列車軸控防滑制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

姚恩濤， 趙文文， 游有鵬， 趙 杰

（1.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 210016； 2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

列車軸控防滑制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

姚恩濤1， 趙文文1， 游有鵬2， 趙 杰2

（1.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 210016； 2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

介紹了基于壓電閥的列車軸控防滑制動(dòng)系統(tǒng)的組成及其試驗(yàn)平臺(tái)。研究了硅壓阻式壓力傳感器的溫度補(bǔ)償技術(shù)，以滿足室外長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的需求。選擇了基于霍爾效應(yīng)的速度傳感器并研究了傳感器性能測(cè)試方法，提出了多特征參數(shù)的指紋識(shí)別方法，并應(yīng)用于速度傳感器的故障在線診斷。以壓電閥為新型氣壓控制部件并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了壓電閥較寬的工作環(huán)境溫度范圍；調(diào)速系統(tǒng)使試驗(yàn)平臺(tái)可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中模擬列車運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了列車常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、防滑保護(hù)、故障診斷等試驗(yàn)功能。

計(jì)量學(xué)；軸控制動(dòng)；壓力傳感器；速度傳感器；壓電閥；試驗(yàn)平臺(tái)

1 引 言

列車制動(dòng)技術(shù)是保障列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。減小列車的制動(dòng)沖動(dòng)，縮短制動(dòng)距離，充分利用動(dòng)力制動(dòng)與空氣制動(dòng)構(gòu)成復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，提高制動(dòng)系統(tǒng)可靠性和安全性，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的故障檢測(cè)、診斷與報(bào)警等功能，已成為現(xiàn)代高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。軸控式制動(dòng)系統(tǒng)中，每根車軸均設(shè)置了各自的制動(dòng)控制單元，可以獨(dú)立地接受和解析指令，使得制動(dòng)力的控制更加精細(xì)化、合理化，提高制動(dòng)指令響應(yīng)速度，減少空走時(shí)間。

2 列車軸控防滑制動(dòng)系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)采用模塊化、分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由供風(fēng)系統(tǒng)、微機(jī)制動(dòng)控制單元（Micro Brack Control Unit，MBCU）、氣制動(dòng)控制單元（Pneumatic Brack Control Unit，PBCU）、速度控制系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

供風(fēng)系統(tǒng)向氣制動(dòng)單元提供風(fēng)源，MBCU是系統(tǒng)控制的核心，每個(gè)轉(zhuǎn)向架上均設(shè)置了各自的制動(dòng)控制單元，可以獨(dú)立地接收和解析來(lái)自制動(dòng)控制硬線的制動(dòng)指令信號(hào)。PBCU由氣動(dòng)閥、壓力傳感器以及溝通各個(gè)氣動(dòng)元件的氣路集成塊組成，根據(jù)制動(dòng)控制系統(tǒng)要求，由氣路集成塊內(nèi)的各個(gè)通道將各個(gè)氣動(dòng)元件彼此溝通［1］；智能監(jiān)控系統(tǒng)給制動(dòng)單元指令信號(hào)，控制列車的狀態(tài)，監(jiān)控列車的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

3 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 壓力傳感器及試驗(yàn)平臺(tái)

在車輛制動(dòng)控制過(guò)程中，制動(dòng)控制系統(tǒng)為了能夠正確地判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及準(zhǔn)確地控制制動(dòng)力，必須要及時(shí)獲知車輛的空氣彈簧壓力值和PBCU內(nèi)部氣路中關(guān)鍵點(diǎn)處的實(shí)際壓力值。

系統(tǒng)使用硅壓阻式壓力傳感器，壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成，但壓阻式壓力傳感器性能易受溫度變化的影響，壓阻效應(yīng)的大溫度系數(shù)及傳統(tǒng)方法制作電阻失配較大，使得傳感器往往具有大的靈敏度溫漂、零點(diǎn)輸出及零點(diǎn)溫漂［2］。系統(tǒng)所用帶有溫度補(bǔ)償?shù)膲毫鞲衅鞯膽?yīng)用電路如圖1所示［3］。

圖1 壓力傳感器調(diào)理電路

為了提高調(diào)理電路的線性度和實(shí)現(xiàn)理想的溫度補(bǔ)償，選用恒流源供電［4］，由A1和穩(wěn)壓管等組成。設(shè)穩(wěn)壓管的工作電壓為Ur，則提供給電橋的恒定電流的大小為：

式中：r為壓力傳感器的增益設(shè)置電阻，U1、U2為壓力傳感器的輸出。電路具有放大倍數(shù)調(diào)節(jié)方便、輸入電阻大、共模抑制比高和輸出電壓漂移小的特點(diǎn)。選用的硅壓阻式壓力傳感器通過(guò)激光修正的電阻實(shí)現(xiàn)了0～50℃的溫度補(bǔ)償，激光修正的增益調(diào)節(jié)電阻對(duì)壓阻傳感器壓阻系數(shù)的溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，調(diào)節(jié)差動(dòng)放大器的增益來(lái)校正傳感器的壓力靈敏度變化［4］。

系統(tǒng)對(duì)壓力傳感器的測(cè)試主要是指溫度輸出特

A2、A3和A4組成三運(yùn)放差分放大電路，設(shè)R6＝R7＝R8＝R9＝R10＝R11，則壓力傳感器調(diào)理電路輸出為：性即壓力傳感器在不同的溫度條件下對(duì)傳感器輸出的影響，主要是指零點(diǎn)溫漂和靈敏度溫漂［5］。壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)主要由壓力源、被測(cè)試壓力傳感器、測(cè)量電路3部分組成，它們的關(guān)系如圖2所示，傳感器的輸出幅值為1～5 V。測(cè)試點(diǎn)從室溫20～50℃的溫度范圍內(nèi)取7個(gè)溫度點(diǎn)：20、25、30、35、40、45、50，℃。每個(gè)溫度點(diǎn)下都停留約30min之后對(duì)壓力傳感器進(jìn)行測(cè)試，因此可以認(rèn)為壓力傳感器的環(huán)境溫度一致，其測(cè)量值可以反應(yīng)當(dāng)前傳感器下的溫度漂移情況。

圖2 壓力傳感器溫漂測(cè)試系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)對(duì)壓力傳感器的溫度輸出特性的試驗(yàn)，根據(jù)傳感器溫漂計(jì)算方法，以20℃為參考點(diǎn)。測(cè)得的結(jié)果如表1所示?？梢?，壓力傳感器的零點(diǎn)和靈敏度的溫度漂移較小，在列車制動(dòng)的允許范圍內(nèi)。

表1 壓力傳感器溫度漂移測(cè)試結(jié)果

3.2 速度傳感器及試驗(yàn)平臺(tái)

速度傳感器是列車防滑、正常制動(dòng)的關(guān)鍵部件，測(cè)速裝置在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位，是否能準(zhǔn)確地檢測(cè)車輪速度和減速度，將直接關(guān)系到MBCU能否對(duì)滑行進(jìn)行正確地判定，從而進(jìn)行可靠地制動(dòng)。本系統(tǒng)采用基于動(dòng)態(tài)差分霍爾效應(yīng)的齒輪速度傳感器，是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器［6］。傳感器輸出信號(hào)的頻率和齒輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系為［7］：

列車的運(yùn)行速度：

式中：z為齒輪齒數(shù)；n為齒輪轉(zhuǎn)速，r／min；r為車輪的半徑。

甄別傳感器故障的最基本的方法就是人工定期校準(zhǔn)的方法，但人工定期校準(zhǔn)不但浪費(fèi)人力、物力，而且在絕大多數(shù)情況下根本無(wú)法進(jìn)行［8］。本文針對(duì)列車轉(zhuǎn)速傳感器的故障診斷現(xiàn)狀，結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的診斷方法，在軸控列車制動(dòng)系統(tǒng)中運(yùn)用“指紋識(shí)別技術(shù)”對(duì)速度傳感器進(jìn)行故障檢測(cè)。列車速度傳感器在故障檢測(cè)模式下所輸出的波形即為具有多個(gè)特征參數(shù)的“指紋”，通過(guò)對(duì)“指紋”的識(shí)別判斷其處于的故障狀態(tài)即“指紋識(shí)別技術(shù)”，是用于傳感器的隱性故障的主動(dòng)識(shí)別。

給列車速度傳感器不同的電源信號(hào)，其輸出的信號(hào)值作為故障識(shí)別的特征信號(hào)。通過(guò)對(duì)所輸出的信號(hào)進(jìn)行特征參數(shù)值域判別，即可判別指紋是否合格，從而診斷傳感器的故障模式。速度傳感器有兩種檢測(cè)模式：轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)模式和自檢模式。對(duì)應(yīng)有3種故障模式：轉(zhuǎn)檢高電平故障，轉(zhuǎn)檢低電平故障，自檢故障，其輸出是電壓信號(hào)。對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行采集，應(yīng)用指紋分析判斷故障模式。

當(dāng)傳感器處于轉(zhuǎn)動(dòng)故障檢測(cè)模式下，輸入電源電壓VCC為速度傳感器的電源電壓為直流＋15 V，利用采集卡采集指紋得到圖3所示的結(jié)果。在低速運(yùn)行或列車停止時(shí)給速度傳感器輸入電源激勵(lì)頻率為14 Hz、幅值為15 V的方波，智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)傳感器進(jìn)行在線故障診斷，通過(guò)采集得到的指紋如圖4所示的結(jié)果。

圖3 轉(zhuǎn)檢故障特征與正常傳感器特征對(duì)比

圖4 自檢故障特征與正常特征對(duì)比

根據(jù)圖3和圖4可知：

（a）轉(zhuǎn)檢情況下，正常傳感器的輸出高電平值為（VCC－1.5）±5%，低電平值為0.6～0.8 V即為合格。而當(dāng)輸出的高電平值不在14.175～12.285 V，輸出不合格，即傳轉(zhuǎn)速感器出現(xiàn)高電平故障或低電平的值不在0.6～0.8 V之間，轉(zhuǎn)速傳感器出現(xiàn)低電平故障。

（b）自檢情況下，正常傳感器無(wú)故障輸出的信號(hào)上升沿和下跳沿都有一個(gè)下尖峰，如果這個(gè)下尖峰值和高電平的差值大于8 V，自檢才能通過(guò)，否則自檢不合格。故障時(shí)的輸出的波形高電平為12.31V，下尖峰值為4.634 V，差值為7.367 V，指紋識(shí)別為故障。

由上分析可知，利用傳感器的指紋識(shí)別技術(shù)檢測(cè)速度傳感器的性能好壞，及時(shí)找出存在故障隱患的傳感器，可以有效提高制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

3.3 壓電閥及試驗(yàn)平臺(tái)

壓電比例閥是氣制動(dòng)單元的核心，制動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)壓電主控單元實(shí)現(xiàn)電-氣命令的轉(zhuǎn)換，以及氣流量的放大。選擇壓電閥作為電氣轉(zhuǎn)換單元，相比于電磁閥反應(yīng)更靈敏，能夠避免電磁干擾的影響，極大地提高了系統(tǒng)的性能，從而保證了控制系統(tǒng)的可靠性。按照MBCU制動(dòng)命令要求，在常用制動(dòng)模式下，壓電比例閥輸出可調(diào)的制動(dòng)壓力；在緊急模式下，壓電比例閥以其高速響應(yīng)能力［9］，在最短的時(shí)間內(nèi)，向基礎(chǔ)制動(dòng)單元輸出所需的最大制動(dòng)壓力；在車輛出現(xiàn)滑行狀態(tài)時(shí)，壓電比例閥也能夠?qū)χ苿?dòng)壓力做出快速地調(diào)整，使車輛粘著得到及時(shí)恢復(fù)。

由于列車制動(dòng)系統(tǒng)工作在室外環(huán)境下，環(huán)境溫度變化較大，而壓電閥又為制動(dòng)系統(tǒng)的控制核心，外界環(huán)境溫度是否會(huì)對(duì)壓電晶片的性能產(chǎn)生影響使其失效，所以有必要對(duì)其進(jìn)行環(huán)境溫度試驗(yàn)。

本文把壓電比例閥放入環(huán)境試驗(yàn)箱中控制模擬環(huán)境溫度，空壓泵提供給壓電閥氣源，經(jīng)過(guò)濾、穩(wěn)壓處理后接入進(jìn)氣口，出氣口接制動(dòng)缸，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集壓電比例閥的輸出，如圖5所示?？刂茰囟确謩e在－50℃、－40℃、－30℃、－20℃、10℃、0℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃。當(dāng)達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)停留30 min時(shí)以保證壓力閥內(nèi)部與外界溫度一致再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。輸入2 V的階躍信號(hào)，觀察壓電比例閥的階躍響應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖5 壓電閥的環(huán)境溫度試驗(yàn)裝置系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，低溫或高溫，壓電閥的時(shí)間常數(shù)，以及進(jìn)入控制誤差范圍的響應(yīng)時(shí)間略有增加，但是仍然可以滿足控制系統(tǒng)的要求，驗(yàn)證了壓電比例閥具有較寬的工作環(huán)境溫度范圍。

圖6 壓電閥在不同環(huán)境溫度下的響應(yīng)曲線

3.4 模擬速度試驗(yàn)平臺(tái)

由于受實(shí)驗(yàn)條件所限，不能將制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行裝車測(cè)試，需要模擬一個(gè)列車運(yùn)行的虛擬環(huán)境，實(shí)時(shí)地將列車運(yùn)行時(shí)的各個(gè)參數(shù)發(fā)送給制動(dòng)系統(tǒng)，令其根據(jù)具體車況及操作指令進(jìn)行相應(yīng)的操作。本模塊負(fù)責(zé)模擬列車運(yùn)行的速度環(huán)境，采用西門子變頻器基于RS485接口的USS協(xié)議驅(qū)動(dòng)電機(jī)齒輪，模擬實(shí)際車輪轉(zhuǎn)動(dòng)［10］，采用速度傳感器測(cè)速，MBCU單元采集并進(jìn)行速度判斷，如圖7示。

圖7 模擬速度試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖8 制動(dòng)曲線

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，模擬了如圖8所示這樣一條在緊急制動(dòng)情況下的車輪速度作為測(cè)試依據(jù)的制動(dòng)曲線，測(cè)試實(shí)際速度是否和該曲線一致。根據(jù)列車在線運(yùn)行的情況，當(dāng)加速度a大于1.2 m／s2時(shí)出現(xiàn)滑動(dòng)，需要降低制動(dòng)力；0.8～1.2 m／s2為正常緊急制動(dòng)區(qū)間，需要維持制動(dòng)力；小于0.8 m／s2則制動(dòng)力過(guò)小，需要增加制動(dòng)力，防止車輛出現(xiàn)滑行。

4 總 結(jié)

整個(gè)系統(tǒng)可以完成的基本功能：常用制動(dòng)控制、電空聯(lián)合制動(dòng)控制、緊急制動(dòng)控制、防滑保護(hù)等。選擇高性能的壓電閥，對(duì)壓力傳感器溫度漂移測(cè)試，對(duì)速度傳感器提出基于多特征參數(shù)的“指紋識(shí)別”技術(shù)的故障診斷方法等，都可以有效地避免災(zāi)難性事故的發(fā)生，提高設(shè)備利用率，使設(shè)備由被動(dòng)維修向預(yù)知性維修發(fā)展，證明了設(shè)計(jì)的軸控系統(tǒng)的高可靠性。

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Design on Experimental Platform of the Brake and
Anti-skid Braking System for Metro Based on Single Axle Control

YAO En-tao1， ZHAOWen-wen1， YOU You-peng2， ZHAO Jie2
（1.College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics＆Astronautics，Nanjing，Jiangsu 210016，China；
2.CMEE，Nanjing University of Aeronautics＆Astronautics，Nanjing，Jiangsu 210016，China）

The anti-skid braking system components based on the piezoelectric valve and train axle control is introduced，and the testing platform of the anti-skid braking system is designed.The temperature compensation of the silicon piezoresistive pressure sensor are researched，in order tomeet the needs of stable long-term of outdoor.The velocity sensor based on Hall effect is chosen tomeasure the speed of the train.Themethod of characteristic parameters of the fingerprint identification is put forward，and applied to speed sensor of the online fault diagnosis.The piezoelectric valve is also used as the new pneumatic control components and wide ambient temperature applicability of the piezoelectric valve is verified.The speed control system of the gearmade it possible for the simulation testing platform to simulate the status of a train.It can simulate train braking，emergency braking，anti-slip protection，fault diagnostics and other functions.

Metrology；Brake system based on axle control；Pressure sensor；Velocity sensor；Piezoelectric valve；Test platform

TB93

A

1000-1158（2014）05-0474-05

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．05．14

2012-07-24；

2012-11-23

江蘇省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（BE2010191）

姚恩濤（1965－），男，浙江鄞縣人，南京航空航天大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控和傳感器技術(shù)。entaoyao＠nuaa.edu.cn