城市軌道交通電機械制動系統(tǒng)總體設(shè)計方案和關(guān)鍵技術(shù)研究

王健

摘 要：電機械制動系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域?qū)儆谛滦椭苿酉到y(tǒng)，文章首先簡單介紹電機械制動系統(tǒng)，然后以 100% 低地板有軌電車為例，從基本組成、總體架構(gòu)和工作原理幾個方面介紹電機械制動系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，最后提出有待進一步研究的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;EMB系統(tǒng);總體設(shè)計方案;關(guān)鍵技術(shù);研究

中圖分類號：U270.35

城市軌道交通現(xiàn)有的空氣制動、液壓制動系統(tǒng)已發(fā)展多年，積累了成熟的技術(shù)方案并得到廣泛應(yīng)用，但隨著工業(yè)控制技術(shù)的革新和城市軌道交通整體性能的不斷提高，對制動系統(tǒng)電氣化的要求不斷提高已成必然趨勢。目前，城市軌道交通制動系統(tǒng)的制動指令已經(jīng)實現(xiàn)了電氣化，但在將制動指令轉(zhuǎn)換為制動力的環(huán)節(jié)中仍然無法擺脫對空氣或液壓介質(zhì)的依賴，從而限制了制動系統(tǒng)在高響應(yīng)、輕量化、環(huán)保性方向的進一步發(fā)展。在應(yīng)對城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)發(fā)展的新需求，提高產(chǎn)品的電氣化、自動化程度等方面，具有高集成、快響應(yīng)、高精度特性的電機械制動（EMB）技術(shù)提供了潛在的解決方案，其在航空[1-3]、汽車[4-5]領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的應(yīng)用經(jīng)驗，但在城市軌道交通領(lǐng)域還處在探索階段。因此，應(yīng)充分借鑒其他行業(yè)的成功經(jīng)驗，結(jié)合城市軌道交通的自身特點，對既有系統(tǒng)進行EMB優(yōu)化設(shè)計，以推動城市軌道交通制動系統(tǒng)向輕量化、智能化方面發(fā)展。

1 電機械制動系統(tǒng)簡介

EMB技術(shù)是一種通過電機驅(qū)動機械傳動機構(gòu)使其輸出直線運動實現(xiàn)制動摩擦副的夾緊動作，從而輸出可控制動力的新型制動技術(shù)[6]。相對于目前成熟的空氣制動和液壓制動系統(tǒng)，EMB系統(tǒng)的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾方面[7]。

（1）輕量化。由于省去了沉重復(fù)雜的管路和控制元件，因此可降低系統(tǒng)的整體復(fù)雜度，大幅提高單位質(zhì)量制動力的輸出能力。

（2）故障點減少和高可維護性。系統(tǒng)的零部件大量減少，可減少其相應(yīng)的故障點，從根本上避免了介質(zhì)泄露風(fēng)險，更加環(huán)保;產(chǎn)品模塊化的集成，降低了調(diào)試和維護的難度。

（3）高性能和智能化。實現(xiàn)夾緊力直接閉環(huán)控制，相比介質(zhì)壓力閉環(huán)控制精度更高、響應(yīng)更快;且具有豐富的自檢及狀態(tài)監(jiān)控功能，可實現(xiàn)元件故障的自動識別和定位功能。

（4）高效節(jié)能。避免了傳統(tǒng)介質(zhì)壓力制動系統(tǒng)造成的能量損失;由于采用電機直接驅(qū)動，可減少中間環(huán)節(jié)和額外的效率損失。

2 總體設(shè)計方案

為更有針對性地說明EMB系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用和基本架構(gòu)，本文以原本采用液壓制動系統(tǒng)的100%低地板有軌電車為例，從基本組成、總體架構(gòu)和工作原理幾方面介紹將其轉(zhuǎn)變?yōu)镋MB系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。

2.1 基本組成

100%低地板有軌電車的EMB系統(tǒng)采用架控的系統(tǒng)架構(gòu)，以一個轉(zhuǎn)向架的制動系統(tǒng)為一個控制單元，獨立執(zhí)行控制邏輯，各轉(zhuǎn)向架之間具備協(xié)同工作的機制。單個轉(zhuǎn)向架EMB系統(tǒng)由制動控制單元、供電模塊、基礎(chǔ)制動裝置及其對應(yīng)的電機控制器組成。

2.1.1 制動控制單元

制動控制單元是制動系統(tǒng)的控制核心，負責(zé)制動系統(tǒng)與車輛網(wǎng)絡(luò)通信、指令接收、狀態(tài)反饋、軸速信息（模擬量信號或網(wǎng)絡(luò)信號）采集、制動力計算、制動指令輸出等功能，包括電源模塊、狀態(tài)輸出模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、硬線指令模塊、制動計算及調(diào)度模塊等，將制動系統(tǒng)狀態(tài)、制動施加狀態(tài)、制動緩解狀態(tài)、軸速信息等發(fā)送至車輛網(wǎng)絡(luò)供列車控制與監(jiān)控系統(tǒng)（TCMS）等使用。

在常用制動模式中，制動控制單元通過網(wǎng)絡(luò)接收摩擦制動力的需求，并考慮自身黏著、防滑、沖動限制等參數(shù)進行實時動態(tài)計算，將制動力通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）或模擬量指令分配給連接的各電機控制器執(zhí)行。系統(tǒng)中設(shè)置的雙路CAN網(wǎng)絡(luò)互為冗余，制動指令和電機控制器狀態(tài)優(yōu)先通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸，在CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時制動控制單元通過模擬量線路傳輸制動力指令給各電機控制器。

2.1.2 供電模塊

供電模塊負責(zé)電機控制器和基礎(chǔ)制動裝置的供電，接入車輛低壓供電系統(tǒng)，通過電池管理單元（BMU）對內(nèi)部的電容模組進行充放電控制。當(dāng)?shù)蛪汗╇娋€路供電正常時，電機控制器和基礎(chǔ)制動裝置從低壓供電線路獲取電能;當(dāng)?shù)蛪汗╇娋€路供電異常（電壓過低）時，供電模塊內(nèi)的電容模組給列車提供電能，保證EMB系統(tǒng)的正常工作。

2.1.3 基礎(chǔ)制動裝置

基礎(chǔ)制動裝置由作動器、托架、制動杠桿、制動盤、閘片等部件組成，其中作動器接收電機控制器的實時制動力指令并輸出制動力，其輸出軸通過杠桿推動閘片作用于制動盤產(chǎn)生制動扭矩。另外，基礎(chǔ)制動裝置還設(shè)置手動緩解功能，由人工拉動制動缸后端的手動緩解拉環(huán)實現(xiàn)。每個基礎(chǔ)制動裝置都帶有停放制動功能。

基礎(chǔ)制動裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其通過機械接口安裝在轉(zhuǎn)向架上，通過電氣接口和電機控制器相連?；A(chǔ)制動裝置上的作動器（圖1中的綠色部分）作為制動力輸出元件，接收電機控制器的驅(qū)動信號并執(zhí)行相應(yīng)動作，電機轉(zhuǎn)動通過運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)輸出為直線運動，該直線運動通過制動杠桿作用于閘片，通過閘片和制動盤構(gòu)成的摩擦副實現(xiàn)制動力的輸出。作動器內(nèi)的霍爾元件用于反饋電機轉(zhuǎn)子的位置，力傳感器將制動力實時反饋給電機控制器，從而實現(xiàn)制動力的精確控制。圖1中的紅色部分為緊急/停車制動裝置，供電正常時，其內(nèi)的彈簧壓縮，夾鉗輸出力由電機正常控制;失去供電時，其內(nèi)的彈簧彈出，限制電機運動，從而保持夾鉗輸出力，實現(xiàn)緊急制動和停車制動。

2.1.4 電機控制器

電機控制器根據(jù)指令完成制動力的施加和緩解，實現(xiàn)間隙的自動調(diào)整，以及意外斷電制動施加、故障保護和運行等功能。電機控制器包括制動力控制、電源、功率驅(qū)動等模塊。

電機控制器通過CAN網(wǎng)絡(luò)和制動控制單元通信，接收制動指令，反饋實際制動力、自身狀態(tài)等信息。電機控制器與制動控制單元之間通過網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送生命信號確保通信的可靠性，它們之間設(shè)有硬線接口，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時可通過硬線傳輸指令反饋狀態(tài)。

此外，電機控制器直接接收車輛緊急制動指令硬線的信號，優(yōu)先根據(jù)硬線信號施加制動力，同時接收制動控制單元通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的制動力指令作為緊急制動下的指令備份。

每個電機控制器控制1套基礎(chǔ)制動裝置，將接收到的目標(biāo)制動力指令轉(zhuǎn)化為電機驅(qū)動信號，并根據(jù)基礎(chǔ)制動裝置實時反饋的實際制動力進行閉環(huán)控制。

2.2 總體架構(gòu)

100%低地板有軌電車采用兩動一拖“Mc1—T—Mc2”的編組方式，Mc1和Mc2車分別配置1套EMB系統(tǒng)，包含1個制動控制單元、2個供電模塊、2個電機控制器和2套基礎(chǔ)制動裝置;T車配置1套EMB系統(tǒng)，包含1個制動控制單元、4個供電模塊、4個電機控制器和4套基礎(chǔ)制動裝置。制動控制單元和供電模塊安裝于車內(nèi)頂板，電機控制器吊掛于車廂下方，基礎(chǔ)制動裝置安裝于轉(zhuǎn)向架上。單個轉(zhuǎn)向架EMB系統(tǒng)的總體架構(gòu)示意圖如圖2所示，其中n表示電機控制器和基礎(chǔ)制動裝置的數(shù)量，對于Mc1和Mc2車，n = 2;對于T車，n = 4。

2.3 工作原理

EMB系統(tǒng)具有常用制動、緊急制動、停放制動、防滑保護和手動緩解等功能。司機控制器發(fā)出的制動指令通過列車制動指令線傳送給TCMS。

2.3.1 常用制動

常用制動采用電制動和EMB的復(fù)合制動，由TCMS根據(jù)制動指令計算出所需的目標(biāo)制動力，通過列車網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給牽引控制單元（TCU），TCU根據(jù)此目標(biāo)制動力施加電制動力，同時將實際電制動力反饋給TCMS。TCMS將實際電制動力和所需制動力進行比較，若電制動力能夠滿足制動要求，則不施加EMB;若電制動力不能滿足制動要求，則施加EMB進行補充。TCMS按照上述方法將計算的目標(biāo)電機械制動力需求通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至制動控制單元，制動控制單元施加相應(yīng)的摩擦制動力。制動力的增加和減小根據(jù)沖動限制設(shè)定的速率進行。

當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，制動控制單元根據(jù)制動硬線指令，按照設(shè)定的制動力施加。

當(dāng)常用制動速度減至指定速度時，牽引系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送“電制動衰退信號”給制動系統(tǒng)，控制電制動平穩(wěn)切換至EMB。

2.3.2 緊急制動

緊急制動采用摩擦制動方式，一旦施加，在車輛停車前不能緩解，且不具備防滑控制功能。

2.3.3 停放制動

當(dāng)車輛在停放狀態(tài)斷電時，基礎(chǔ)制動裝置中的停放裝置通過彈簧實現(xiàn)夾鉗夾緊，從而保證車輛在坡道上靜止不動。

2.3.4 防滑保護

（1）拖車的滑行控制由制動控制單元完成，其根據(jù)安裝在每根軸上的速度傳感器信號計算出各軸的速度、速度差和減速度，從而判斷車輪是否發(fā)生滑行，若發(fā)生滑行，則控制基礎(chǔ)制動裝置施加壓力，恢復(fù)黏著狀態(tài)。

（2）動車的滑行控制由TCU控制。當(dāng)發(fā)生滑行時，首先進行電制動防滑控制，即由TCU控制減小電制動力，同時把電制動滑行信號傳給制動控制單元，制動控制單元不會因電制動力的減小而補充EMB。如果TCU的防滑控制超過指定時間，則切除電制動，TCMS重新計算EMB的制動力，然后利用車軸的速度信號進行摩擦制動的防滑控制。

2.3.5 手動緩解

手動緩解由基礎(chǔ)制動裝置上的拉環(huán)實現(xiàn)。車輛處于停放狀態(tài)需要手動緩解時，可人工拉動基礎(chǔ)制動裝置后端的手動緩解拉環(huán)將彈簧復(fù)位，從而實現(xiàn)制動緩解。

3 關(guān)鍵技術(shù)及其研究現(xiàn)狀

為加快EMB系統(tǒng)在城市軌道交通車輛領(lǐng)域的應(yīng)用，需要對基礎(chǔ)制動裝置設(shè)計、制動控制算法、抗干擾技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進行進一步的研究。

3.1 基礎(chǔ)制動裝置設(shè)計

一個典型的基礎(chǔ)制動裝置應(yīng)當(dāng)具有以下機構(gòu)：①提供驅(qū)動力的力矩電機;②將圓周運動轉(zhuǎn)化為直線運動的機構(gòu);③力的放大機構(gòu);④力或位移傳感器。由于城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架空間的限制，制動系統(tǒng)的安裝接口和安裝空間的要求較高，在使用EMB系統(tǒng)時，需要將電機、減速機構(gòu)等眾多元件集成在制動夾鉗上，因此對基礎(chǔ)制動裝置的整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計提出了更高的要求。在進行基礎(chǔ)制動裝置設(shè)計時，需要根據(jù)現(xiàn)有車型的安裝接口、尺寸限制，綜合考慮電機選型、機構(gòu)布局、位置反饋技術(shù)以及傳動機構(gòu)類型等因素。

如同濟大學(xué)開發(fā)的第三代系統(tǒng)樣機的基礎(chǔ)制動裝置由盤型中空力矩電機、行星齒輪減速機構(gòu)、滾珠絲杠副、失電電磁離合器組成。常用制動時，電機產(chǎn)生的力矩通過行星齒輪減速器放大傳遞給滾珠絲杠螺母，螺母的旋轉(zhuǎn)運動再通過螺旋機構(gòu)轉(zhuǎn)換為滾珠絲杠的平動傳遞至壓盤，進而通過制動夾鉗上的制動杠桿使閘片與制動盤壓緊。電磁離合器是實施停放制動的關(guān)鍵元件，在常用制動時，電磁離合器通電，對螺母無制動作用;在停放制動時，首先通過電機將絲杠運動到位，然后離合器斷電，對螺母產(chǎn)生制動作用，此時螺母不能回轉(zhuǎn)，隨后電機斷電，從而實現(xiàn)停放制動。

綜上所述，基礎(chǔ)制動裝置對力矩電機的性能和結(jié)構(gòu)要求較高，因此結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧同時可提供大力矩、快速反應(yīng)的力矩電機的設(shè)計將是未來需要關(guān)注的重點;另外，制動執(zhí)行機構(gòu)的機械零件繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何簡化機構(gòu)組成同時更有效地傳遞并增大扭矩也是EMB走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵研究。

3.2 制動控制算法

EMB系統(tǒng)制動力施加和緩解的精確性和響應(yīng)速度依賴于電機控制器中的制動控制算法，因此其優(yōu)化和改進對EMB系統(tǒng)具有重要意義。制動控制算法應(yīng)能夠根據(jù)目標(biāo)指令實現(xiàn)對制動作動器在全制動力范圍的制動力連續(xù)閉環(huán)控制，同時實現(xiàn)間隙的自動調(diào)整，以補償制動摩擦副的磨損。

常見的制動力控制算法包括串聯(lián)比例-微分（PI）控制、比例積分微分（PID）控制、滑?？刂坪瓦壿嬮T控制算法等[8-10]。目前在制動控制算法研究上，精確的控制算法較為復(fù)雜，在程序編寫的可實現(xiàn)性上存在難度，實際應(yīng)用的可行性不高[11-13]。在簡化程序?qū)崿F(xiàn)的同時，保證控制精度和響應(yīng)速度的制動控制算法將是未來研究的重點。

3.3 抗環(huán)境干擾技術(shù)

EMB系統(tǒng)的基礎(chǔ)制動裝置安裝于轉(zhuǎn)向架，運行過程中沖擊振動較強，對電機和其他機械零件的工作狀態(tài)和組件壽命可能造成影響[14]，如電機的永磁體可能發(fā)生退磁等，因此需要研究上述裝置在沖擊振動下的穩(wěn)定性，同時在設(shè)計安裝方式時應(yīng)考慮抗沖擊振動的因素。

此外，吊裝在車廂下方的電機控制器和轉(zhuǎn)向架上電機的散熱條件不佳，在運行過程中可能出現(xiàn)過熱情況，因此，需要考慮其在高溫條件下的穩(wěn)定性和性能，同時可考慮專門設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行[15]。

目前，城市軌道交通車輛EMB系統(tǒng)的散熱設(shè)計和防震設(shè)計還缺乏相關(guān)的仿真和實驗研究，為保證EMB系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行，在未來加強相關(guān)技術(shù)的研究是十分有必要的。

4 結(jié)語

本文簡要介紹EMB系統(tǒng)，設(shè)計出針對100%低地板有軌電車的EMB系統(tǒng)典型方案，論述其基本組成和工作原理，提出未來有待進一步研究的關(guān)鍵技術(shù)（如基礎(chǔ)制動裝置設(shè)計、制動控制算法和抗環(huán)境干擾技術(shù)），并闡述了各關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

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收稿日期 2020-04-17

責(zé)任編輯 黨選麗