地铁车辆牵引制动力指令的级位控制

王仁庆 南京地铁建设有限责任公司

1 地铁车辆传统级位控制方式--PWM脉宽调制

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制技术），它通过不同占空比的脉冲信号来表示牵引和制动的级位信息。其在逆变电路中有着重要的地位，在地铁车辆的传统控制方式中有着极其重要的作用。以南京地铁一号线车辆为例，整车设计采用如下设计方案，详见图1。

图1 设计方案框图

使用三角载波可以使PWM等效出正弦波（如图2），因此PWM可以直接用于逆变器的控制。

图2 PWM等效正弦波

PWM编码器采用90%～10%占空比的方波表示从100%全牵引到惰行再到快速制动的所有级位信息，超过90%或者低于10%的占空比被认为是无效的级位信号。

与模拟信号相比较，PWM采用时间上的占空比，这极大提高了PWM信号的抗干扰能力，延长了信号传输距离，使得信号传输精准超过百米成为可能。

2 地铁车辆网络控制下的级位控制方式--TCMS

地铁车辆是城市轨道交通系统的重要组成部分，也是技术含量较高的机电设备。随着现代经济、技术的高速发展，现代地铁车辆也正朝着自动化、高速化的方向发展。越来越多的列车状态和故障信息需要在车辆各子系统之间互相传输与交换。为满足上述要求，TCMS（Train Control and Management System，列车控制系统）应运而生。

TCMS作为列车控制系统，在轨道交通车辆尤其是地铁车辆上的应用越来越广泛。TCMS采用数字信号对列车进行控制，TCMS采集到司控器或ATC发出的级位模拟信号后，将其转换为数字信号，在对级位信号进行计算及有效性判定后，TCMS通过MVB网络实时传输给牵引和制动系统进行相应控制。TCMS的介入使得级位信号和其他的车辆控制信号进行有效的统一管理成为可能，使得级位控制更加精确，车辆更加安全。

司控器会通过电流或者电压信号来提供信号源，TCMS一般通过如下方法进行数据采集。

2.1 电流源司控器

当电流源司控器控制手柄从快速制动位推至全牵引位时，司控器会提供4 mA～20 mA的电流信号（如图3）。

图3 司控器电流信号

TCMS通过如下两种方法对电流信号进行级位的信号采集并进行相应的控制。

2.1.1 转为电压信号进行信号采集

根据V=R*I，在电流环路上添加一个电阻后，TCMS系统中的RIOM对电阻两端的电压信号进行信号采集，以获取级位的信息。级位信号作为车辆控制中极为重要的组成部分，一般需要提供冗余功能，即由完全冗余的两个RIOM进行信号的采集（如图4）。

电压信号的采集设备一般较电流信号的采集设备成本低，因此该方案的成本较低，但是电阻的阻值会随着温度的变化而变化，温度的特性曲线一般为近似的抛物线（如图5）。

当环境温度变化时，电阻阻值会出现轻微变化，RIOM检测到的电压值会出现漂移，因此控制的精度会随之出现偏差。

2.1.2 直接对电流信号进行采集

TCMS通过RIOM对电流信号进行直接采集。为增加系统的稳定性，可通过两个RIOM冗余的方式进行信号采集，如图6。

图6 两个RIOM冗余方式信号采集

电流源作为恒流源具有精度高的特点，直接采集电流信号可以使得控制精度提高。但电流恒流源和电流模拟信号的采集设备成本略高，因此电压源的司控器应运而生。

2.2 电压源司控器

电压源司控器使用旋转电位器进行电压信号的输出，当司机推动司控器手柄时，电位器的电阻阻值发生变化，TCMS通过采集电位器上电压的变化进行信号采集，可通过如下方式进行控制。

2.2.1 直接对电压信号采集

直接对电位器的电压输出进行测量，如图7。

图7 电位器电压输出测量回路

通过调整R1和R2的阻值，使得电位器的电压输出范围控制在9 V～0.5 V，如图8。

图8 电位器输出电压

该方法的成本最低，但是其控制精度受限于电源的输出精度和电阻的温度系数，当电源的输出电压出现波动或者三个电阻的阻值因环境温度变化而出现波动时，采集到的电压信号就不能精确地表示司控器手柄的实时位置，控制精度相对较差。

2.2.2 比对法进行级位信息采集

为克服外部环境因素带来的不利影响，确保控制的精度和可靠性，我们定义之前采集的电位器的输出信号为EffDmd，然后多采集一个电位器两端的电压输出为参考信号EffRef，如图 9。

图9 参考信号EffRef采集

使用两个变量的比值 进行控制，如图10。

图10 列车运行工况-变量比关系

使用该方法后，电源电压输出的波动和电阻阻值的波动所产生的影响几乎可以忽略不计。为了提高设备的可用性，可以增加冗余设计，每个司控器可以采用两套电位器，TCMS也增加一套RIOM对电压信号进行采集。由于电位器和电压信号采集设备的成本较恒流源和电流信号采集设备的成本低得多，因此该控制方式性价比较高。

3 TCMS对级位控制的应用

TCMS收集牵引制动指令信号、级位信号、方向信号以及紧急制动信号等信息后，这让TCMS对所有信号进行综合判定成为可能，使得每个孤立的信号不再需要设置复杂的联锁电路进行控制，让级位控制也更加安全。当采样频率足够高时，TCMS可以接管牵引系统的速度控制模块，从而实现对牵引和制动的同步控制，以达到更好的控制效果和功能。

3.1 TCMS实现更加安全的级位控制

TCMS可以收集众多信号并进行统一的逻辑判定，参考代码如下：

If紧急制动缓解 and牵引授权 and牵引指令；

Then输出级位：=获取的当前级位；

Else输出级位：=0。

3.2 TCMS实现对速度的控制

TCMS可以通过收集速度信号，并实时根据当前的速度信号在达到或者超过目标速度时对牵引、制动指令和级位进行有效控制，参考代码如下：

目标速度：=设定值；

步距速度：=设定值；

当速度小于目标速度：

牵引指令；

牵引级位限制：=级位需求100%*（目标速度 -当前速度）/步距速度；

输出级位：=0＜获取的当前级位 ＜牵引级位限制；当速度大于目标速度：

制动指令；

制动级位限制：=级位需求100%*（目标速度 -当前速度）/步距速度；

输出级位：=-100＜获取的当前级位 ＜制动级位限制；

该速度控制由牵引系统独立执行改为TCMS执行后，制动系统也可以参与到速度控制中，从而使得车辆即使在超载（AW3）工况、恶劣线路条件等特殊工况下，也能变得更加安全。

4 备用模式下的级位控制方式

尽管车辆TCMS网络控制有诸多的优点，但是为保证车辆的可用性和可靠性，在车辆设计时为保证车辆在网络故障模式下依然可用，会为车辆设计备用模式下的紧急牵引功能，用于网络控制出现故障时的车辆控制。

4.1 PWM控制

将传统的PWM控制作为备用模式进行级位控制（如图11）。

图11 备用模式级位控制

在牵引系统和制动系统软件中进行约定，当备用模式激活时，牵引和制动系统不再执行TCMS网络发出的命令，而是使用PWM编码器发来的PWM信号进行控制。

其优点为即使车辆TCMS网络出现故障，司机依旧可以通过司控器手柄精确地控制车辆。当然因为PWM编码器的使用，成本大大增加。

4.2 级位编码控制

随着车辆网络控制技术的日趋成熟，可靠性越来越高，备用模式也很少发挥作用，因此可以使用简单的编码方式进行简单的级位控制，如图12。

图12 编码方式级位控制

在司控器手柄的行程上设定两个行程开关S12和S13，当司控器手柄的级位需求（牵引和制动）为50%-100%时，行程开关S12闭合；当司控器手柄的级位需求（牵引和制动）为25%-75%时，行程开关S13闭合。在牵引和制动系统中进行约定：当车辆控制网络出现故障时，牵引和制动按照图 12约定的级位需求进行控制。

级位编码控制方式虽然并非十分精确地进行控制，但其成本低廉，并基本满足了备用模式下的控车需求。

5 结束语

PWM作为车辆传统级位控制方式正被逐步淘汰。实践证明，TCMS很好地完成了地铁车辆牵引、制动指令的采集和传输，提高了地铁车辆牵引力、制动力等级位信号的抗干扰能力，充分发挥了TCMS控制功能的可靠性、安全性、可维护性与低成本等优势。不同的信号采集方式为TCMS控制提供了更多的可能性和可选择性，不同的采集方式各自有其不同的优缺点，车辆设计时可根据不同的需求进行合理选择。