基于LabVIEW的地鐵列車牽引制動模擬試驗(yàn)臺設(shè)計

陳 超，王月明，王 立，楊 凱

（1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 成都 610031；2. 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)車車輛學(xué)院， 南京 210031）

地鐵列車作為運(yùn)輸設(shè)備，是地鐵系統(tǒng)最為重要的組成部分之一。地鐵列車在區(qū)間運(yùn)行時由起動加速、惰行和制動過程組成，由于起動和制動加速度較大，地鐵列車的起動加速性能和制動性能要求較高。因此，在教學(xué)和培訓(xùn)中需要對地鐵列車的運(yùn)行過程，特別是起動加速、惰行、制動3種工況進(jìn)行深入的模擬研究[1]。目前的地鐵列車運(yùn)行模擬方式多側(cè)重于數(shù)值仿真，不夠形象直觀，并且缺乏車輛運(yùn)行的整體效果，難以適應(yīng)課堂教學(xué)和演示的需要[2-3]。

本文介紹一種基于LabVIEW的地鐵列車牽引制動模擬試驗(yàn)臺，該裝置能夠模擬地鐵列車起動加速、惰行、制動過程的運(yùn)行狀態(tài)，形象地反映出地鐵列車牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的工作方式，在給出的起始條件下預(yù)測和仿真地鐵列車的整個運(yùn)行過程。

1 模擬試驗(yàn)臺總體方案

1.1 試驗(yàn)臺組成

模擬試驗(yàn)臺由計算機(jī)和模擬裝置組成，其中，模擬裝置按照功能可以分成3個部分：牽引部分、制動部分和監(jiān)測部分。牽引部分由變頻器、交流減速電機(jī)和制動圓盤組成；制動部分由程控電源、電動推桿和制動夾鉗裝置組成；監(jiān)測部分由數(shù)據(jù)采集卡、反射式光電傳感器和壓力傳感器組成。模擬裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖2 試驗(yàn)臺實(shí)物

1.2 試驗(yàn)臺設(shè)計原理

模擬試驗(yàn)臺可以模擬地鐵列車的運(yùn)行狀態(tài)以及其牽引裝置、制動裝置的工作情況。地鐵列車的運(yùn)行狀態(tài)指列車的速度大小與時間的關(guān)系。在本模擬試驗(yàn)臺中，制動圓盤的轉(zhuǎn)速模擬列車的速度，三相交流電機(jī)模擬列車的牽引裝置，制動夾鉗模擬列車的盤式制動裝置。

從能量的角度看，用制動圓盤的轉(zhuǎn)速來模擬車輛的速度，就是用制動圓盤的動能模擬列車的動能，由此建立慣性等效模型[4-5]。

地鐵列車在空間內(nèi)平動，式（1）為列車一節(jié)車廂的動能表達(dá)式。

式（1）中：

E—列車一節(jié)車廂的動能（J）；

M—列車一節(jié)車廂的質(zhì)量（kg）；

γ—回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；

ν —列車的運(yùn)行速度（m/s）。

制動圓盤繞著交流電機(jī)的軸線作定軸轉(zhuǎn)動，式（2）為其動能表達(dá)式。

式（2）中：

E—電機(jī)–制動圓盤系統(tǒng)的動能（J）；

J—電機(jī)–制動圓盤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量（km?m2）；

ω—制動圓盤的角速度（rad/s）。

由于地鐵具有的動能遠(yuǎn)大于制動圓盤系統(tǒng)所具有的動能，故引入比例系數(shù)k，令地鐵1節(jié)車的動能為制動圓盤動能的k倍，見式（3）。

在試驗(yàn)臺的設(shè)計中，讓制動圓盤的轉(zhuǎn)速與實(shí)車車輪的轉(zhuǎn)速相等。由于地鐵列車的制動盤就安裝在車輪軸上，這樣制動圓盤的轉(zhuǎn)速就與實(shí)車制動盤的轉(zhuǎn)速相等，能夠更加真實(shí)地模擬地鐵列車制動系統(tǒng)的工作情況。由此得到式（4）。

式（4）中：

ν —列車運(yùn)行速度（m/s）；

ω—車輪的角速度，即制動圓盤的角速度（rad/s）；

D—地鐵車輪的直徑（m）。

由于地鐵車輪的直徑會隨著使用中的磨損逐漸變小，所以當(dāng)車速一定時，車輪直徑小的角速度高。當(dāng)列車速度為80 km/h時，不同車輪直徑對應(yīng)的車輪轉(zhuǎn)速n見表1。

表1 車速為80 km/h時車輪轉(zhuǎn)速與輪徑對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)表1可得，列車以80 km/h的速度運(yùn)行，當(dāng)車輪磨耗到限時，轉(zhuǎn)速達(dá)到551 rpm的最大值，此時制動圓盤需要達(dá)到551 rpm的轉(zhuǎn)速。通過調(diào)整變頻器的輸出頻率，三相交流電機(jī)可以達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速為653.4 rpm，本試驗(yàn)臺在該轉(zhuǎn)速下可以模擬地鐵列車速度為95 km/h時的運(yùn)行情況。

在地鐵列車起動加速、惰行、制動的不同工況下，通過對三相交流電機(jī)和制動夾鉗裝置的控制實(shí)現(xiàn)制動圓盤的轉(zhuǎn)速與實(shí)車車輪轉(zhuǎn)速相等、制動夾鉗與實(shí)車盤式制動裝置工作狀態(tài)相似，達(dá)到數(shù)值仿真和實(shí)物模擬相結(jié)合的目的。

1.3 系統(tǒng)硬件選擇

地鐵列車牽引制動模擬試驗(yàn)臺由計算機(jī)作為人機(jī)交互界面，用以設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)，觀察設(shè)備運(yùn)行狀況，其硬件的結(jié)構(gòu)原理方框圖如圖3所示。計算機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能及向下級設(shè)備發(fā)送指令；數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入口采集壓力傳感器傳送的壓力信號；模擬輸出口發(fā)送0～10 V控制信號給變頻器，從而控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速；計數(shù)器口接光電式傳感器，計算圓盤的實(shí)際轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對速度的閉環(huán)控制；數(shù)字輸出口搭配繼電器用以控制交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和直流電動推桿的行進(jìn)方向；程控電源與計算機(jī)通過串口相連，用以控制直流電動推桿電壓電流的大小，即制動力的大小。

試驗(yàn)臺采用了反射式光電傳感器來測量制動圓盤的轉(zhuǎn)速。通過在制動圓盤外緣粘貼黑白相間的條紋產(chǎn)生脈沖，計量單位時間的脈沖個數(shù)推算出交流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。在測量閘片對制動圓盤的壓力時，將電動推桿與彈簧測力計首尾相連，可以在彈簧測力計上直接讀出示數(shù)，即制動圓盤與閘片間的壓力。測量制動圓盤和閘片間的摩擦力時，將壓力傳感器固定在制動夾鉗的支座上，壓力傳感器讀數(shù)的變化量即可反映兩側(cè)閘片受到的摩擦力。在控制直流電動推桿的動作時，由于程控電源并不能直接改變電流的方向，故采用了2個兩閉兩開繼電器組合的方式實(shí)現(xiàn)電動推桿的換向操作。表2所示為本試驗(yàn)臺涉及的各硬件的型號。

圖3 試驗(yàn)臺硬件結(jié)構(gòu)原理方框圖

表2 試驗(yàn)臺各硬件型號

2 模擬試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)搭建

地鐵列車牽引制動模擬試驗(yàn)臺控制程序的開發(fā)通過LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)。LabVIEW使用的是圖形化編程方式，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。具有開發(fā)周期短，程序結(jié)構(gòu)直觀的特點(diǎn)[6]，有較好的儀器控制能力和數(shù)據(jù)處理能力，可增強(qiáng)試驗(yàn)臺的實(shí)用性和為二次開發(fā)提供更為便利的條件。

試驗(yàn)臺的控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以分為兩個部分：（1）用戶交互界面；（2）后臺應(yīng)用程序。

2.1 用戶交互界面設(shè)計

用戶交互界面在計算機(jī)上直觀地顯示為主窗口界面，它直接與用戶進(jìn)行交互。該部分主要功能為設(shè)定試驗(yàn)臺仿真的參數(shù)，包括列車的質(zhì)量、功率、線路條件等；實(shí)時顯示與存儲相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括圓盤的轉(zhuǎn)速、閘片的壓力與制動力等，如圖4所示。通過用戶交互界面還可以實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)臺的實(shí)時控制，通過牽引、惰行和制動指令的切換，實(shí)現(xiàn)列車在區(qū)間內(nèi)多工況連續(xù)運(yùn)行的模擬。在試驗(yàn)結(jié)束后，可以保存和提取所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步分析。

圖4 用戶交互界面

2.2 后臺應(yīng)用程序設(shè)計

該部分包括交流電機(jī)控制程序、電動推桿控制程序、數(shù)據(jù)監(jiān)測程序以及列車運(yùn)行狀態(tài)仿真程序。本部分是整個試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)的核心，圖5所示為后臺應(yīng)用程序的流程圖。在一個仿真周期內(nèi)，數(shù)據(jù)監(jiān)測程序測量制動圓盤轉(zhuǎn)速等物理量，輸入列車運(yùn)行狀態(tài)仿真程序，計算得到各個時刻閘片壓力和圓盤轉(zhuǎn)速的理論值。當(dāng)理論值與實(shí)測值不同時，交流電機(jī)控制程序和電動推桿控制程序控制試驗(yàn)臺的相關(guān)部件工作，直至實(shí)測值與理論值相符合。當(dāng)制動圓盤轉(zhuǎn)速為0時，表示列車完成了一個區(qū)間的連續(xù)運(yùn)行，該仿真周期結(jié)束。

圖5 后臺應(yīng)用程序流程圖

交流電機(jī)的控制通過計算機(jī)和變頻器實(shí)現(xiàn)。列車運(yùn)行狀態(tài)仿真程序計算出某時刻制動圓盤所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，經(jīng)過交流電機(jī)控制程序處理后，將轉(zhuǎn)速模擬信號輸入變頻器的電壓頻率變換（VF）口，其輸入電壓0～10 V對應(yīng)變頻器輸出頻率0～50 Hz；將轉(zhuǎn)向數(shù)字信號分別輸入變頻器的正向運(yùn)行/停止（FWD）和反向運(yùn)行/停止（REV）口[7]。

電動推桿的控制通過計算機(jī)、程控電源以及兩個繼電器配合實(shí)現(xiàn)。程控電源與計算機(jī)通過串口線相連，通過串口的讀寫實(shí)現(xiàn)對程控電源輸出值的控制?？刂瞥绦虻闹黧w為一個LabVIEW事件，其可以通過控制電壓電流大小來實(shí)時改變電動推桿的推力。由于程控電源響應(yīng)時間有所限制，故在每個事件開始前均設(shè)置了50 ms的延時[8]。電動推桿通過兩個反向連接的繼電器實(shí)現(xiàn)換向操作，體現(xiàn)在實(shí)車上即制動的施加與緩解的過程。

數(shù)據(jù)監(jiān)測程序?qū)崿F(xiàn)了對試驗(yàn)臺運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時采集與回傳，包括了對制動圓盤轉(zhuǎn)速、制動力、變頻器輸出頻率等測量的子程序。所采用的程序即是通常的數(shù)據(jù)采集模塊。

列車運(yùn)行狀態(tài)仿真程序是根據(jù)在用戶交互界面中輸入的列車及線路的信息，計算出列車的速度隨時間的變化關(guān)系。根據(jù)慣性等效模型，地鐵車輪的轉(zhuǎn)速即為試驗(yàn)臺制動圓盤的轉(zhuǎn)速。將此計算結(jié)果作為所需的目標(biāo)轉(zhuǎn)速輸入交流電機(jī)控制程序中，實(shí)現(xiàn)制動圓盤模擬實(shí)車運(yùn)動狀態(tài)的效果。

由于地鐵列車實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)包括起動加速、惰行、制動過程，因此列車運(yùn)行狀態(tài)仿真程序也包含了起動加速、惰行、制動3種模式，并可以在一次連續(xù)的模擬過程中任意切換。圖6為列車運(yùn)行狀態(tài)仿真程序的流程圖。通過輸入的列車信息與線路信息計算出該狀態(tài)下列車的受力情況，積分得到車速、里程等數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)車速為0時，表示列車完成了一個區(qū)間的連續(xù)運(yùn)行，一個仿真周期結(jié)束。

3 地鐵列車運(yùn)行狀態(tài)模擬效果

通過用戶交互界面輸入車輛及線路的信息后，進(jìn)行地鐵列車運(yùn)行狀態(tài)的仿真試驗(yàn)。從靜止開始進(jìn)入起動加速模式，一段時間后轉(zhuǎn)入惰行模式，最后轉(zhuǎn)入制動模式直至停止，模擬了地鐵列車在一個區(qū)間里的運(yùn)行情況。在這個過程中，牽引力和制動減速度可以隨時調(diào)節(jié)，線路坡度也隨里程變化，試驗(yàn)臺上制動圓盤轉(zhuǎn)速與實(shí)車車輪轉(zhuǎn)速保持同步，達(dá)到了數(shù)值仿真和實(shí)物模擬的效果。圖7、圖8為不同條件下模擬列車在一個區(qū)間的運(yùn)行情況。

圖6 列車運(yùn)行狀態(tài)仿真程序流程圖

圖7 列車牽引力為100%，制動減速度為1 m/s2時的運(yùn)行情況

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于LabVIEW開發(fā)的地鐵列車牽引制動模擬試驗(yàn)臺，介紹了試驗(yàn)臺的組成及控制系統(tǒng)的搭建方式。實(shí)踐證明，其能夠模擬地鐵列車不同的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)了實(shí)物模擬和數(shù)值仿真相結(jié)合的效果。本試驗(yàn)臺采用了圖形化的編程方式，人機(jī)交互友好，適于課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)演示，具有一定的適用價值。

圖8 列車牽引力為50%，制動減速度為0.5 m/s2時的運(yùn)行情況