廣州地鐵速度120 km/h車輛自主牽引系統(tǒng)防滑控制策略優(yōu)化

高 偉, 鄭 玄

(廣州市地下鐵道總公司 運(yùn)營事業(yè)總部車輛新線部， 廣州廣東 510310)

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廣州地鐵速度120 km/h車輛自主牽引系統(tǒng)防滑控制策略優(yōu)化

高 偉, 鄭 玄

(廣州市地下鐵道總公司 運(yùn)營事業(yè)總部車輛新線部， 廣州廣東 510310)

闡述了地鐵車輛輪軌間的黏著特性，介紹了廣州地鐵3號(hào)線120 km/h車輛自主牽引系統(tǒng)的黏著控制策略，重點(diǎn)對(duì)列車防滑控制邏輯進(jìn)行分析，包括滑行檢測邏輯和力矩減載恢復(fù)邏輯。試驗(yàn)表明，自主牽引系統(tǒng)的防滑控制邏輯能有效檢測到滑行現(xiàn)象，及時(shí)對(duì)力矩進(jìn)行調(diào)整，有效提高了黏著控制性能。

地鐵列車； 120 km/h； 自主牽引系統(tǒng)； 防滑控制

廣州地鐵3號(hào)線列車采用的是4動(dòng)2拖6節(jié)編組地鐵B型車輛，最高速度120 km/h，其中1列車為國內(nèi)首次開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的B型地鐵120km/h的牽引系統(tǒng)，最初設(shè)計(jì)的防滑控制邏輯在列車試驗(yàn)過程中多次發(fā)生無法準(zhǔn)確監(jiān)控或有效防止列車滑行的現(xiàn)象。為此，經(jīng)過研究、優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證，探索出了適應(yīng)于120 km/h車輛自主牽引系統(tǒng)的防滑控制邏輯。

1 防滑控制邏輯原理

迫使地鐵車輛減速的制動(dòng)力是由車輪和鋼軌間的切向相對(duì)運(yùn)動(dòng)傳遞的。在一定范圍內(nèi)，隨著這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度增大，輪軌間能夠有效傳遞的制動(dòng)力也增大；但是當(dāng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度超過某一閾值后，能夠傳遞的制動(dòng)力將不再增大而是迅速減少。黏著特性就是指能夠傳遞的制動(dòng)力與車輪和車體的切向相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度(下稱蠕滑速度)之間的關(guān)系[1]。制動(dòng)時(shí)，蠕滑速度vs與車輪速度vwheel和列車速度vvehicle的關(guān)系如下[2]：

黏著系數(shù)μ定義為列車能夠有效發(fā)揮的制動(dòng)力F與列車軸重M之比[3]：

圖1給出了不同路況的下的黏著特性曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，雖然不同路況下的曲線互不相同，但在各種路況下都存在黏著系數(shù)最大值μmax。記μmax對(duì)應(yīng)的蠕滑速度為vSopt，稱(vSopt,μmax)為最佳黏著點(diǎn)，如圖1中的A、B點(diǎn)。顯然，不同路況下對(duì)應(yīng)的最佳黏著點(diǎn)也不同，并且只有當(dāng)黏著系數(shù)為最大值μmax時(shí)，輪軌間能夠傳遞的制動(dòng)力最大。因此，為了使列車在各種路況下都能夠有效發(fā)揮制動(dòng)力，列車必須運(yùn)行在當(dāng)前路況下的最佳黏著點(diǎn)[4]。黏著控制的目標(biāo)就是在機(jī)車運(yùn)行過程中，使實(shí)際的黏著系數(shù)盡量逼近于當(dāng)時(shí)路況的黏著系數(shù)最大值μmax，從而獲得最大的平均制動(dòng)力[5]。

圖1 不同路況下的黏著特性曲線

目前普遍采用的黏著控制方法有校正法、蠕滑速度法(可以分為直接法、間接法)、黏著斜率法等[6-7]。隨著黏著控制理論和工程化的不斷發(fā)展，各種新型黏著控制方法被相繼提出，黏著控制性能得到不斷完善。為了將廣州地鐵3號(hào)線120 km/h地鐵車輛自主牽引系統(tǒng)的黏著控制性能提高到一個(gè)更高的水平，提出了新的防滑控制邏輯。

2 速度120 km/h列車防滑控制邏輯的分析

2.1 原有防滑控制邏輯

原有防滑控制邏輯采用校正法，通過采集輪對(duì)電機(jī)速度和列車參考速度，計(jì)算電機(jī)減速度和減速度微分，同時(shí)計(jì)算輪對(duì)間的速度差和電機(jī)與參考速度之差(即蠕滑速度)，然后分別利用以上指標(biāo)進(jìn)行防滑控制。防滑控制模塊包括輪對(duì)減速度保護(hù)模塊、輪對(duì)減速度微分保護(hù)模塊、輪對(duì)速度差保護(hù)模塊、輪對(duì)蠕滑速度保護(hù)模塊，分別介紹如下。

(1)輪對(duì)減速度保護(hù)模塊

減速度保護(hù)控制是通過檢測輪對(duì)減速度a是否超出設(shè)定的閾值a0，并在輪對(duì)減速度超出設(shè)定的閾值a0時(shí)，根據(jù)減速度的大小降低電制動(dòng)力矩設(shè)定值以抑制或防止滑行現(xiàn)象的發(fā)生，如圖2所示。

圖2 減速度保護(hù)功能圖

(2)輪對(duì)減速度微分保護(hù)模塊

輪對(duì)減速度微分保護(hù)的基本原理是通過計(jì)算和監(jiān)測輪對(duì)減速度微分保護(hù)閾值與減速度微分的差值Δ，按照圖3所示的控制算法進(jìn)行黏著控制，實(shí)現(xiàn)最佳的黏著利用控制。

圖3 減速度微分保護(hù)功能圖

(3)蠕滑速度保護(hù)模塊

蠕滑速度保護(hù)的基本原理是通過計(jì)算比較拖車速度(網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出的列車綜合速度)和輪對(duì)速度之間的差值，并根據(jù)差值按照一定的關(guān)系調(diào)整電制動(dòng)力矩設(shè)定值，使得地鐵車輛在發(fā)生滑行時(shí)能夠從這些狀態(tài)中迅速退出并重新恢復(fù)黏著，如圖4所示。

圖4 蠕滑速度保護(hù)功能圖

(4)輪對(duì)速度差保護(hù)模塊

當(dāng)車輛任意兩輪對(duì)間的速度差|Δv|大于設(shè)定閾值Δvgate時(shí)，認(rèn)為車輛已發(fā)生較大滑行，將電制動(dòng)力矩設(shè)定值迅速降低，如圖5所示。

圖5 輪對(duì)速度差保護(hù)功能圖

(5)黏著力矩輸出模塊

黏著力矩輸出為綜合以上各個(gè)環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)后的輸出和來自控制系統(tǒng)的力矩設(shè)定值產(chǎn)生最終的來自電機(jī)逆變器的力矩設(shè)定值，如圖6所示。

圖6 黏著力矩輸出計(jì)算

2.2 優(yōu)化后防滑控制邏輯

優(yōu)化的防滑控制邏輯仍然采用校正法，但力矩調(diào)節(jié)反應(yīng)速度和調(diào)節(jié)幅度均有較大改善，同樣通過采集輪對(duì)電機(jī)速度和列車參考速度，計(jì)算電機(jī)減速度，同時(shí)計(jì)算輪對(duì)間的速度差和電機(jī)與參考速度之差(即蠕滑速度)，取消電機(jī)減速度微分保護(hù)功能，分別利用以上指標(biāo)進(jìn)行防滑控制。由于原有的減速度微分保護(hù)中的減速度微分是通過減速度再次微分計(jì)算得到的，誤差會(huì)有所增大，容易對(duì)防滑判斷產(chǎn)生負(fù)面影響，且在調(diào)試過程中減速度微分保護(hù)過于超前保護(hù)，因此，優(yōu)化后的防滑控制邏輯取消了減速度微分保護(hù)。防滑控制模塊除取消電機(jī)減速度微分保護(hù)模塊外，保留了輪對(duì)減速度保護(hù)模塊、輪對(duì)速度差保護(hù)模塊、輪對(duì)蠕滑速度保護(hù)模塊，并對(duì)滑行檢測邏輯和力矩減載和恢復(fù)策略進(jìn)行了優(yōu)化，各個(gè)模塊的優(yōu)化分別介紹如下。

(1)輪對(duì)減速度保護(hù)模塊優(yōu)化

減速度保護(hù)控制的原理與原有基本一致，但減速度保護(hù)閾值a0由原來的固定不變值優(yōu)化為根據(jù)速度等級(jí)動(dòng)態(tài)變化值，即：

a0=f(v)

力矩調(diào)整策略由原來的固定斜率減載優(yōu)化為通過減速度實(shí)際值a與減速度保護(hù)閾值a0之差Δ作為力矩減載大小的參數(shù)，即目前減速度保護(hù)模塊的力矩減載大小與Δ相關(guān)，即：

(2)蠕滑速度保護(hù)模塊優(yōu)化

蠕滑速度保護(hù)的原理與原有基本一致，但蠕滑速度保護(hù)閾值b0由原來的固定不變值優(yōu)化為根據(jù)蠕滑率大小動(dòng)態(tài)變化值，即：

b0=f(vr)

力矩調(diào)整策略由原來的固定斜率減載優(yōu)化為使用蠕滑速度大小作為力矩減載大小的參數(shù)，即目前蠕滑速度保護(hù)模塊的力矩減載大小與vr相關(guān)，即：

(3)輪對(duì)速度差保護(hù)模塊優(yōu)化

輪對(duì)速度差保護(hù)的原理與原有基本一致，只調(diào)小了保護(hù)閾值，使得輪對(duì)速度差保護(hù)更加嚴(yán)格。

輪對(duì)速度差保護(hù)的力矩調(diào)整策略由原來的固定斜率減載優(yōu)化為使用速度差大小作為力矩減載大小的參數(shù)，即目前蠕滑速度保護(hù)模塊的力矩減載大小與Δv相關(guān)，即：

(4)黏著力矩輸出模塊優(yōu)化

當(dāng)前黏著力矩輸出模塊與原有模塊有不同，當(dāng)前模塊是利用采集和計(jì)算得到的判據(jù)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)單獨(dú)判斷后的調(diào)整值進(jìn)行一定的加權(quán)，該加權(quán)值綜合了各個(gè)環(huán)節(jié)判斷時(shí)的嚴(yán)重程度，使得力矩減載更加合理，也大大減少了誤判滑行的概率。

3 調(diào)試與優(yōu)化效果

3.1 調(diào)試過程中解決的問題

(1)解決干軌條件下偶爾出現(xiàn)力矩減載的問題

通過對(duì)滑行判斷條件的優(yōu)化，具有一定的干軌條件識(shí)別功能，使得判斷更準(zhǔn)確。

(2)解決濕軌條件下黏著力矩卸載幅度、波動(dòng)比較大的問題

通過調(diào)整黏著力矩的卸載和恢復(fù)斜率，并且閾值具有一定的動(dòng)態(tài)變化，使得力矩卸載波動(dòng)變得平緩。

(3)解決濕軌條件下電制動(dòng)力切除問題

通過將電制動(dòng)工況下黏著判斷的閾值進(jìn)行一定的調(diào)整，黏著力矩發(fā)揮在原有基礎(chǔ)上有所提高，并且放寬邏輯切除電制動(dòng)的條件，使得在濕軌條件下電制動(dòng)不再被切除。

3.2 優(yōu)化效果

黏著控制方案在120 km/h地鐵車輛進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，分別在干燥軌面和灑水軌面上進(jìn)行了防滑試驗(yàn)，灑水試驗(yàn)時(shí)水中含有5%的增滑劑，圖7和圖8分別是干軌條件和濕軌條件的試驗(yàn)波形，由波形可知，干軌條件下未出現(xiàn)力矩減載，濕軌條件下力矩減載平穩(wěn)，波動(dòng)幅度不大，試驗(yàn)過程中車輛運(yùn)行平穩(wěn)。

目前，一般通過黏著利用效率來衡量和評(píng)估在當(dāng)前軌面條件下黏著力矩發(fā)揮效果，黏著利用效率公式如下：

經(jīng)驗(yàn)證，干軌條件下黏著利用率達(dá)到95%以上，電制動(dòng)力矩設(shè)定值未超出能發(fā)揮的最大黏著力矩；濕軌條件下黏著利用率達(dá)到85%以上，完全符合試驗(yàn)要求。

圖7 120 km/h防滑試驗(yàn)數(shù)據(jù)波形(干軌)

圖8 120 km/h防滑試驗(yàn)數(shù)據(jù)波形(濕軌)

4 結(jié)束語

通過對(duì)原有防滑控制邏輯的進(jìn)一步優(yōu)化，應(yīng)用于廣州地鐵3號(hào)線120 km/h地鐵車輛自主牽引系統(tǒng)的黏著控制性能有了較大幅度的提升，其在各速度等級(jí)下的AW0和AW2濕軌條件下黏著利用率均大于85%，完全滿足試驗(yàn)要求。通過優(yōu)化判斷閾值，提高了黏著判斷滑行準(zhǔn)確率，改善了滑行情況下黏著力發(fā)揮能力。后續(xù)應(yīng)用表明，優(yōu)化后的黏著控制方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)路況變化的能力，黏著力矩變化平穩(wěn)，有利于減少輪對(duì)損耗，提高軌道車輛的性能和舒適度。

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Optimization of Anti-skid Control Strategy for Guangzhou Metro 120 km/h Vehicle Independent Traction System

GAOWei,ZHENGXuan

(New Line of Vehicles Department, Operation Division, Guangzhou metro Corporation, Guangzhou 510310 Guangdong, China)

The paper presents the characteristic of adhesion between wheel and rail of metro vehicle, and introduces the adhesion control strategy of 120 km/h metro vehicle independent traction system on Guangzhou line 3. It specially analyzes the anti-skid control logic, including slide detection logic and torque load reduction recovery logic. Tests results that the slide phenomenon can be detected effectively torque can be adjusted timely by the anti-skid control logic, and the adhesion control performance can be improved effectively.

metro vehicle; 120 kph; independent traction system; anti-skid control

1008-7842 (2015) 03-0127-04

男，工程師(

2015-02-11)

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.31