基于轉(zhuǎn)速控制的機車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法

蔡志偉，高 磊

（中國北車大連機車車輛有限公司 技術(shù)開發(fā)部，遼寧大連116022）

專題研究

基于轉(zhuǎn)速控制的機車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法

蔡志偉，高 磊

（中國北車大連機車車輛有限公司 技術(shù)開發(fā)部，遼寧大連116022）

介紹了目前主要的機車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法，提出了一種基于轉(zhuǎn)速控制的機車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法。試驗結(jié)果表明，上述方法能有效的防止發(fā)生牽引空轉(zhuǎn)和制動滑行，最大限度的利用黏著力，可實現(xiàn)機車全天候的防空轉(zhuǎn)滑行控制。

轉(zhuǎn)速控制；防空轉(zhuǎn)滑行控制；牽引；制動；黏著力

輪對產(chǎn)生的輪周牽引力或制動力大于輪軌間的黏著力時車輪就會發(fā)生空轉(zhuǎn)或打滑，輪軌間的黏著力受輪軌表面狀況、線路狀況、機車軸重分配等因素的影響，并且與司機操縱方式及機車運行速度有關(guān)。空轉(zhuǎn)或打滑會使輪軌發(fā)熱、輪軌擦傷，嚴重時還會影響機車的安全運行，危害極大。輪軌之間的黏著是一個具有不確定性的復雜時變系統(tǒng)，最大化地利用輪軌黏著力，并且有效防止牽引空轉(zhuǎn)和制動滑行，已經(jīng)成為世界鐵路機車車輛黏著控制技術(shù)領域發(fā)展的方向。

1 現(xiàn)有技術(shù)及其缺點

1.1 差動繼電器法

目前國產(chǎn)直流傳動機車大多采用差動繼電器法，在機車主電路中配裝有差動繼電器，每個差動繼電器與兩臺牽引電機相連，機車正常運行時，兩臺牽引電機相連的差動繼電器兩端的電壓是平衡的。當有一個車輪發(fā)生空轉(zhuǎn)時，該車輪的牽引電機與另一個車輪的牽引電機之間的電位差就會發(fā)生變化，使差動繼電器得電，使串聯(lián)在該差動繼電器常開觸點電路中的聲光報警器接通，發(fā)出空轉(zhuǎn)報警。司機發(fā)現(xiàn)空轉(zhuǎn)報警后，手動撒沙、降功率。利用電壓差并不能準確判斷發(fā)生空轉(zhuǎn)的嚴重程度，當司機看到空轉(zhuǎn)指示燈亮之后再腳踏撒沙，同時通過手動操作削減機車牽引功率來制止空轉(zhuǎn)。這個操作過程時間比較長，而且很難把握合適的功率削減值。

1.2 判據(jù)法

檢測機車各個牽引電機轉(zhuǎn)速和電流，通過計算轉(zhuǎn)速差、車輪加（減）速度、加（減）速度微分信號、滑移率及電流差、電流變化率等參數(shù)，并且設定這些參數(shù)的限定值，當超過或低于這些限制值時，即判斷為空轉(zhuǎn)或滑行，并立即實施撒沙及減牽引力（制動力）。采用這樣的方法，不能實時獲得合適的減載率百分比、減載持續(xù)時間、撒沙執(zhí)行時間。通過采用多個反饋及計算參數(shù)聯(lián)合控制，同時觀測多個參數(shù)，對黏著利用狀況進行綜合評估，然后綜合判斷空轉(zhuǎn)及滑行，空轉(zhuǎn)及滑行時刻判斷的準確度雖然有所提高，但是減載率百分比，減載持續(xù)多長時間仍難把握，很難給出一個定量的合理控制值，難以實現(xiàn)既充分利用黏著，又有效防止空轉(zhuǎn)滑行的控制效果。

1.3 模糊控制法

模糊控制系統(tǒng)通常由輸入輸出接口、模糊控制器、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器和被控對象5個部分構(gòu)成，其中模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心。模糊控制法必須編制大量的程序來進行仿真分析，或者等到控制器設計完成后通過試驗來分析驗證。整個過程繁瑣并且工作量較大。

2 基于轉(zhuǎn)速控制的機車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理

基于轉(zhuǎn)速控制的機車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法的控制框圖如圖1所示，根據(jù)機車運行狀態(tài)生成牽引力（制動力）給定值VTref，檢測牽引力（制動力）反饋值VTfdb，送入牽引力（制動力）PID閉環(huán)控制器VT，得出牽引力（制動力）控制值VTout；計算速度差給定值VDref，計算速度差反饋值VDfdb，將VDref及VDfdb送入速度差PID閉環(huán)控制器VD，得出轉(zhuǎn)速差控制值VDout；根據(jù)機車運行狀態(tài)生成最大加速度給定值VAref，計算最大加速度反饋值VAfdb，將VAref及VAfdb送入加速度PID閉環(huán)控制器VA，得出加速度控制值Aout；比較牽引力（制動力）控制值VTout、轉(zhuǎn)速差控制值VDout、加速度控制值VAout，取三者中的最小值控制機車牽引力（制動力）。

采用該控制方法，通過轉(zhuǎn)速差PID閉環(huán)控制器和加速度PID閉環(huán)控制器的作用，可以使各牽引電機轉(zhuǎn)速差和加速度限制在合理的范圍內(nèi)。由于PID調(diào)節(jié)器的作用使得系統(tǒng)在偏差較大時具有快速調(diào)節(jié)特性，在偏差較小時具有連續(xù)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)特性，在偏差信號快速變化時具有超前調(diào)節(jié)特性，能夠最大限度的利用黏著力，可實現(xiàn)機車全天候的防空轉(zhuǎn)滑行控制。

圖1 基于轉(zhuǎn)速控制的機車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法框圖

2.2 基于轉(zhuǎn)速控制的機車防空轉(zhuǎn)滑行系統(tǒng)硬件組成及基本原理

基于轉(zhuǎn)速控制的機車防空轉(zhuǎn)滑行系統(tǒng)硬件組成由微機控制系統(tǒng)、各牽引電機轉(zhuǎn)速傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等。下面以出口新西蘭CKD9B機車為例，對基于轉(zhuǎn)速控制的機車防空轉(zhuǎn)滑行系統(tǒng)的基本原理進行簡要說明。

CKD9B交直流電傳動內(nèi)燃機車牽引主電路如圖2所示，通過微機控制主發(fā)電機勵磁機的勵磁電流，實現(xiàn)對主發(fā)電機整流后直流電壓的控制。Rlt為勵磁電阻，D1為續(xù)流二極管，Q1為場效應管，EXC為勵磁發(fā)電機，ERC為勵磁整流器，MG為主發(fā)電機，MRC為主整流器，M1～M6為牽引電機，SD1～SD6為牽引電機轉(zhuǎn)速傳感器。機車微機控制器輸出的PWM信號通過控制Q1的導通占空比，控制流過EXC勵磁線圈的勵磁電流，EXC發(fā)出的三相交流電通過ERC整流后，為主發(fā)電機勵磁繞組供電，主發(fā)電機發(fā)出的三相交流電經(jīng)MRC主整流柜整流后向M1～M6供電。通過調(diào)節(jié)PWM信號的脈沖寬度值即可調(diào)整牽引電機的直流端電壓，進而調(diào)整牽引電機牽引力。

圖2 CKD9B交直流電傳動內(nèi)燃機車牽引主電路

CKD9B交直流電傳動內(nèi)燃機車電阻制動主電路如圖3所示，牽引電機M1～M6分別以Rz為負載以發(fā)電機方式運行。SD1～SD6為牽引電機轉(zhuǎn)速傳感器。主發(fā)電機發(fā)出的三相交流電經(jīng)MRC主整流柜整流后向牽引電機M1～M6串聯(lián)的勵磁繞組供電。通過調(diào)節(jié)PWM信號的脈沖寬度值即可調(diào)整流過6個牽引電機勵磁繞組的勵磁電流，實現(xiàn)牽引電機制動電流的調(diào)整，進而實現(xiàn)制動力的調(diào)整。

圖3 CKD9B交直流電傳動內(nèi)燃機車電阻制動主電路

通過檢測司機控制器手柄位狀況、機車速度、牽引電流（主發(fā)電機輸出電流）分別計算出牽引力（或制動力）給定值VTref、速度差給定值VDref、最大加速度給定值VAref，然后根據(jù)牽引電機電壓及電流反饋計算牽引力（或制動力）反饋值VTfdb，根據(jù)第1～6軸牽引電機轉(zhuǎn)速反饋分別計算速度差反饋值VDfdb、最大加速度反饋值VAfdb。將VTref及VTfdb送入PID閉環(huán)控制器VT，得出牽引力（或制動力）控制值VTout，將VDref及VDfdb送入速度差PID閉環(huán)控制器VD，得出轉(zhuǎn)速差控制值VDout；將VAref及VAfdb送入加速度PID閉環(huán)控制器VA，得出加速度控制值VAout；比較VTout、VDout和VAout，取三者中的最小值控制機車PWM信號通過控制Q1的導通占空比，進而控制機車牽引力（或制動力）。

2.3 軟件設計

基于轉(zhuǎn)速控制的機車防空轉(zhuǎn)滑行控制主程序流程圖參見圖4，應用定時器1中斷產(chǎn)生10 ms定時中斷。中斷子程序首先在框1.1關(guān)閉定時器1中斷，在框1.2清除定時器1中斷標志。然后進入框1.3，判斷牽引指令是否為真：如果是，則進入框1.4，執(zhí)行牽引力控制子程序，否則進入框1.5。在框1.5，判斷制動指令是否為真：如果是，則進入框1.6執(zhí)行制動力控制子程序；否則進入框1.7。在框1.7，打開定時器1中斷，為下一次定時器1中斷作好準備。然后中斷子程序運行結(jié)束。

圖4 基于轉(zhuǎn)速控制的機車防空轉(zhuǎn)滑行控制主程序流程圖

牽引力控制子程序和制動力控制子程序流程圖如圖5、圖6所示，兩者程序流程非常相近，基本程序流程如下：根據(jù)機車運行狀態(tài)生成牽引力（制動力）給定值VTref，檢測牽引力（制動力）反饋值VTfdb，送入牽引力（制動力）PID閉環(huán)控制器VT，得出牽引力（制動力）控制值VTout，且限制VTmin≤VTout≤VTmax；檢測各軸的轉(zhuǎn)速值，計算平均輪周線速度Vavr、最大輪周線速度Vmax及最小輪周線速度Vmin，計算機車速度Lspd＝Vavr，檢測機車牽引力（制動力）反饋值，計算速度差給定值VDref和最大加速度給定值VAref；計算速度差反饋值：VDfdb＝Vmax－Vavr（牽引模式）或VDfdb＝Vavr－Vmin（制動模式），計算各軸轉(zhuǎn)速加速度值VAfdb1～VAfdbn（牽引模式）或各軸轉(zhuǎn)速減速度值VAfdb1～VAfdbn（制動模式），計算加速度反饋值VAfdb等于各軸轉(zhuǎn)速加速度值VAfdb1～VAfdbn中的最大值（牽引模式）或減速度反饋值VAfdb等于各軸轉(zhuǎn)速減速度值VAfdb1～VAfdbn中的最大值（制動模式）；將VDref及VDfdb送入速度差PID閉環(huán)控制器VD，得出轉(zhuǎn)速差控制值VDout，且限制Vmin≤VDout≤Vmax；將VAref及VAfdb送入加速度PID閉環(huán)控制器VA，得出加速度控制值VAout，且限制Vmin≤VAout≤Vmax；按轉(zhuǎn)速差控制值VDout、加速度控制值VAout、牽引力（制動力）控制值VTout三者中的最小值控制機車牽引力（制動力）。

圖5 牽引力控制子程序流程圖

3 基于轉(zhuǎn)速控制的防空轉(zhuǎn)滑行控制方法在新西蘭機車上的應用

基于轉(zhuǎn)速控制的機車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法已經(jīng)成功應用于CKD9B型出口新西蘭機車，解決了在機車應用過程中出現(xiàn)的牽引空轉(zhuǎn)和電阻制動滑行問題，可以有效保護軌道及機車輪緣，降低司機的勞動強度，提升機車的牽引和制動性能，使得機車的應用更加安全可靠。

圖7為CKD9B型機車防空轉(zhuǎn)性能試驗波形，圖形上部分為勵磁脈寬、主發(fā)電機電流、柴油機轉(zhuǎn)速曲線，下部分為第1、3、5軸牽引電機轉(zhuǎn)速曲線及撒沙指令曲線。試驗線路為新西蘭漢密爾頓至米申布什鋼廠，負載為1 300 t，坡道22‰，天氣狀況為中雨，軌面濕滑。機車以42 km/h（對應牽引電機轉(zhuǎn)速為1 260 r/min）的初始速度爬坡，在機車速度降低的同時，主發(fā)電機電流不斷增加，機車速度降到23 km/h（對應牽引電機轉(zhuǎn)速為690 r/min），主發(fā)電流達到4 200 A，機車速度開始逐漸恢復。在此過程中，微機控制系統(tǒng)根據(jù)牽引電機轉(zhuǎn)速反饋計算牽引電機轉(zhuǎn)速差反饋值和最大加速度反饋值。一方面這兩個反饋值分別與電機轉(zhuǎn)速差撒沙閾值和最大加速度撒沙閾值對比，當其中任意反饋值大于其相應撒沙閾值時，微機輸出撒沙指令；另一方面，這兩個反饋值分別與電機轉(zhuǎn)速差給定值和最大加速度給定值比較，通過相應PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，微調(diào)或快速調(diào)節(jié)主發(fā)電機電流，既能有效抑制牽引電機空轉(zhuǎn)，又能最大限度的利用黏著牽引力。

圖6 制動力控制子程序流程圖

圖8為CKD9B型機車防滑行性能試驗波形，圖形上部分為勵磁脈寬柴油機轉(zhuǎn)速、第1、3、5軸牽引電機電流曲線，下部分為第1、3、5軸牽引電機轉(zhuǎn)速曲線和撒沙指令曲線。試驗線路為新西蘭漢密爾頓至奧克蘭，負載為1 000 t，天氣狀況為小雨，軌面濕滑。機車以58 km/h（對應牽引電機轉(zhuǎn)速為1 740 r/min）的初始速度進行電阻制動，機車速度不斷下降，當制動電流達到580 A時，從牽引電機轉(zhuǎn)速曲線可以看出，機車速度降到23 km/h（對應牽引電機轉(zhuǎn)速為690 r/min），主發(fā)電機電流達到4 200 A，個別牽引電機發(fā)生了滑行，微機控制系統(tǒng)根據(jù)牽引電機轉(zhuǎn)速反饋計算牽引電機轉(zhuǎn)速差反饋值和最大減速度反饋值。一方面這兩個反饋值分別與電機轉(zhuǎn)速差撒沙閾值和最大減速度撒沙閾值對比，當其中任意反饋值大于其相應撒沙閾值時，微機輸出撒沙指令；另一方面，這兩個反饋值分別與電機轉(zhuǎn)速差給定值和最大減速度給定值比較，通過相應PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，微調(diào)或快速調(diào)節(jié)主發(fā)電機勵磁脈寬，進而調(diào)節(jié)制動電流（牽引電機電流），既能有效抑制牽引電機滑行，又能最大限度的利用黏著制動力。

圖7 CKD9B型機車防空轉(zhuǎn)性能試驗波形

圖8 CKD9B型機車防滑行性能試驗波形

4 結(jié)束語

目前基于轉(zhuǎn)速控制的機車防空轉(zhuǎn)滑行控制系統(tǒng)已成功地應用于大連機車車輛有限公司研制的出口新西蘭、阿根廷等多種機車中。應用表明，該控制系統(tǒng)既能滿足機車正常工況下的穩(wěn)定運行，又能滿足黏著控制過程中的快速響應，在保證不發(fā)生空轉(zhuǎn)（滑行）的情況下，實現(xiàn)牽引力（制動力）的最大化，具有較高的實際推廣價值。

［1］ EN 15595：RAILWAY APPLICATIONS-BRAKING-WH EEL SLIDE PROTECTION［S］.

［2］ UIC 541-05-2005：Brakes-Specifications for the construction of various brake parts-Wheel Slide Protection device（WSP）［S］.

［3］ 李江紅，馬 健，彭輝水.機車黏著控制的基本原理和方法［J］.機車電傳動，2002，（6）：4-8.

［4］ 趙紅衛(wèi).機車黏著自適應控制系統(tǒng)的研究［J］.中國鐵道科學，1998，9（4）：33-40.

［5］ 顏光耀.機車全自動化空轉(zhuǎn)控制裝置的研究［J］.內(nèi)燃機車，2009，（4）：11-14.

［6］ 王 輝，肖 建.機車模糊黏著控制及其仿真研究［J］.機車電傳動，2002，（3）：19-23，43.

Locomotive Anti-slip Method Based on the Speed Control

CAI Zhiwei，GAO Lei
（Technology Development Department，CNR Dalian Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，Dalian 116022 Liaoning，China）

The present locomotive anti-slip control methods are briefly introduced，and an anti-slip control method based on the speed control is proposed.Test results show that this method based on the speed control can effectively prevent the occurrence of traction idling and brake sliding，can get maximum usage of adhesion，and can realize the all-weather anti-slip control for locomotives.

speed control；anti－slip control；traction；brake；adhesion

U260.37

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.05

1008－7842（2014）01－0028－06

5—）男，高級工程師（

2013－08－16）