使用数字电路替代模拟电路。将上述功能综合运用后，使试验样机的 4 块控制板卡简化为 2 块控制板卡，极大简化了电路结构，提高了系统可靠性，使控制电路便于制造、装配和维修，降低了制造成本，在工程化实施过程中取得了良好的效果。

1.1.2 简化功率电路结构

原试验样机功率电路包括 2 个输入电压传感器、2个熔断器、2个输入滤波器、2 个接触器、2 个支撑电容、IGBT 模块、2 个输出电流传感器、输出电抗器等主要部件。经过分析和试验，在保持原电路功能和性能不下降的基础上，功率电路简化为 1 个输入电压传感器、 1 个熔断器、2 个输入滤波器、2 个接触器、2 个支撑电容、IGBT 模块、1 个输出电流传感器。经过简化后的电路，节省了成本，又提高了系统可靠性，在长沙磁浮快线上未发生悬浮控制器功率部件可靠性问题。

1.2 冗余和容错设计

冗余和容错设计是指通过冗余设计等手段实现系统级的容错功能。长沙磁浮快线冗余和容错设计主要表现包括以下几个方面。

1.2.1 悬浮传感器信号的冗余设计

悬浮传感器的主要功能是测量电磁铁磁极面与轨道之间的间隙，并检测电磁铁垂向运动加速度。为实现车辆的轨道接缝通过功能，一般采用 2 个间隙传感器和 1个加速度传感器。在长沙磁浮快线悬浮控制系统设计中，悬浮传感器采用 3 个间隙传感器和 2 个加速度传感器，实现了悬浮间隙信号和加速度信号的冗余功能。当 1 路间隙信号或 1 路加速度信号出现故障时，系统自动识别故障传感器，并切换到未出现故障传感器，使车辆能够继续保持正常运营状态。

1.2.2 悬浮控制电路内部信号冗余和容错设计

在悬浮控制器内部控制电路中，主要控制信号采用冗余设计。间隙信号采用 3 路并行信号处理和滤波电路，加速度信号采用 2 路并行信号处理和滤波电路，电流信号采用 2 路并行信号处理和滤波电路。当其中的1路信号发生故障或错误时，不会影响其它电路。采用冗余和容错处理后，提高了系统的可靠性，使系统的可靠性指标得到很大改善。

2 抗干扰措施

悬浮控制器和传感器处在一个强磁环境中，因此干扰问题是悬浮控制系统设计和应用过程中必须考虑的问题。悬浮控制系统的工作环境存在大量的电磁信号，如电网波动、高压设备开关电磁辐射等，当它们产生干扰冲击时，往往就会扰乱系统的正常运行，降低了系统的精度，甚至严重影响悬浮控制系统性能，直至系统不能够正常工作。为了提高抗干扰能力，通常使用抑制干扰源和对设备抑制外来干扰的方法。在悬浮控制系统自身的抗干扰措施中，除了采用软件滤波和抗干扰算法外，采用的硬件抗干扰方法主要有屏蔽、滤波、隔离和接地等技术。

2.1 屏蔽措施

屏蔽技术是抑制电磁场干扰的重要措施，正确的屏蔽阻止干扰进入设备内部。在悬浮控制器试验样机中，控制电路板安装在未密闭的机笼里。在株洲中低速磁浮试验线运行试验过程中，靠近牵引变流器的两个悬浮控制器受到很大的干扰，系统出现突然死机重启现象。经过分析和试验认为，机笼没有很好地屏蔽电磁干扰，导致悬浮控制 CPU (中央处理器)复位，引起系统故障。通过改进机笼结构，增强屏蔽功能，系统受干扰死机重启故障消失。在长沙磁浮快线悬浮控制器中，采用完全封闭的控制板卡机笼，未出现过因电磁干扰引起的 CPU 复位故障。

2.2 滤波措施

滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干扰源发出的电磁干扰频谱往往要比接收信号的频谱宽得多，因此，当接收器接收有用信号时，也会接收到那些不希望有的干扰。这时可以采用滤波的方法，仅允许所需要的频率成分通过，而将干扰频率成分加以抑制。在悬浮控制系统中，常用 LC (电感电容)低通滤波器抑制由外部电网侵入的高频干扰。在 330 V 主电源输入侧和 110 V控制电压输入侧分别串接 LC 低通滤波器，起到了很好的滤波作用。

2.3 接地措施

抗干扰接地处理避开了地环电流的干扰，降低了公共地线阻抗的耦合干扰。“一点接地”有效地避开了地环电流，而在“一点接地”前提下，并联接地则是降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施。在磁浮列车上，以车体作为系统的基准电位。悬浮控制器和悬浮传感器通过接地线缆可靠连接在车体上，保证了系统的基准点位一致，有效地通过接地防止了干扰侵入。

3 车轨耦合共振问题

在磁浮列车的研究过程中，车辆和轨道之间的共振问题一直是人们研究的重点问题之一。在不同轨道条件、不同速度和不同车辆工况下，如何解决车轨耦合振动问题，一直是磁浮研究的难题。在长沙磁浮快线悬浮控制系统调试中，同样面临车轨共振问题。由于长沙磁浮快线 18.55 km的线路条件复杂，车轨共振问题更加复杂。在调试的初始阶段，车辆在维修轨道、车站轨道以及部分线路上都存在车轨共振现象。为了对这个问题进行系统研究，建立了中低速磁浮列车车轨共振试验台(见图2)。该试验台包括1个单悬浮架结构、1套轨道及振动激励系统和1套悬浮控制系统。

在车轨共振试验中发现，由于轨道刚度及基础特征的变化，悬浮控制系统特性随之发生了较大变化，通过进一步优化参数并与轨道特性相匹配，可以实现稳定良好的悬浮控制。结合轨道特性、悬浮架结构特性和振动激励的施加等因素，在车轨共振试验台上，可以系统地研究悬浮控制系统的刚度、阻尼、滤波参数对悬浮控制性能的影响，对进一步优化悬浮系统性能具有重要价值。研究中发现，在悬浮刚度和阻尼不变的情况下，间隙信号滤波器成为影响车轨共振情况的主要因素。根据轨道振动频率，采用不同的低通和高通滤波参数可以有效消除车轨共振。系统最终采用的悬浮控制方案如图3所示。

注：a为电磁铁垂向运动加速度；C为悬浮间隙；I为电磁铁电流；C0为悬浮间隙期望值；I0为额定电流值；T1a，T1b为低通滤波器时间常数；Th为高通滤波器时间常数；TD为微分时间常数；K1为间隙偏差系数；K2为间隙偏差微分系数；K3为加速度反馈系数；K4为间隙偏差积分系数；Kf为常数；F为电磁铁产生的实际电磁力;ΔI为电磁铁电流控制量；S为复变量

图3 悬浮控制方案

4 轨道台阶干扰问题

在磁浮线路上，由于钢制轨道的热胀冷缩，导致一段轨道与另一段轨道的连接处都留有不大于40 mm(由悬浮传感器两个间隙之间的距离决定)的轨缝。在有大跨度梁的位置，由于轨道长度较长，必须预留较大长度的轨缝，又因为悬浮传感器两个间隙之间的距离决定每个轨缝不能超过40 mm，因此，在两段较长轨道之间的接缝被分割为 4～6 个连续轨缝(见图4)。由于制造和安装误差，轨缝之间必然存在一定的高差，当高差大于某个值时，将对悬浮控制系统造成较大的台阶干扰；而连续较大的台阶干扰，将使悬浮系统超调，造成系统失稳，以及发生滑橇或电磁铁接触到轨道的情况。

为解决连续台阶干扰对悬浮控制系统的影响，在悬浮控制方案中加入非线性控制算法。该算法的基本原理是，当台阶干扰对悬浮间隙造成的间隙变化超过 4 mm 时，系统根据一种特殊的非线性算法自动增大阻尼系数。经过长沙磁浮快线验证，本算法对解决连续台阶干扰问题具有明显的效果。

图4 两段较长轨道之间的连续轨缝

5 结语

长沙磁浮快线是世界上第三条中低速磁浮商业运营线。作为无更多冗余设计的系统，磁浮列车悬浮系统的可靠性设计至关重要。在设备高可靠性的基础上，采用简单有效的控制算法，以便在不同工况和线路条件下，使悬浮控制系统达到优良的状态，以及增加乘客乘坐舒适性，成为磁浮列车悬浮控制系统优化的首要目标。本文通过总结长沙磁浮快线悬浮控制系统调试经验，得到的主要结论如下：

(1)通过简化设计和冗余容错设计等措施提高系统可靠性；

(2)通过屏蔽、滤波和接地等措施提高系统抗干扰能力；

(3)根据轨道振动频率，对间隙信号采用不同的低通和高通滤波参数可以有效消除车轨共振；

(4)在控制方案中，加入非线性算法以增大系统阻尼，对解决连续台阶干扰问题具有明显的效果。