动车组列车控制功能仿真测试平台研究*

夏 菲，赵红卫，高 枫，姚 放

（1 北京纵横机电科技有限公司，北京100094；2 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京100081）

列车控制系统承担着整个动车组的控制、监视、诊断与保护任务，负责完成列车的运行控制、监视、诊断功能，通过列车网络控制和管理列车的牵引系统、制动系统、高压系统、辅助供电、空调、行车安全设备、车门、照明等几乎所有子系统，其中牵引系统是与列车网络控制关系最密切的子系统，牵引控制单元是列车控制网络的重要组成设备。牵引控制的优劣不仅直接影响到列车牵引性能的好坏，同时对列车逻辑控制和设备管理也会造成影响。

现有动车组网络控制系统仿真测试平台中的牵引系统多是虚拟建立的理想模型，并不能更真实地反映牵引系统控制响应，不能更好地进行列车网络控制系统与牵引控制的逻辑关系研究。针对上述问题，文中建立的某型动车组列车控制功能仿真测试平台，基于RT-LAB实时仿真机，由4台真实中央控制单元设备和4台真实牵引控制单元设备组成，模拟了全列车4个牵引控制单元共同运行的情况。

介绍了基于RT-LAB的某型动车组列车控制功能仿真测试平台，介绍了其结构和实现方式，最后进行了仿真应用研究。

1 动车组列车控制功能仿真测试平台实现

1.1 动车组结构介绍

某型动车组是由2个对称布置的牵引动力单元组成，即1～4号车组成1个牵引动力单元和5～8号车组成1个牵引动力单元，动车组中牵引系统部件布置在车下，在2个牵引单元上成对称分布如图1所示。

图1 某型8编组动车组配置结构

安装在动车组车下的牵引变流器主要由2个并联的网侧四象限整流器和电机侧逆变器组成。四象限整流器主电路采用的是两相两重整流器结构。电机侧逆变器主电路采用两电平三相桥式结构，逆变器控制并联的4个牵引电机，牵引变流器结构如图2所示。

图2 某型8编组牵引变流器结构

1.2 动车组列车控制仿真测试平台结构

动车组列车控制仿真测试平台采用适合于逻辑仿真的ControlBuild（以下简称CB）仿真软件建立列车网络环境和除了牵引控制单元外的其他列车网络设备仿真模型，采用实时仿真系统RT-LAB为牵引控制单元提供仿真工作环境。

动车组列车控制功能在线测试平台结构如图3所示，它由4台真实牵引控制单元设备、真实的中央控制单元设备和司机显示屏组成。工控机及CB仿真软件为中央控制单元提供整车电气和网络运行环境，实时仿真系统RT-LAB为TCU提供牵引系统执行机构的仿真。中央控制单元及其仿真环境构成了列车网络控制系统，牵引控制单元及实时仿真构成了2个牵引单元的牵引系统。

图3 动车组列车控制仿真测试平台结构

动车组列车控制仿真测试平台结构组成主要分为2大部分，第一部分是列车控制网络系统仿真，这部分由4台真实的列车网络控制设备中央控制单元和4台司机显示屏组成。由于列车网络控制系统对仿真的实时性要求不是太高，我们采用适合于控制逻辑仿真的CB仿真软件为搭建网络控制系统模型，包括整车低压电气线路仿真和列车其他的受控子系统的仿真，例如制动系统、辅助供电系统、空调系统、门控系统等的仿真。另一部分是牵引控制单元的执行机构牵引系统的仿真［1］，例如主变压器、牵引变流器、牵引电机及牵引传动系统的仿真建立。这些执行机构的仿真对实时性要求非常高，因而我们选用实时仿真系统RT-LAB来实现牵引系统执行机构的仿真，使其能够在列车控制网络的环境下，进入列车牵引/制动的正常工作状态。

动车组列车控制仿真测试平台在列车网络控制系统仿真的基础上加入了牵引控制系统的实时仿真，使列车网络控制的仿真环境更加真实，可以在整车的工作环境下很好的研究和验证牵引控制与列车网络控制之间以及其他设备之间的相互关系，测试和验证列车网络的控制逻辑和控制功能。

1.3 列车网络控制系统仿真

列车网络控制系统仿真首要解决的问题就是实现真实的网络设备中央控制单元与仿真系统的通讯问题。为了实现与列车网络控制系统的网络通讯接口，在工控机上集成了MVB通讯网卡，可以连接该牵引单元的MVB网络，实现除了牵引控制单元外的其他仿真受控子系统与其他网络设备之间的MVB网络通讯，例如制动控制系统BCU，辅助控制系统等。在CB仿真环境中，MVB驱动中的数据通过共享内存与CB仿真程序进行交换。CB仿真环境下MVB数据通信的软件框图如图4所示。

图4 CB的通信驱动程序

解决了列车网络的通讯问题后，利用CB仿真软件实现对除了牵引系统外的其他各受控子系统的功能仿真，包括制动系统、辅助供电系统、空调系统、门子系统等列车受控子系统，同时通过CB仿真软件的低压电气图实现了整车的硬件电气线路仿真，从而建立了整车网络控制仿真。通过CB仿真软件实现了司机控制台的仿真，包括升/降弓、主断闭合/断开开关，牵引手柄、制动手柄和自动速度控制手柄等司机台操作部件。司机仿真控制台的司机手柄界面如图5所示。CB仿真模型的建立可以实现对列车的正常操作，完成占用司机室、方向开关设定、受电弓升起/降下、主断路器闭合/断开等操作。

图5 司控台控制手柄CB仿真界面

1.4 实时仿真实现

如前所述，我们采用实时仿真系统RT-LAB建立4个牵引变流器及高压供电、牵引传动装置的实时仿真模型［2］，为全列牵引控制单元提供牵引系统执行机构的仿真。

RT-LAB实时仿真器是整个实时仿真系统和核心组成部分，该仿真器硬件包含1台主机、1台目标机、1套仿真管理软件。主机运行windows操作系统，用于仿真模型的开发和运行仿真管理软件。实时仿真目标机OP5600运行QNX实时操作系统，用于主机的代码和执行实时代码，可以通过实时代码来代替牵引变流器、牵引电机等执行机构。

动车组列车控制仿真测试平台的牵引系统实时仿真部分的整体结构如图6所示，其中1台牵引变流器实时仿真的详细结构图如图7所示。

图6 TCU在线测试台实时仿真系统结构图

图7 一台TCU实时仿真系统结构图

2 动车组列车控制功能仿真测试平台仿真应用

动车组列车控制功能仿真测试平台可以测试并验证中央控制单元与列车网络设备的信息交互，研究和测试列车网络控制功能，特别是可以更好的测试列车网络控制与牵引控制之间的控制逻辑关系，验证牵引控制单元在整个网络控制系统中完成的功能，同时可以对现场发生的故障进行再现模拟，找出故障原因，提供故障解决方案。

2.1 通信协议的测试验证

动车组列车控制功能仿真测试平台可以对中央控制单元与网络各个子系统之间的通讯协议进行测试和验证。尤其是牵引控制单元是真实的网络设备，可以验证网络变量设置、轮询周期等方面是否符合设计指标和功能要求。

2.2 列车控制逻辑测试验证

动车组列车控制功能仿真测试平台是在真实的列车控制网络环境下，同时具有4个真实的牵引控制单元设备的测试仿真平台，可以深入研究列车控制网络与全列多牵引控制单元之间的控制逻辑关系，以及牵引控制单元之间的信息交互，对列车控制软件进行设计验证。牵引控制单元的牵引控制功能和网络通讯功能可以在整个列车网络系统中得到验证，还可以测试和验证牵引控制单元与列车主断控制环路的控制关系、列车网络系统对牵引控制单元的控制、对辅助系统的管理等。

2.3 列车故障导向安全测试验证

动车组列车控制功能仿真测试平台为牵引控制单元搭建了整车的运行环境，牵引控制单元和中央控制单元可以同时在测试台中得到测试和验证，不仅可以测试牵引系统自身的故障响应和保护措施，也可以测试对列车级网络控制的影响。在动车组实际运营中会经常会遇到与牵引系统相关的故障，严重的还会影响列车的正常运行。牵引系统应有相关的安全设计和系统保护功能，当牵引设备不正常时，牵引系统能够迅速保护，同时自动或提示司机手动隔离故障设备并导向安全，不会扩大故障影响。牵引系统会根据发生故障的部件进行合理的保护，牵引系统应根据故障部件选择恰当的保护方式，包括断开主断、减少功率输出、逆变器输出封锁等。同时，列车网络控制系统会根据故障的情况，牵引系统报告的状态，从列车控制层面使故障导向安全。列车控制功能仿真测试平台既可以模拟正常运行环境条件下的列车牵引控制响应和反馈，也可以模拟各种异常故障工况下牵引控制的响应和机制。

例如，牵引逆变器IGBT开关管发生故障，会引起本牵引逆变器脉冲封锁，本牵引变流器1无牵引力输出。在试验台模拟某型动车组在列车正常牵引运行时，牵引逆变器IGBT开关管故障。修改牵引逆变器模型中的相关参数，使得逆变器PWMI开关管T1发生开路故障。在逆变器PWMI开关管开路的情况下，造成逆变器输出三相电流正负半波不对称，电流值增大，引起TCU对电机电流设定值的限制，最终导致电机电流超过所能允许的最大电流限制，PWI逆变器被封锁，随后4QC也被封锁脉冲。牵引逆变器开关管T1发生开路故障时，逆变器PWMI开关管T1发生开路故障时中间直流侧电压波形图如图8所示，牵引电机输出三相电流波形如图9所示，牵引电机输出相电压相电流的关系如图10所示，牵引电机输出电磁转矩如图11所示。

图8 中间直流侧电压波形

图9 牵引电机三相电流波形

图10 牵引电机相电压相电流波形

图11 牵引电机输出电磁转矩波形

从图9～图11可以看出，改变逆变器PWMI参数使得逆变器T1开关管开路的瞬间，牵引电机相电流发生了畸变、出现单相电流不对称的情况，与此同时，牵引电机输出电磁转矩开始较大的波动。牵引电机电流和电磁转矩的振荡仅仅是由于PW⁃MI逆变器被封锁引起的，由于逆变器被封锁，此变流器失去牵引力输出，所以列车只能以最高75%的动力运行。

3 结束语

文中介绍了某型动车组的列车和牵引系统结构，在此基础上搭建了列车控制功能仿真测试平台，详细讨论了测试平台的结构和建立的方法、实现的功能。此仿真测试平台是列车网络控制系统与牵引系统结合的列车控制功能仿真验证平台，不仅可以测试验证列车网络控制功能，还可以测试和验证牵引控制与列车网络控制之间的关系和控制逻辑，为深入了解列车网络控制技术提供了手段，为研发新一代高速动车组提供技术支持和仿真验证。