電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真分析平臺(tái)設(shè)計(jì)

吳萌嶺 雷馳

摘 要：EMB系統(tǒng)是一種全新的制動(dòng)系統(tǒng)。在其設(shè)計(jì)初期，為避免地面試驗(yàn)所產(chǎn)生的高額費(fèi)用，同時(shí)保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，采用硬件在環(huán)仿真分析平臺(tái)。該平臺(tái)由仿真部分和硬件部分組成，仿真部分包括列車模型和人機(jī)交互界面，硬件部分主要由 8 個(gè)電機(jī)械制動(dòng)裝置和 2 個(gè)基于 NI-PXI 的制動(dòng)控制器組成，利用數(shù)據(jù)采集卡和 MVB 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)仿真部分與硬件部分的信號(hào)傳輸。試驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺(tái)能夠較好地模擬 EMB 系統(tǒng)的制動(dòng)行為，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供一定的支持。

關(guān)鍵詞：軌道交通;EMB 系統(tǒng); HIL;建模;仿真;分析平臺(tái);設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U270.35

電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（EMB）是一種全新的制動(dòng)系統(tǒng)，在開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)制動(dòng)力控制、制動(dòng)力分配、防滑控制等問題，需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐。在傳統(tǒng)的空氣制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，部分研究人員通過線路試驗(yàn)獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證研究結(jié)果。但在真實(shí)列車上進(jìn)行制動(dòng)測(cè)試需要大量的資源，如硬件（火車、線路等）、能源、人力和財(cái)力，以及一些與制動(dòng)相關(guān)的參數(shù)，如閘瓦摩擦系數(shù)、列車運(yùn)行阻力、黏著系數(shù)等，很難達(dá)到要求的設(shè)定值。另外，制動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，若基于純仿真研究，在建模過程中需要對(duì)仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，導(dǎo)致仿真結(jié)果存在失真的可能。為克服線路試驗(yàn)和純仿真的不足，本文介紹一種EMB系統(tǒng)硬件在環(huán)（HIL）仿真分析平臺(tái)，其列車和線路條件由仿真模型提供，成本遠(yuǎn)低于線路試驗(yàn);其制動(dòng)系統(tǒng)是真實(shí)的硬件，能夠充分考慮制動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和非線性，可以提供更可靠的試驗(yàn)結(jié)果。

1 HIL仿真分析平臺(tái)硬件組成及工作原理

EMB系統(tǒng)HIL仿真分析平臺(tái)的結(jié)構(gòu)拓?fù)浼皩?shí)物分別如圖1和圖2所示。該試驗(yàn)臺(tái)的組成及工作原理概括如下。

（1）整個(gè)仿真分析平臺(tái)由仿真部分、硬件部分以及數(shù)據(jù)采集卡/MVB網(wǎng)絡(luò)組成。

（2）試驗(yàn)臺(tái)仿真部分由基于Labview編程的人機(jī)交互界面（GUI）以及基于MATLAB/Simulink編程的列車系統(tǒng)模型和電制動(dòng)模型組成，界面與模型均搭載于試驗(yàn)臺(tái)中的一部工控機(jī)上。仿真部分的主要作用是為驗(yàn)證試驗(yàn)提供虛擬列車（1動(dòng)1拖，2節(jié)編組）、虛擬的列車運(yùn)行環(huán)境以及電制動(dòng)力，同時(shí)還具備顯示、保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)的功能。

（3）試驗(yàn)臺(tái)硬件部分包括司機(jī)控制器和EMB系統(tǒng)。其中司機(jī)控制器用于產(chǎn)生制動(dòng)指令。EMB系統(tǒng)主要包括2個(gè)制動(dòng)控制器和8個(gè)電機(jī)械制動(dòng)裝置，其主要功能是為虛擬車輛提供所需的電機(jī)械制動(dòng)力。制動(dòng)控制器的硬件基于NI-PXI實(shí)時(shí)仿真控制器實(shí)現(xiàn)，軟件基于Labview編程實(shí)現(xiàn)。在試驗(yàn)時(shí)，制動(dòng)控制器根據(jù)列車系統(tǒng)模型提供的軸速、載重等信息實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)制動(dòng)力;之后向電制動(dòng)模型申請(qǐng)電制動(dòng)力，根據(jù)電制動(dòng)反饋計(jì)算所需的電機(jī)械制動(dòng)力;制動(dòng)控制器根據(jù)電機(jī)械制動(dòng)力計(jì)算結(jié)果控制電機(jī)械制動(dòng)裝置獲得實(shí)際電機(jī)械制動(dòng)力，并將其提供給虛擬的列車（列車系統(tǒng)模型）;最后虛擬的列車在電機(jī)械制動(dòng)力和電制動(dòng)力的共同作用下完成減速制動(dòng)。

（4）數(shù)據(jù)采集卡/MVB網(wǎng)絡(luò)部分主要用于工控機(jī)與制動(dòng)控制裝置之間的數(shù)據(jù)通信。為模擬真實(shí)車輛，所有信號(hào)的電器特性均與真實(shí)列車相同。軸速信息為脈沖量信號(hào)，其通信基于工控機(jī)中的NI-PCI-6602和制動(dòng)控制裝置中的NI-PXI-6602脈沖量采集卡實(shí)現(xiàn);制動(dòng)指令、軸重、電機(jī)械制動(dòng)力、電制動(dòng)請(qǐng)求、電制動(dòng)反饋等信息為電壓型模擬量信號(hào)，其通信基于工控機(jī)中的NI-PCI-6224和制動(dòng)控制裝置中的NI-PXI-6621模擬量采集卡實(shí)現(xiàn)。MVB網(wǎng)絡(luò)作為工控機(jī)與制動(dòng)控制裝置的另一種通信方式，用于通信的備份。

2 軟件組成

圖1中的仿真部分在仿真分析平臺(tái)的工控機(jī)中運(yùn)行，其中列車系統(tǒng)模型和電制動(dòng)模型基于MATLAB/Simulink搭建，而GUI使用Labview編程語言開發(fā)。GUI與底層模型的數(shù)據(jù)交互通過National Instrument公司提供的仿真接口工具包（NI-SIT）實(shí)現(xiàn)。

2.1 列車系統(tǒng)模型

列車系統(tǒng)模型由1動(dòng)1拖2節(jié)車的模型組成，其中動(dòng)車模型包含電制動(dòng)模型。由于制動(dòng)過程主要與車輛的垂向、縱向和點(diǎn)頭自由度有關(guān)，為節(jié)省計(jì)算資源，在建模過程中，忽略車輛的伸縮、側(cè)滾和搖頭自由度。列車系統(tǒng)模型如圖3 所示，主要包括輪對(duì)子模型、轉(zhuǎn)向架子模型、車體子模型和彈簧子阻尼模型。

2.1.1 輪對(duì)子模型

以1車輪對(duì)子模型1為例說明輪對(duì)建模過程。輪對(duì)力學(xué)模型如圖4所示。為簡(jiǎn)化建模，將車輛運(yùn)行阻力平均分布到各輪對(duì)的軸心。

根據(jù)圖4可以得到輪對(duì)在垂向、縱向和轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)方向的受力平衡方程。

式（1）～式（3）中，為車輛縱向加速度;為輪對(duì) 的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;Mw為輪對(duì)質(zhì)量;Jw為輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Fwxi為轉(zhuǎn)向架對(duì)輪對(duì)i的縱向作用力;Fwzi為轉(zhuǎn)向架對(duì)輪對(duì)i的垂向作用力;Fwni為鋼軌對(duì)輪對(duì)i的垂向作用力; Felei為作用于輪對(duì)i的電制動(dòng)力;Rw為車輪半徑;Rebr為電制動(dòng)力等效作用半徑;Rbr為夾緊力等效作用半徑;Fcli為作用于輪對(duì)i的電機(jī)械夾緊力;Fbri為輪對(duì)i與軌道間的黏著制動(dòng)力;g為重力加速度;φ為列車運(yùn)行位置的坡度;Fresi為作用于輪對(duì)i的運(yùn)行阻力;其中i代表模型編號(hào)。

根據(jù)式（1）～式（3），利用Simulink中的數(shù)學(xué)元件庫(kù)即可完成輪對(duì)模型的搭建。

2.1.2 轉(zhuǎn)向架子模型

以1車轉(zhuǎn)向架子模型1為例說明轉(zhuǎn)向架建模過程。轉(zhuǎn)向架力學(xué)模型如圖5所示。根據(jù)圖可以得到轉(zhuǎn)向架在垂向、縱向和點(diǎn)頭3個(gè)方向的受力平衡方程。

式（4）～式（6）中，zbi為轉(zhuǎn)向架i的垂向位移;θbi為轉(zhuǎn)向架i的點(diǎn)頭角位移;Mb為轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量;Jb為轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Fczi為車體對(duì)轉(zhuǎn)向架i的垂向作用力;Fcxi為車體對(duì)轉(zhuǎn)向架i的縱向作用力;lb為軸距的一半;Hb為轉(zhuǎn)向架質(zhì)心的高度;Hbci為轉(zhuǎn)向架i與車體連接處的高度;其余參數(shù)與前面含義相同。其中i代表模型編號(hào)。

根據(jù)式（4）～式（6），利用Simulink中的數(shù)學(xué)元件庫(kù)即可完成轉(zhuǎn)向架模型的搭建。

2.1.3 車體子模型

以1車車體子模型為例說明車體建模過程。車體力學(xué)模型如圖6所示。

根據(jù)圖6可以得到轉(zhuǎn)向架在垂向、縱向和點(diǎn)頭3個(gè)方向的受力平衡方程。

式（7）～式（9）中，zc為車體的垂向位移;θc為車體的點(diǎn)頭角位移;Mc為車體的質(zhì)量;Jc為車體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Fcpfront為前車鉤對(duì)車體的縱向作用力（1車為零）;Fcprear為后車鉤對(duì)車體的縱向作用力;Hc為車體質(zhì)心的高度;Lc為轉(zhuǎn)向架中心距的一半;其余參數(shù)與前面含義相同。

根據(jù)式（7）～式（8），利用Simulink中的數(shù)學(xué)元件庫(kù)即可完成車體模型的搭建。

2.1.4 彈簧阻尼子模型

車輛的一系、二系懸掛以及車鉤均可視為彈簧阻尼。彈簧阻尼力學(xué)模型如圖7所示。

根據(jù)圖7的彈簧阻尼受力分析可得：

式（10）中，F(xiàn)z為彈簧阻尼內(nèi)力;Ksp為彈簧的剛度;z1 為彈簧阻尼上端的位移;z2為彈簧阻尼下端的位移;Cdp為阻尼系數(shù)。

根據(jù)式（10），利用Simulink中的數(shù)學(xué)元件庫(kù)即可完成彈簧阻尼模型的搭建。

2.1.5 列車系統(tǒng)模型

完成輪對(duì)、彈簧阻尼、構(gòu)架、車體的Simulink建模工作后，將這些子模型的輸入輸出相連即可建立車輛子系統(tǒng)模型。車輛子系統(tǒng)由4個(gè)輪對(duì)子模型、2個(gè)轉(zhuǎn)向架子模型、6個(gè)彈簧阻尼子模型（其中4個(gè)代表一系懸掛，2個(gè)代表二系懸掛）和1個(gè)車體子模型組成。

將2個(gè)車輛子系統(tǒng)通過彈簧阻尼子模型相連，即可構(gòu)成列車系統(tǒng)模型。

2.2 電制動(dòng)模型

為提高運(yùn)算速度，電制動(dòng)模型采用“黑箱模型”，即在建模時(shí)，預(yù)先設(shè)置好電制動(dòng)力在各制動(dòng)級(jí)位指令下的響應(yīng)曲線;然后在仿真過程中，根據(jù)制動(dòng)級(jí)位指令信號(hào)通過對(duì)預(yù)先設(shè)置的試驗(yàn)曲線進(jìn)行插值計(jì)算得到仿真所需的電制動(dòng)力響應(yīng)曲線。其原理如圖8所示。

需要說明的是，電制動(dòng)響應(yīng)曲線是根據(jù)已有試驗(yàn)得到的制動(dòng)力響應(yīng)時(shí)間配合式（11）中帶延時(shí)的一階慣性環(huán)節(jié)得到的。

式（11）中，F(xiàn)ebr為電制動(dòng)力;Fr為目標(biāo)電制動(dòng)力;τ為慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)（與制動(dòng)力的響應(yīng)時(shí)間有關(guān)）;Td為延時(shí)時(shí)間;K為比例常數(shù);s為L(zhǎng)aplace算子。

2.3 仿真分析平臺(tái) GUI 界面

該仿真分析平臺(tái)的GUI界面如圖9所示，其主要作用是設(shè)置列車及其運(yùn)行參數(shù)，如尺寸、質(zhì)量、閘瓦摩擦系數(shù)、黏著系數(shù)等。另外，試驗(yàn)結(jié)果的顯示與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也依靠GUI實(shí)現(xiàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

一次列車分級(jí)制動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。圖10a為列車速度與減速度試驗(yàn)曲線。由圖可知，HIL仿真平臺(tái)的虛擬列車可以很好地模擬列車的制動(dòng)過程，其根據(jù)制動(dòng)指令進(jìn)行減速;在接近停車時(shí)，實(shí)際減速度出現(xiàn)的波動(dòng)是由電制動(dòng)退出所引起的，符合列車制動(dòng)的實(shí)際工況。圖10b為仿真制動(dòng)過程中列車第1臺(tái)轉(zhuǎn)向架前軸的制動(dòng)力，包括電制動(dòng)力和電機(jī)械制動(dòng)力。在車速較高且目標(biāo)減速度較低的情況下，電制動(dòng)力可以提供列車所需的全部制動(dòng)力，因此電機(jī)械制動(dòng)力不起作用。而當(dāng)制動(dòng)指令提高或車速降低到一定值時(shí)，電制動(dòng)力不足以提供全部的制動(dòng)力，由電機(jī)械制動(dòng)力開始補(bǔ)充制動(dòng)力。這也符合真實(shí)的制動(dòng)工況。

4 結(jié)語

為降低試驗(yàn)成本，同時(shí)保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，本文針對(duì)EMB系統(tǒng)建立了一套HIL仿真分析平臺(tái)。該平臺(tái)利用列車系統(tǒng)模型和電制動(dòng)模型模擬了真實(shí)的列車及其運(yùn)行環(huán)境，在一定程度上避免了昂貴的線路試驗(yàn);另外，設(shè)計(jì)了功能豐富的GUI，便于研究人員配置車輛參數(shù)、設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)以及分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的HIL仿真分析平臺(tái)能真實(shí)有效地模擬列車的制動(dòng)過程，這為EMB系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了可靠的試驗(yàn)支撐。

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收稿日期 2020-06-24

責(zé)任編輯 黨選麗