1 引言
随着改革开放的不断深入，城市的不断发展，经济交往日益频繁，流动人口急剧增加，机动车辆增多，城市地面交通拥堵问题越来越突出。为解决这一矛盾，兴建具有高速度、大动量、安全、准时、舒适、节能、污染小的城市快速轨道交通地铁、轻轨，已摆到了大城市的议事日程上。目前，我国除北京、天津、上海、广州的地铁已经运营外，前些年有21个城市曾先后积极筹建或提出建设地铁、轻轨的设想。但是由于地铁建设投资越来越大，致使财力难以承受，因此降低地铁造价，设备进行国产化已是当务之急。
地铁所用设备很多，车辆是其中较为重要的部分，车辆牵引系统的国产化是地铁车辆国产化中最为困难的部分，目前国内已经有厂家在进行这一方面的探索，并取得了一些经验和一定的成果，这些都为我们进行下一步的设计制造提供了很好的经验。地铁车辆牵引系统的特点是功率大(达1000kW以上)，负载波动大，起动制动频繁，体积有限制，环境恶劣，可靠性要求高等。本文就地铁车辆牵引系统国产化的总体方案进行一些研究和探讨，初步提出具体可行的方案。
2 车辆牵引系统总体方案
电力电子器件和微电子技术的飞速发展带动了地铁、轻轨车辆电气传动系统的迅速发展。就主传动系统而言，从牵引电机来看，目前可分为直流电机传动和交流电机传动两大类，直流电机的调速方案主要有凸轮调阻、斩波调压两种，交流电机的调速方案主要有调频调压(VVVF)、失量控制、直接转矩控制三种。
从目前我国的技术水平、地铁运行状况来看，直流电机凸轮调阻方案显然已经落后，即将被淘汰。直流电机凸轮调阻方案的主要缺点有：
(1)可靠性低
凸轮调阻器动作繁多且接点众多、机械/电气的磨损与变形，以及接触不良等因素导致故障不断，列车服务的可靠性很受影响，若采用无机械磨损的电子调控系统，大量的触点可以避免，从而大幅度提高列车运行的可靠性。
(2)能耗巨大
凸轮调阻器在起动与制动时，大量的电能及列车动能经电阻及机械制动系统转化为热能而白白耗散，地铁列车的特点是起动频繁，因此能量损失很大，转化出的热能同时还使地铁中的空调系统热负荷加重。
从这两点来看，直流电机凸轮调阻器即将完全退出历史舞台，取而代之的将是更为先进合理的方案，国外最新技术是采用失量控制和直接转矩控制的交流调速方案，下面本文就目前技术水平对其它几种方案作些研究探讨。
2.1 直流电机斩波调压方案
2.1.1 简述
从六十年代开始，虽然交流电机的控制从理论到具体技术都已取得了巨大的发展，特别是大功率电力电子器件的迅猛发展，使交流电机的地位达到了一个前所未有的高度，在许多领域内已经完全能取代直流电机，但是研制完善直流电机斩波器仍然具有重大意义，其主要理由有：
(1) 技术水平达到发达国家九十年代初期水平
发达国家在地铁车辆设计中，至九十年代初期，主要采用的是直流电机斩波器，其后交流电机才开始广泛使用。上海地铁一号线是1993年投入使用的，其车辆牵引系统是采用直流电机斩波器控制方案，香港地铁在1995年对其车队全部列车进行了改造，同样是采用了直流电机斩波器控制方案，从这些情况可以看到，直流电机斩波器控制方案并不十分落后。
(2) 市场依然存在
研制和完善直流电机斩波器控制方案在国内仍然具有一定的市场空间。现在正在运营的北京地铁、天津地铁采用的是直流电机凸轮调阻方式，由于其存在着上面所谈到的缺陷，随着运营空间的扩大、时间的推移，它们必然要进行改造，而其改造的首选方案必然是直流电机斩波器控制。上海地铁一号线使用的是进口直流电机斩波器控制，经过一定的运行时间后，故障将会增加，完全依靠国外厂家维护在经济上将难以承受。
(3) 为交流电机控制器的设计取得经验
直流电机斩波器设计使用将能为交流电机控制器的设计提供大量的有用的经验。直流电机斩波器和交流电机控制器在设计上有很多具有共性的地方，主要体现在：
(a) 工作环境一样，它们安装在地铁车辆的底部，其通风情况、环境温度、振动情况都相同，这些在电路设计、结构安装中的考虑将完全一致。
(b) 工作电压一样、功率相当，它们主回路的工作电压都是1500V或750V，电机功率都在1000kW左右，因此其主回路器件的选择将有很大的可比性，主回路的走线、布局分配、抗干扰设计也有很大的可参照性。
(c) 功率器件相同或近似，采用相同的功率器件其驱动电路完全一样。直流电机斩波器主要采用的是可关断晶闸管(GTO)，其驱动电路较为复杂，交流电机控制器主要采用的有GTO，绝缘栅双极晶体管(IGBT)、智能模块(IPM)等。直流电机斩波器的研制将能在使用GTO等元器件上为今后采用交流电机控制提供参考。
发达国家地铁车辆牵引系统的发展也经历直流电机斩波调速的过程，这一过程的存在同样也为他们发展交流电机调速提供了大量宝贵的经验。可以认为，不经过直流电机斩波调速器的设计应用，在交流电机调速器的设计上就难以如此迅速便捷。
? 2.1.2 直流斩波器主电路
M为串激电动机，主控器件为一只GTO(V4)，HL为霍尔电流检测器，S3是牵引、制动转换接触器，S4、S5为向前、向后及牵引制动转换接触器。L2是电机励磁绕组，V2是续流二极管，V1是制动回路二极管。
在此我们需要解决以下技术问题：
(1) 主回路器件规格选择、器件布置。
(2) GTO器件的驱动电路设计。GTO器件的门极驱动电路设计是这种方案的重点，要满足门极开关特性的要求，尤其是在关断最大可关断阳极电流时，其关断电路的瞬时电流较大，这样对电路设计要求较高。
(3) 电路接插件选择，需要考虑振动影响。
(4) 具体电路设计。现在设计考虑采用模拟电路设计，各部分均采用模拟电路，在模拟电路成熟后可考虑数字化，但数字化时主要考虑器件工作的环境温度。
2.2 交流电机调频调压(VVVF)?
2.2.1 简述
交流电机与直流电机相比较，具有体积小、重量轻、结构简单、制造方便、价格低廉、转速高、效率高、省铜、坚固耐用、维护费用低等一系列十分突出的优点，随着脉宽调制(简称PWM)变频调速新技术的发展，大功率电力器件的容量耐压的不提高，在地铁车辆牵引系统中交流电机取代直流电机已经成为不可阻挡之势，它代表了电气传动的发展方向。本文认为在完善成熟直流斩波器的同时集中一部分人力进行交流驱动系统的研制是完全必要的。
PWM变频器可分为电压型变频器和电流型变频器两种，PWM电流型变频器需要在主回路中串联一个电抗器，这在地铁车辆上使用十分不便，所以地铁车辆牵引系统采用PWM电压型变频器。
由交流电机特性可知道，交流电机的控制应对电压和频率进行协调控制，协调控制应遵循以下一些基本原则：
1?保持电压与频率的比值恒定；
2?保持定子磁链恒定；
3?保持气隙磁链恒定；
4?保持转子磁链恒定；
5?保持转子磁链在气隙磁链方向上的分量恒定；
6?保持变频运行时的最大电磁转矩等于额定频率、额定电压运行时的最大电磁转矩，以此原则协调控制电压和频率。
根据以上原则，我们设计时首选考虑按原则1的调压调频控制系统。
2.2.2 交流变频器主电路
地铁车辆的供电系统是直流1500V(或750V)，这就决定了在设计交流电机变频控制器时主回路电路有两种方案，一种是斩波器调压、逆变器变频的变频装置(图2)，此方案存在谐波较大的问题；另一种是采用正弦波脉宽调制(SPWM)逆变器的结构形式(图3)，当开关频率提高时，输出波形几乎可以得到非常逼真的正弦波。在地铁车辆牵引系统中我们主要考虑采用SPWM逆变器的结构形式进行电路设计。?在功率器件的耐压和电流满足使用条件时采用通用变频器常采用的方式，即如图3所示的原理图；另一种是在功率器件的耐压和电流不能满足使用条件时，将功率器件进行串并联使用，在此主管器件的耐压可大大降低，具体可参考文献〔4〕的讨论。
采用IGBT模块设计的电路，由于载波频率的提高(GTO设计为450Hz，IGBT设计为3000Hz)，其负载交流电机的电流波形将会有很大的改善，更加接近正弦波，因此电路产生的的谐波含量较少，效率非常高。
2.2.3 交流控制策略
遵循2.2.1节中提出的协调控制基本原则中的第一条，保持电压与频率的比值恒定是最易实现的交流变频器控制策略，但是按此策略控制时，频率越低，不仅最大转矩减小，而且稳定工作范围也减小，所以在低速运行时特性很差。物理上是由于频率减小时，定子电阻压降在整个阻抗压降中所占的比重加大，因此在低速时应该使电压与频率的比值增大一些，才能补偿一些电阻压降，使磁链和最大转矩不变。
在地铁车辆牵引系统中，由于旅客流量随时间变化很大，因此电机的负载特性变化很大，现在乘客对乘坐的舒适度又有更高的要求，因此我们考虑采用转速闭环和转矩闭环，即采用转差频率控制的控制策略来实现所需功能。闭环控制框图如图4所示。 功率驱动PWM控制器部分采用SPWM控制。数字控制是SPWM目前常用的控制方法，通过微机软件实时生成SPWM波形，或者使用SPWM专用集成电路芯片。在实际使用中主要是采用专用集成电路芯片来实现所需功能，目前使用的是带有直接输出SPWM信号的80C196MC单片微处理器。
目前采用此方案的困难主要在于：
1?功率器件的保护不成熟(包括过流保护、过压保护、电流上升率限制、电压上升率限制等)。
2?电路抗干扰设计不成熟。由于驱动功率很大，负载波动也大，而安装尺寸和体积有限制，因此对电路的抗干扰要求比较高，在这一方面还有大量的工作需要完成。
2.3 矢量控制和直接转矩控制
交流电机的控制技术在VVVF的基础上又发展出矢量控制技术。人们对交流电机控制时参考直流电机的控制，将负载电流和励磁电流进行解耦，以便分别对它们进行控制，从而使交流电机的调速性能能够与直流电机相媲美。在地铁车辆牵引系统中运用此项技术的优点在于能提高乘客乘坐的舒适程度，使电机的加速、减速曲线能按照S形曲线运动 ，并且机车在爬坡、制动等情况下能更好地控制力矩。
采用矢量控制的控制系统主回路的电原理图与VVVF控制系统的主回路电原理图相类似，主要区别在控制算法上的不同。采用矢量控制，需要进行较为复杂的矢量变换的运算，虽然目前在一些进行辅助运算的芯片，但整个运算工作量还是很大的。? 普通的调速系统在速度闭环控制时需要有速度传感器来敏感速度量，提供系统使用。在地铁车辆上多装一种传感器，系统的可靠性将下降许多，如果速度传感器发生错误，整个系统将不能正常运行。采用矢量控制后，可以进一步采用数字信号处理器(DSP)来构成无速度传感器矢量控制系统，系统通过对电机的电流、电压检测来计算出速度量闭环，虽然调速的范围有所降低，但是大大提高了系统的可靠性。
直接转矩控制是在1985年从德国首先发展起来的，它是不同于矢量控制的一种新的控制方法，现在还在继续深入地进行研究。矢量控制由于其结构复杂，运算量大，而且与电机本身的参数有相关性，因此人们寻求更为简单的控制方法。直接转矩控制与矢量控制相比，结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，因此在各种场合中的应用正在蓬勃发展。直接转矩控制在地铁车辆牵引系统中也有一定的应用前景，但还没有看到国外在此系统中的成熟应用实例。
3 系统设计
计算机技术、通讯技术、自动化控制技术及大规模器件技术的发展，加速了计算机控制网络的发展，在地铁中使用计算机控制网络技术，将有关交通系统所涉及的人、车、道及环境等信息有机的组合起来，发挥其智能作用，从而保证地铁系统安全、通畅、可靠运行。地铁牵引系统框图如图5示。其中ATC是列车自动控制系统，它使运行的列车保持间隔距离，确保列车行车安全，并能按列车运行时刻表自动调整列车，其次ATC系统能够辅助驾驶列车运行。ATC系统控制主牵引系统，为主牵引系统提供控制信号，保证主牵引系统安全可靠的工作，同时完成列车的自动运行，包括列车自动起动加速、区间列车自动调速、车站站台自动定位等功能。ATC系统对列车运行、安全进行自动控制，避免人为因素的影响，使列车安全可靠运行。
无论直流斩波器还是交流变频调速器，在控制回路使用的主要元件是相同的或类似的。根据实际工作环境我们考虑采用单片机进行处理，在直流斩波器中采用的主处理芯片是80C196，在交流变频调速器上使用双CPU处理，本文主要考虑采用80C196MC和DSP数字信号处理芯片(TMS320C25)。
4 结束语
现在各城市地铁公司都在加快地铁建设进程，通过以上分析研究，本文认为，就当前我们的技术水平来看，应该首先花费一定的时间完成直流电机斩波器的设计工作，使直流电机斩波调速系统能完善成熟，符合使用要求，尽快占领和稳定市场，同时集中一部分人力物力对交流电机变频调速进行攻关，在几年的时间内攻克交流调速国产化的各项难关，这样我们的工作将十分主动、十分有利。如果现在不顾一切地追求最新的技术，那么很可能欲速则不达，花费时间清力更多而难以成功。