一、概述

城市軌道交通具有運(yùn)量大、效率高、節(jié)能、少污染、舒適、安全和準(zhǔn)點(diǎn)的突出優(yōu)點(diǎn)，是解決大城市交通擁堵、環(huán)保問題和提升城市形象的最好形式，已成為國際上城市公共交通發(fā)展的首選模式，必然加速發(fā)展。

為解決城市交通和環(huán)境問題，我國許多大城市已把發(fā)展城市軌道交通作為發(fā)展公共交通的根本方針。目前，已有60余個城市正在建設(shè)或開展了建設(shè)城市軌道交通的前期工作，每個城市提出的軌道交通建設(shè)規(guī)劃線路都超過了100km。特別是上海，在2010年世博會前已構(gòu)筑11條線路、420km長的軌道交通網(wǎng)絡(luò)，2012年形成567km的軌道交通網(wǎng)絡(luò)。 根據(jù)上海市最新近期規(guī)劃，2020年上海城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)總規(guī)模將達(dá)到約877km。

我國在城市軌道交通裝備關(guān)鍵技術(shù)方面、特別是車輛總體設(shè)計與系統(tǒng)集成技術(shù)與發(fā)達(dá)國家的差距較大，由于每條線采用的車輛不同，外商籍此對每條線的車輛收取上億元的特殊設(shè)計費(fèi)。

2005年以來，國務(wù)院已將軌道交通裝備國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，列為振興裝備業(yè)規(guī)劃的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)之一。上海市政府也將軌道交通車輛和裝備的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，列為上海市工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。 盡快對軌道交通車輛和裝備進(jìn)行獨(dú)立研發(fā)，形成自主知識產(chǎn)權(quán)并實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化生產(chǎn)，不但能提高軌道交通裝備的國產(chǎn)化率并形成自主設(shè)計開發(fā)能力，還可為軌道交通車輛的維修奠定技術(shù)基礎(chǔ)并降低維修成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化已成為上海經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個新的增長點(diǎn)，意義重大。

二、城軌列車的牽引系統(tǒng)

1、城軌列車的供電方式

北京地區(qū)由于歷史原因，采用DC750V區(qū)段供電，使用第三軌側(cè)向受流。上海、廣州、深圳、南京等后建城市軌道交通的城市，現(xiàn)在均采用DC1500V區(qū)段供電，使用接觸網(wǎng)的受流方式。廣州四號線直線電機(jī)車，采用了側(cè)向第三軌DC1500V的受流方式。見圖1。

圖1 列車受流方式

2、牽引系統(tǒng)

北京地鐵的1號和環(huán)線、上海早期的1號線，均采用的是直流調(diào)阻或直流斬波牽引系統(tǒng)；

除此之外，目前國內(nèi)的城軌車輛，已經(jīng)全部采用交流牽引系統(tǒng)；因?yàn)榫S修成本和備件價格的居高不下，上海地鐵中最早引進(jìn)的直流牽引系統(tǒng)，已經(jīng)全部改造成國內(nèi)自主研發(fā)的交流異步電機(jī)驅(qū)動的交流系統(tǒng)；除了Alstom公司設(shè)計的交流牽引系統(tǒng)，采用矢量控制+直接轉(zhuǎn)矩控制策略外，其他的城軌列車的交流牽引系統(tǒng)，均采用直接轉(zhuǎn)矩控制策略。

3、牽引和電制動特性

為了充分發(fā)揮和均衡交流異步電機(jī)的牽引能力，城軌列車采用了恒力和恒功兩段牽引的特性，可以充分發(fā)揮電機(jī)的瞬時牽引功率。如額定190kW的電機(jī)，起動加速階段的功率可達(dá)250kW（時間約20余s）。

為了充分發(fā)揮和均衡交流異步電機(jī)的電制動能力，城軌列車采用了恒力和恒功兩段電制動的特性。與牽引狀態(tài)相同，進(jìn)行電制動的階段，額定190kW的電機(jī)，可以運(yùn)行在400kW的條件下。見圖2。

由于城軌列車采用的是動力分散的驅(qū)動方式，為此列車的車廂要分成動車和拖車兩種。如4輛編組的列車，其中有2輛動車和2輛拖車（兩動兩拖）；6輛編組的列車，其中有4輛動車和2輛拖車（四動兩拖）。

在這種條件下，所有動車的輪周上的牽引力之和要滿足整列車的牽引條件，同時還要滿足不大于0.14～0.16的粘著條件（即牽引力與列車總重量之比）。

誠然，所有動車的電制動力之和要滿足整列車的制動條件。如果電制動力無法達(dá)到列車的制動條件，則制動控制系統(tǒng)將通過實(shí)施機(jī)械制動，提供補(bǔ)足的制動力。制動時同樣也要滿足粘著條件。

圖2 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的牽引和電制動特性

因?yàn)槌擒壛熊嚨恼鹃g距較短（1～2km），所以列車的啟動加速度很大，可以達(dá)到0.8～1m/s2。

同樣，城軌列車的制動減速度也很大，常用減速度要達(dá)到-1m/s2，快速和緊急制動的減速度要達(dá)到-1.3m/s2。

4、牽引變流器

牽引變流器的電氣原理（圖3）如下：

城軌列車的動車上，一般只安裝一臺牽引變流器。變流器內(nèi)設(shè)置了兩個三相功率模塊INVMK1和INVMK2，分別驅(qū)動一臺動車轉(zhuǎn)向架上的兩臺牽引電機(jī)。

圖3 牽引變流器的電氣原理

每輛動車上裝有兩臺動車轉(zhuǎn)向架，共4臺牽引電機(jī)。見圖4。

城軌列車的動車如果采用車控模式，牽引變流器中只需要一個轉(zhuǎn)矩閉環(huán)系統(tǒng)，全部的4臺牽引電機(jī)的三相輸入電壓、頻率、轉(zhuǎn)矩，都保持完全一致。

城軌列車的動車如果采用架控模式，牽引變流器中則需要兩個轉(zhuǎn)矩閉環(huán)系統(tǒng)，每臺轉(zhuǎn)向架上的兩臺牽引電機(jī)的三相輸入電壓、頻率、轉(zhuǎn)矩，都保持完全一致。

在小雨、冰雪的條件下，動車上的輪對相對軌道會發(fā)生滑動，致使各輪對的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生差異（由電機(jī)軸上的測速傳感器測出），則變流器將發(fā)出轉(zhuǎn)矩減載的指令，使動車的驅(qū)動力下降，直至滑動結(jié)束，4臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速一致才停止。

在做防滑控制的過程中，動車的驅(qū)動力下降，對列車的牽引和電制動有不利的影響，尤其是“動-拖比” 較小的列車，會產(chǎn)生很大的沖動。為此，許多列車采用了架控的模式，減載控制只發(fā)生在動車的一臺轉(zhuǎn)向架上，可以使整個動車的驅(qū)動力下降得不多，減少了列車的沖動。

由于大功率模塊的工作頻率特性的限制，在變流器的三相輸出電壓的頻率在60Hz以下時，輸出電壓采用的是SPWM調(diào)制和18邊形變換方式。超過60Hz時，則采用準(zhǔn)方波和常規(guī)PWM調(diào)制以及6邊形變換方式。為了保證這種轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，頻率在轉(zhuǎn)換點(diǎn)的上升和下降時，要設(shè)置較大的回環(huán)。

圖4 動車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)

牽引變流器在做電制動，并供電電網(wǎng)中有運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備或運(yùn)行的列車時，它們可以吸收回饋的能量。

列車實(shí)施電制動，在回饋能量不能全部被吸收，并使直流側(cè)電壓升高達(dá)到DC 1 900V以上時，則制動電阻上的斬波元件開通，將回饋的能量消耗在制動電阻之上。

牽引變流器的控制原理見圖5。

圖5 牽引變流器的控制原理

由此可見，司機(jī)操縱司控器時，控制的是電機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。牽引狀態(tài)是在正滑差之間調(diào)節(jié)牽引轉(zhuǎn)矩，電制動狀態(tài)是在負(fù)滑差之間調(diào)節(jié)制動轉(zhuǎn)矩。

在供電電網(wǎng)處于DC1500V的條件下，牽引變流器的三相輸出電壓的最大有效值只能達(dá)到AC1150V左右。為了繼續(xù)提高一些輸出電壓，可以采用注入三次諧波的方法，上移恒功轉(zhuǎn)折點(diǎn)。因?yàn)殡姍C(jī)采用星形接法，沒有三次諧波電流，只是增加了高頻噪聲的干擾。見圖6。

圖6 注入三次諧波法

5、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

由于城軌列車采用了動力分散的結(jié)構(gòu)模式，為此車內(nèi)的所有電氣設(shè)備，均是用TCN制式的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接和通訊，實(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)的廣播式同步傳輸和分步式傳輸，目前也在開發(fā)工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。見圖7。

網(wǎng)絡(luò)分成列車級WTB和車輛級MVB兩種，傳播周期為幾十到一百多毫秒；網(wǎng)絡(luò)可以對電氣設(shè)備進(jìn)行數(shù)字指令的控制，也可以對設(shè)備的狀態(tài)及故障信息進(jìn)行上傳，供司機(jī)和檢修人員參考。

圖7 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用，改變了以往硬連線只有模擬量和單一開關(guān)量的缺點(diǎn)，提高了信息傳輸?shù)臄?shù)量和可靠性。

現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)從設(shè)備的控制，拓寬到旅客信息及移動視頻的領(lǐng)域，功能在不斷地擴(kuò)大。

三、城軌列車的速度控制

1、如何取得速度閉環(huán)控制的給定值

城軌列車在人工駕駛狀態(tài)下的牽引控制，實(shí)際是在控制牽引電機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的大小和滑差的正負(fù)變化（牽引和電制動）。

城軌列車的速度閉環(huán)控制，則是由線路中的信號系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的速度給定值，加在車上的運(yùn)行控制系統(tǒng)上來完成。

列車在兩個車站之間，預(yù)先設(shè)計好了運(yùn)行的速度曲線，列車運(yùn)行到線路的任何一點(diǎn)，都有相應(yīng)的速度給定要求。見圖8。

圖8 速度曲線示意

因此，城軌列車要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的速度控制，必須實(shí)時地知道列車在運(yùn)行線路上的絕對位置。

在運(yùn)行線路的軌枕上，每隔一定的間隔位置（如140m）放置可以讀取數(shù)據(jù)的應(yīng)答器（類似身份證的IC卡），預(yù)先在它們的內(nèi)部存入卡號或絕對地標(biāo)的里程值。通過列車上安裝的閱讀器來讀取數(shù)據(jù)，就可以知道列車運(yùn)行的絕對里程位置（如0m、140m、280m、...、140i）。見圖9。

圖9 運(yùn)行線路上的里程測量元件

在列車的兩個拖車轉(zhuǎn)向架的輪對軸端，安裝著齒輪式測速傳感器。當(dāng)輪對轉(zhuǎn)過一周時，測速傳感器將輸出110個脈沖。如果車輪的直徑是D，則兩個脈沖的間隔，對應(yīng)的是列車運(yùn)行的實(shí)際距離，k＝πD /110，k可以達(dá)到220～240mm的精度（考慮磨損，車輪的實(shí)際直徑將在0.84～0.77m之間）。

記錄傳感器在某段時間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)n，則Sj＝πDn/110 也就獲得了列車運(yùn)行的位置和里程，在起點(diǎn)的里程標(biāo)已知的情況下，就可以獲得列車運(yùn)行的絕對里程標(biāo)的準(zhǔn)確位置：S＝S0＋Sj。

當(dāng)列車上的測量里程的閱讀器，讀到了表示整數(shù)里程的應(yīng)答器時（如Si1＝140il），則可以將前面用齒輪傳感器測到的精確里程數(shù)清零，下面的里程則是 Si2＝Si1＋kn 。

有源應(yīng)答器的安裝間隔是140m，其內(nèi)設(shè)的編碼對應(yīng)的是安裝點(diǎn)的絕對里程標(biāo)，因此，列車每運(yùn)動140m，閱讀器就可以讀到一個140m的倍數(shù)的等效里程標(biāo)值。當(dāng)閱讀器讀到已知的絕對里程標(biāo)時，信號系統(tǒng)的計算機(jī)就開始記錄測速傳感器的脈沖數(shù)，列車相對于絕對里程標(biāo)運(yùn)行的相對距離。一旦閱讀器讀到無源應(yīng)答器內(nèi)的絕對里程標(biāo)值時，測速傳感器的測量值被清零，有源應(yīng)答器的絕對里程標(biāo)實(shí)際數(shù)值的基礎(chǔ)上重新測量列車運(yùn)行的相對里程，如此循環(huán)?？梢姡性磻?yīng)答器給出的是粗測的絕對里程標(biāo)，由測速傳感器脈沖計算所得的是精測的相對里程標(biāo)。將這兩種測量方法結(jié)合起來，就可以準(zhǔn)確獲得列車的運(yùn)行位置。

這種測量里程的方式，包含了應(yīng)答器的絕對位置和齒輪傳感器的相對位置，精度是很高的。由于輪對在運(yùn)行時會發(fā)生打滑的情況，兩個表示絕對里程的應(yīng)答器之間的精測位置，將產(chǎn)生誤差。

但是，由于設(shè)置了有指示絕對位置的整數(shù)應(yīng)答器，它們之間的精測位置被清零重新記錄，所以不會產(chǎn)生累計誤差。

列車運(yùn)行的速度曲線，可以用數(shù)據(jù)表的形式存儲在計算機(jī)中，列車只要檢測到列車的運(yùn)行里程位置，就可以查到即時列車應(yīng)該達(dá)到的速度。將這個速度作為牽引系統(tǒng)速度閉環(huán)的給定值，列車就可以實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制。

速度曲線上還有一個5km的保護(hù)限，列車運(yùn)行速度一旦超過這個值，將自動實(shí)施緊急制動，這也稱列車運(yùn)行的ATP控制。

考慮運(yùn)行中的車輪直徑會磨損，擦傷時還需要鏇輪，故信號系統(tǒng)中供計算用的輪徑D不能預(yù)先設(shè)定而不變。為此，當(dāng)列車每天出庫時，線路上安裝了專門用來測量輪徑的兩個應(yīng)答器，它們相距100m。列車運(yùn)行過這段距離時，將測到n個傳感器的脈沖，則車輪的直徑D=11000/πn。將這個測量到的車輪的直徑D存入計算機(jī)的內(nèi)存中，就可以進(jìn)行里程表的計算。

2、速度的閉環(huán)控制

速度閉環(huán)的控制網(wǎng)絡(luò)見圖10。

圖10 速度閉環(huán)的控制網(wǎng)絡(luò)

城軌線路的軌道上，還安裝著可以實(shí)時改寫編碼的有源應(yīng)答器，不同的編碼對應(yīng)著紅燈、綠燈、白燈等指令。列車上的閱讀器讀到這個信息后，就能夠自動判斷前方是“可以通行”、“應(yīng)該停車”、“需要減速通過道岔”等運(yùn)行的操作。見圖11。

由于電制動的特性較軟，在列車停車時無法實(shí)現(xiàn)精確定位，所以還需要在列車停住之前，慢慢切除電制動，將機(jī)械制動加上去，實(shí)施電氣-機(jī)械制動轉(zhuǎn)換。見圖12。

轉(zhuǎn)換時的速度點(diǎn)在8～10km/h左右，電制動力的下降和機(jī)械制動力的上升斜率要一致，才能保證總制動力不變。

列車上還安裝了停車定位的傳感器，軌道上安裝了停車位置板。列車按照速度曲線的指令減速，只要傳感器進(jìn)入位置板的區(qū)間，機(jī)械制動器將增大制動力，把車停下來。見圖13。

由于列車的制動主要是使用電氣制動，機(jī)械制動的時間較短，所以列車的閘瓦和輪緣磨損很小；因?yàn)榱熊噯蛹铀俚臅r間不長，勻速運(yùn)動時不需要很大的牽引力，再加上電制動時能量可以回饋。為此，一輛200多噸、總牽引裝車功率可達(dá)4 000kW的列車，每公里的實(shí)際平均耗電約10kW·h，回饋的能量約5kW·h。

列車的速度閉環(huán)控制，由于設(shè)置了速度曲線，就可以實(shí)現(xiàn)車站之間真正的自動駕駛（ATO）；考慮停站上客的條件多變，列車關(guān)門開車的時刻，還需要司機(jī)人工操作關(guān)門，再按下自動駕駛按鈕，列車才可以在下一個車站之間進(jìn)行自動駕駛。

圖13 車站停車定位的方式

即使人工駕駛，也需要安全速度保護(hù)限制，這也稱手動ATP運(yùn)行。此時，在列車的信號系統(tǒng)中，設(shè)置的是階梯式的速度曲線。司機(jī)人工駕駛的列車速度只要接近這條速度曲線，系統(tǒng)將實(shí)施聲光報警。如果5s之內(nèi)列車仍不減速，系統(tǒng)將對列車自動實(shí)施緊急制動。

在上海的幾條新開通的地鐵線路上，最先采用的就是人工ATP的駕駛方式。ATO的調(diào)試，需要一定的時間，見圖14。

圖14 手動ATP運(yùn)行時的速度曲線

3、車載信號系統(tǒng)

信號系統(tǒng)和列車的制動系統(tǒng)，安全級別很高，它們是最后一道防線。為此，這些系統(tǒng)的控制計算機(jī)，都要使用三選二的安全計算機(jī)。測量系統(tǒng)的各種設(shè)備和器件，一般也是兩套以上，冗余度要求極高。見圖15。

圖15 車載信號系統(tǒng)的原理

四、中低速磁浮列車牽引控制的特殊性

單邊氣隙的直線電機(jī)在電樞通入三相電壓以后，盡管軌道上鋪設(shè)了等效次級導(dǎo)體作用的鋁板，因?yàn)榇怕分腥匀挥需F磁材料，電機(jī)和軌道之間依然要產(chǎn)生電磁吸力。

經(jīng)過電機(jī)試驗(yàn)表明，單邊氣隙的直線電機(jī)在設(shè)定的工作氣隙和額定運(yùn)行條件下，其產(chǎn)生的電氣牽引力和氣隙磁場產(chǎn)生的電磁吸力和以及它們的變化趨勢，規(guī)律基本相似。這個電磁吸力對懸浮電磁鐵來講，是一個負(fù)載力。

當(dāng)電機(jī)在進(jìn)行牽引和制動操作時，如果電機(jī)電流發(fā)生較強(qiáng)的突變，則相當(dāng)于懸浮電磁鐵的負(fù)載力也產(chǎn)生突變。

這種突變的電磁吸力變化的時間常數(shù)，如果與懸浮電磁鐵的調(diào)節(jié)頻率相近，將引起懸浮電磁鐵的工作不正常，甚至發(fā)生震動或強(qiáng)烈地跳動。見圖16。

圖16 常導(dǎo)中低速磁浮列車的懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動原理

由于在旋轉(zhuǎn)交流異步電機(jī)的牽引和電制動的轉(zhuǎn)矩控制中，主要是對電機(jī)的正負(fù)滑差進(jìn)行調(diào)節(jié)。從其控制原理可以看出，轉(zhuǎn)矩給定的變化之前，已經(jīng)加入了斜坡控制的條件。為了減少電流的突變，磁浮列車上的這個控制指令的斜率設(shè)置，又作了進(jìn)一步地減小。

滑差的大小變化，可以由直接牽引力控制的調(diào)節(jié)品質(zhì)決定，為了使電機(jī)的控制電流更加平滑，通過電機(jī)試驗(yàn)，找到了不同運(yùn)行速度條件下的最佳滑差，并將其變化規(guī)律存入計算機(jī)。當(dāng)直線電機(jī)進(jìn)行牽引力控制時，可以把電機(jī)的滑差控制在最好的條件下，使電機(jī)的運(yùn)行電流的變化更加趨于平穩(wěn)。見圖17。

此時，從懸浮控制器的輸入電流來看，波動大大降低。誠然，懸浮電磁鐵的振動和跳動，就很少出現(xiàn)了。

五、結(jié)束語

在幾年之前，由于城市軌道交通的大部分列車，要么是直接從國外引進(jìn)，要么是外方公司設(shè)計，由國內(nèi)組裝。許多關(guān)鍵技術(shù)，尤其是牽引、網(wǎng)絡(luò)控制、制動、信號等系統(tǒng)，均為國外公司所掌握，我們完全處于被動狀態(tài)；在國務(wù)院和發(fā)改委的裝備業(yè)自主創(chuàng)新的戰(zhàn)略推動下，城軌列車的自主化和國產(chǎn)化進(jìn)程取得了很大的進(jìn)步，絕大部分設(shè)備的核心應(yīng)用技術(shù)，已經(jīng)達(dá)到自主設(shè)計、自主集成、自主采購、自主試驗(yàn)的階段，攻克余下的關(guān)鍵技術(shù)的時間，不會太長了。上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司在2007年研制成功A型地鐵列車，真正實(shí)現(xiàn)了自主設(shè)計、自主采購、自主制造、自主試驗(yàn)的研發(fā)全過程，性能達(dá)到了正在運(yùn)營的地鐵列車的技術(shù)水平。2009年，在上海地鐵9號線上完成了載客運(yùn)營10萬km，獲得了MDBF＞25 000km和MTBF＞557h的運(yùn)營指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了上海市科教興市項(xiàng)目的最終目標(biāo)。

通過自主研發(fā)和實(shí)踐，是取得關(guān)鍵技術(shù)突破的重要手段，下一階段的重點(diǎn)目標(biāo)，應(yīng)該是各種系統(tǒng)的應(yīng)用軟件的自主設(shè)計和編制。