潘 明,赵梦瑶,2,王龙生

(1.中国铁道科学研究院通信信号研究所,国家铁路智能运输系统工程技术研究中心,北京 100081； 2.中国铁道科学研究院研究生部,北京 100081)

近年来，国外、国内多家信号公司都已研发出各自的全电子计算机联锁系统，并取得了不同程度的实际应用业绩，且最终可实现轨旁设备智能化控制的分布式全电子联锁系统已成为计算机联锁系统的一个主要发展方向，而智能转辙机则可以说是其中最为关键的设备[1]。

动力式道岔转辙机是道岔控制系统的执行机构，同时具有转换道岔、(机械)锁闭道岔和反映道岔位置表示三大关键基本功能。动力式转辙机不但在提高运输效率、有效改善劳动条件方面起着至关重要的作用，而且由于道岔的转换、锁闭和状态表示与运行的列车或车列直接相关，直接影响行车安全，所以是铁路信号最重要的基础设备[2]。现有转辙机采用集中控制方式，控制电路设计较为复杂巧妙，转换过程和表示状态对线路进行了复用，高效利用了有限数量的线缆，能够实现道岔动力的切换，控制道岔定反位转换以及表示状态的回传。但随着联锁系统向着执行层分布式、智能化的方向发展，用电子和光传输代替了原有的电缆传输，不但可显著扩展传输距离并显著降低传输成本，而且以光传输为基础的分布式就地控制还能够极大地减小甚至消除电缆混线的安全隐患，杜绝雷电、牵引电流经传输(光)缆侵入的可能，显著提升系统的防雷性能[3-7]。

本文提出一种适用于分布式计算机联锁系统的智能转辙机，具备网络接口和智能控制单元，可直接通过外部通信转换单元及光纤环网与上层对象控制器建立通信，接收联锁机的控制命令进行相应的动作。同时智能转辙机内部使用无刷直流电机取代传统直流电机，使用智能控制单元与高精度位移传感器取代了传统转辙机中自动开闭器和摩擦连接器等机械结构，可实时采集转辙机工作状态和道岔尖轨位置等数据，并通过通信接口最终上传至监测系统，便于室内工作人员掌握转辙设备工作状态的全面数据，通过对大量监测数据的分析和存储对比，可为转辙机存在的潜在隐患提供判断依据。

1 智能转辙机设计

根据《铁路道岔转辙机 第1部分：通用技术条件》(GB/T 25338.1—2010)、《铁路道岔转辙机 第2部分：试验方法》(GB/T 25338.2—2010)等技术条件中的相关规定、设计需求、现有条件及使用经验，要满足转辙机的功能需求，必须包含以下功能：动力驱动功能、道岔位置表示功能、过载保护功能、动作杆和表示杆的锁闭与解锁功能等。在保证道岔转辙设备安全性的前提下，提出智能转辙机主要功能设计方案。智能转辙机的原理框图和结构框图分别如图1、图2所示。

图1 智能转辙机工作原理

图2 智能转辙机结构

智能转辙机按功能分为动作模块、表示模块、锁闭模块和通信模块。其中动作模块由转辙机控制单元(包括CPU1和CPU2)、电机控制单元、继电器组以及直流无刷电机组成。工作原理为：CPU1接收联锁发来的控制命令，逻辑处理之后通过通信接口转发给电机控制器，使电机控制器产生相应的PWM信号控制电机转动；CPU2接收到命令后，也进行逻辑处理，并控制继电器组的开闭，这样只能两个CPU的逻辑处理结果一致时才能驱动电机转动，实现2取2的安全控制。

(1)表示模块由两组位移传感器组成，形成安全冗余的结构。一方面实时检测道岔位置，提供给电机控制器实现闭环控制；另一方面也具有检测道岔位置和是否转动到位的功能。

(2)锁闭模块由滚珠丝杠和锁闭装置组成，当位移传感器检测道岔转到位并且密贴后，锁闭装置实现道岔锁闭，转辙机控制单元给出相应的表示。

(3)通信模块与联锁系统和监测系统相连，与联锁系统的通信包括接收下发的命令和上传状态信息；与监测系统的通信实现电机当前转速、目标转速、电流、电压以及道岔尖轨位置等信息的交互，用于实时监测和存储设备状态数据。

以我国铁路使用量最大的ZD6型转辙机为例，智能转辙机与其结构对比如表1所示，可以看出智能转辙机具有如下特性。

表1 ZD6型转辙机与智能转辙机结构对比

(1)智能转辙机使用网络接口与控制系统(联锁系统)连接，通过光纤环网接入室内联锁主控层，适用于分布式控制或区域控制的计算机联锁系统。

(2)智能转辙机采用无刷直流电机来提供动力。无刷直流电机是根据现代控制技术和电机理论而研制的新型机电一体化产品，采用电子换向[8]，避免了传统电动转辙机中有刷直流电机机械换向带来的机械摩擦、换向火花、电磁噪声、电刷磨损及维修性差等种种弊端。无刷直流电机既有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点，又有直流电机运行效率高，调剂性能好等特性，同时其智能控制技术的研究也日益成熟，逐步被应用于自动化及工业现场[8-11]。

(3)智能转辙机的道岔位置检测采用无接点的位移传感器方式。选用差动变压器式位移传感器(简称为LVDT)和智能控制单元配合表示杆来实现道岔位置的正确表示功能。LVDT是利用电磁感应原理来测量位移量的一种传感器，基本组成包括铁芯、骨架、激磁绕组、2个对称分布的输出绕组及外壳等[12]。LVDT把直线位移转换为模拟电压，能进行非接触式位移测量，具有结构简单、响应速度快、分辨率高和使用寿命长等优点[13]，已被应用于航空、航天及众多工业控制场合[14]。

2 智能转辙机无刷直流电机自适应控制

在上述的设计当中，无刷直流电机的闭环控制算法将直接影响转辙机位置转动的精度、转动的速度和平顺性等性能指标，所以本节将设计一种自适应控制器对转辙机进行控制。

选取智能转辙机中的控制相关模块，构建成闭环控制系统，如图3所示。

图3 智能转辙机控制环路

2.1 无刷直流电机的数学模型

由文献[15]可知，无刷直流电机的电磁转矩方程为

(1)

式中，Te为电磁转矩；eA，eB，eC为定子绕组的电动势；iA，iB，iC为定子绕组的电流；ω为电机的机械角速度。

由无刷电机的工作原理可知，ABC三相只会同时导通两相，以AB两相导通时为例，此时的供电电压

(2)

式中，L，M和R分别为电机每相绕组的自感，每两相绕组的互感和每相的电阻；i为线圈电流；ke为感应反电动势。

根据牛顿力学定理，电机的运动方程为

(3)

式中，t为时间；J为转子与负载的转动惯量；T0为负载转矩；B为阻尼系数。

无刷直流电机最终将带动道岔，本设计中通过位置传感器能测量到推动的距离为

L=klωt

(4)

式中，kl为电机转动角度到道岔动作距离的转换系数。

联立式(1)～式(4)，即为智能转辙机的无刷直流电机数学模型。需注意式(3)中的阻尼系数B和负载转矩T0会因为线路条件的不同而不同，因此使用传统的PID控制算法无法保证精确的位置控制。针对这个问题，本文设计一种自适应控制器[16]。

2.2 无刷直流电机自适应控制器设计

定义道岔动作杆期望的移动距离为L*，那么实际距离和期望距离的误差

e=L-L*

(5)

设计如下自适应控制器

(6)

(7)

式中，λB>0，λT>0，能使e→0，即控制器使道岔转到期望位置。构造相应的Lyapunov函数能证明该算法的稳定性。

3 实验平台的开发与验证

根据智能转辙机工作原理开发了实验平台，验证智能转辙机的功能和控制性能。图4所示为智能转辙机实验平台，该平台主要包括：57BL系列无刷直流电机、AQMD6010BLS型电机控制器、CPU1、CPU2、继电器组、丝杠型道岔模型组件、LVDT位移传感器、电源等。

图4 智能转辙机实验平台

3.1 智能转辙机的功能验证

智能转辙机实验平台用于模拟智能转辙机来完成道岔转换，以及转换到位后给出道岔位置表示的过程。在实验过程中，智能转辙机以3 000 r/min的转速，通过减速器连接滚珠丝杠，经过4 s的时间可以完成1次道岔转换，符合转辙机要求的动作时间。图5为智能转辙机完成一次转换过程的电机电流曲线。从图5可以看出，智能转辙机电流曲线平滑，具有较小的启动电流，启动后电机电流可以较快地进入稳定状态，经过多次实验表明智能转辙机具有较好的稳定性和可靠性。

图5 智能转辙机电流曲线

使用计算机模拟联锁机及微机监测系统，与智能转辙机实验平台中控制单元进行通信，向转辙机控制单元发送道岔动作命令，同时接收控制单元上传的电机实时状态及道岔位置等信息。图6为使用计算机模拟监测系统编写的实时显示界面，可以看出在转辙机接到命令开始转动过程中，监测系统可以获取道岔是否转换到位、电机电流、电机当前转速、目标转速、电机是否堵转、4个位移传感器数据以及道岔位置表示等信息，这些信息随着转辙机的工作状态进行实时更新，转动到位后给出道岔正确的位置表示(定位、反位或四开状态)，可以证明该智能转辙机控制逻辑正确，在实现转辙机基本功能的同时提供了更多电机工作状态信息以及道岔位移数据。

图6 智能转辙机模拟监测界面

3.2 无刷直流电机的控制性能

比较使用PID控制算法和本文提出的自适应控制算法的控制效果，结果如图7所示。图中虚线为使用PID算法的结果，可见实际的位移和期望的位移有一个稳态误差；图中实线是使用自适应算法的结果，道岔动作的位移能精确地到达零点，验证了对于模型存在不确定参数情形下，该算法能有效地实现位移的精确控制，为智能转辙机的安全转动提供保障。

图7 自适应控制与PID控制位移曲线

4 结语

设计了一种可应用于分布式全电子计算机联锁系统的智能转辙机及其自适应控制算法。智能转辙机具有独立的信息采集和处理功能，通过光纤以太网接入联锁等系统，扩展方式灵活，并且启动电流小，具有可变速功能，系统结构确保了较高的可靠性和可用性。提出的自适应控制算法能有效地克服因道岔使用环境不同，轨道摩擦系数和带动的负载不同所导致控制精度不够的问题，确保智能转辙机的安全操作。