動(dòng)車組輪徑自動(dòng)校準(zhǔn)的常見問題及防控方案分析

宿偉

摘 要：動(dòng)車組的輪徑由于正常磨耗或異常擦輪會(huì)不斷發(fā)生變化，為避免人工輸入輪徑的煩索、提高動(dòng)車組速度控制及相關(guān)保護(hù)功能的精度，部分動(dòng)車組具備輪徑自動(dòng)校準(zhǔn)功能。本文介紹了基于速度傳感器計(jì)算的軸列車速度，通過與GPS速度對(duì)比，進(jìn)行差值積分的方式，對(duì)存儲(chǔ)輪徑值進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，介紹了輪徑自動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題。

關(guān)鍵詞：輪徑;TCMS系統(tǒng);牽引控制系統(tǒng);自動(dòng)校準(zhǔn);保護(hù)

0 引言

由于動(dòng)車組車輪正常磨耗或異常擦輪，動(dòng)車組車輪需定期或不定期的進(jìn)行鏇修操作。針對(duì)實(shí)際車輪直徑變化，為保證動(dòng)車組列車控制管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱TCMS系統(tǒng)）或牽引控制系統(tǒng)內(nèi)車輪直徑信息的準(zhǔn)確性，保證動(dòng)車組速度控制、牽引扭矩控制及空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)等功能的正確實(shí)施，目前動(dòng)車組控制系統(tǒng)內(nèi)車輪直徑值的更新普遍采用兩種方式：第一種方式是手動(dòng)輸入方式，即在動(dòng)車組鏇輪操作后，將記錄實(shí)測(cè)輪徑值通過人工控制方式寫入動(dòng)車組控制系統(tǒng)控制單元的EPROM內(nèi)。在下一個(gè)鏇輪周期前，不進(jìn)行輪徑校準(zhǔn)工作;另一種方式是自動(dòng)校準(zhǔn)方式，即動(dòng)車組在滿足一定條件后自動(dòng)執(zhí)行輪徑校準(zhǔn)功能，校準(zhǔn)后的輪徑自動(dòng)存儲(chǔ)至EPROM中。盡管實(shí)時(shí)自動(dòng)輪徑校準(zhǔn)功能可避免管理流程煩索、提高速度控制精度等優(yōu)點(diǎn)，但存在啟動(dòng)條件、校準(zhǔn)功能參數(shù)等設(shè)置不合適時(shí)易造成輪徑校準(zhǔn)錯(cuò)誤，造成牽引力無法精確分配、誤報(bào)輪徑超差或錯(cuò)誤觸發(fā)防滑/防空轉(zhuǎn)保護(hù)等問題。本文對(duì)自動(dòng)輪徑校準(zhǔn)功能設(shè)計(jì)中需注意的問題進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并提出了車載軟件設(shè)計(jì)時(shí)的防控措施。

1 功能介紹

以車載牽引系統(tǒng)為例 ，動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的軸速是牽引控制單元根據(jù)每個(gè)軸速度傳感器采集的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和牽引控制系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的輪徑值，計(jì)算得出每個(gè)軸對(duì)應(yīng)的列車速度V牽引軸列車速度。牽引控制系統(tǒng)一方面將該速度發(fā)給TCMS，使TCMS利用牽引系統(tǒng)所提供的所有軸的列車速度，及其它速度傳感器采集的軸列車速度，得到用于TCMS速度控制的列車速度VTCMS列車速度;另一方面牽引系統(tǒng)采用該速度在系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行輪徑的自動(dòng)校準(zhǔn)功能。

具體輪徑自動(dòng)校準(zhǔn)的過程為：在牽引系統(tǒng)內(nèi)對(duì)計(jì)算的牽引軸列車速度（V牽引軸列車速度）與GPS列車速度（VGPS列車速度）的差值進(jìn)行積分，并將積分結(jié)果對(duì)目前已存儲(chǔ)的輪徑進(jìn)行補(bǔ)償，使?fàn)恳到y(tǒng)根據(jù)存儲(chǔ)輪徑計(jì)算的軸列車速度無限接近于GPS列車速度，進(jìn)而使?fàn)恳到y(tǒng)的輪徑無限接近于真實(shí)輪徑。上述控制采用閉環(huán)控制方式，自動(dòng)輪徑校準(zhǔn)的過程如下圖1所示。

2 自動(dòng)校準(zhǔn)的常見問題及防控方案

基于存儲(chǔ)輪徑計(jì)算的牽引軸列車速度對(duì)TCMS速度控制、牽引系統(tǒng)控制及保護(hù)等起著非常重要的作用。一方面，由于牽引系統(tǒng)內(nèi)計(jì)算的牽引軸列車速度V牽引軸列車速度已發(fā)給TCMS系統(tǒng)，其根據(jù)牽引系統(tǒng)所提供的所有牽引軸列車速度，及其它系統(tǒng)速度傳感器采集的軸列車速度，計(jì)算得到用于TCMS速度控制的列車速度VTCMS列車速度， 因此基于輪徑的V牽引軸列車速度影響著TCMS對(duì)VTCMS列車速度的速度控制的準(zhǔn)確性。另一方面，牽引系統(tǒng)基于存儲(chǔ)的輪徑值，對(duì)牽引/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算和分配。同時(shí)，基于VTCMS列車速度和V牽引軸列車速度的比較，對(duì)牽引空轉(zhuǎn)/滑行的保護(hù)功能，并對(duì)同一動(dòng)力轉(zhuǎn)向架內(nèi)的輪徑差進(jìn)行監(jiān)控和功率補(bǔ)償，避免架控系統(tǒng)內(nèi)某一臺(tái)牽引電機(jī)負(fù)載分配差值過大導(dǎo)致電機(jī)超溫。

考慮到輪徑對(duì)動(dòng)車組控制的重要性，在設(shè)置自動(dòng)校準(zhǔn)功能的動(dòng)車組內(nèi)，應(yīng)對(duì)自動(dòng)校準(zhǔn)功能的參數(shù)進(jìn)行正確設(shè)定，并對(duì)可能出現(xiàn)的問題采取防控措施。

2.1 允許校準(zhǔn)的條件

動(dòng)車組在進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)的過程中，應(yīng)盡量保證動(dòng)車組不受外力作用，使動(dòng)車組在校準(zhǔn)過程中速度變化盡量小，保證校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。為達(dá)到此目的，一方面，需提示司機(jī)輪徑校準(zhǔn)應(yīng)在平直道進(jìn)行，避免坡道阻力和曲線阻力對(duì)正確校準(zhǔn)的影響，另一方面，TCMS應(yīng)主動(dòng)利用監(jiān)控到的信號(hào)，僅當(dāng)動(dòng)車組滿足設(shè)定條件后方才允許進(jìn)行輪徑校準(zhǔn)。以CRH1A平臺(tái)動(dòng)車組為例，為防止外力對(duì)輪徑校準(zhǔn)準(zhǔn)確性的影響，將1）動(dòng)車組牽引/制動(dòng)力參考值<5%;2）動(dòng)車組車未施加摩擦制動(dòng);3）加速度/減速度<0.05 m/s2;4）主控手柄在“0”位;5）GPS信號(hào)有效等做為執(zhí)行自動(dòng)輪徑校準(zhǔn)的始能條件。

動(dòng)車組的運(yùn)行速度同樣對(duì)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性影響很大，一方面速度過高導(dǎo)致即使平直道惰行，速度下降較大，影響校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性;另一方面速度較小導(dǎo)致在低速過道岔時(shí)誤觸發(fā)校準(zhǔn)功能，導(dǎo)致彎道校準(zhǔn)影響結(jié)果的正確性。以CRH1A平臺(tái)動(dòng)車組為例，早期允許進(jìn)行輪徑自動(dòng)校準(zhǔn)的速度為30 km/h至130 km/h，但某些限速過道岔時(shí)，司機(jī)按要求手柄置0位低速（約60 km/h）通過，其誤觸發(fā)自動(dòng)輪徑校準(zhǔn)功能。由于道岔的曲線阻力影響，導(dǎo)致自動(dòng)校準(zhǔn)后結(jié)果錯(cuò)誤。為此，目前所有CRH1A平臺(tái)動(dòng)車組均已升級(jí)軟件，將允許進(jìn)行輪徑自動(dòng)校準(zhǔn)的速度調(diào)整為90 km/h至130 km/h。

由于動(dòng)車組在有火回送時(shí)易滿足自動(dòng)輪徑校準(zhǔn)的條件，因此為避免在此工況下誤觸發(fā)自動(dòng)校準(zhǔn)功能，應(yīng)在“回送模式”下禁止自動(dòng)校準(zhǔn)功能。

2.2 校準(zhǔn)速度和輪徑存儲(chǔ)時(shí)間的設(shè)置

當(dāng)動(dòng)車組由于重刷控制系統(tǒng)軟件，導(dǎo)致其EPROM內(nèi)存儲(chǔ)的正確輪徑丟失時(shí)，控制系統(tǒng)一般將EPROM內(nèi)輪徑設(shè)置為最大值、半磨耗值或最小值。無論設(shè)置為哪一個(gè)數(shù)值，均存在其與實(shí)際輪徑相差較大的可能，為此在圖1的校準(zhǔn)邏輯中，設(shè)置的不同的校準(zhǔn)速度，實(shí)現(xiàn)存在較大輪徑偏差（速度差）時(shí)粗略快速校準(zhǔn)，較小輪徑偏差（速度差）時(shí)精確較準(zhǔn)的目的。

由于輪徑自動(dòng)校準(zhǔn)功能通過軟件實(shí)現(xiàn)，而軟件內(nèi)所有信號(hào)按固定的MVB/WTB的周期進(jìn)行更新，因此在軟件內(nèi)一個(gè)掃描周期內(nèi)將完成一次校準(zhǔn)，此周期校準(zhǔn)后的輪徑值用于下一個(gè)掃描周期校準(zhǔn)的輸入。由于實(shí)際運(yùn)行過程中，輪徑不可能產(chǎn)生很大的突變，因此為保證輪徑校準(zhǔn)的正確性，基于牽引系統(tǒng)軟件內(nèi)自動(dòng)校準(zhǔn)的

周期執(zhí)行方式，一方面可在軟件內(nèi)對(duì)用于校準(zhǔn)的目標(biāo)差值進(jìn)行最大值限速，避免由于速度差值輸入過大錯(cuò)誤導(dǎo)致校準(zhǔn)錯(cuò)誤，另一方面應(yīng)正確設(shè)定校準(zhǔn)速度，保證每次校準(zhǔn)的值與動(dòng)車組實(shí)際可能產(chǎn)生的輪徑差值及動(dòng)車組技術(shù)條件要求的輪徑范圍相對(duì)應(yīng)。同時(shí)應(yīng)對(duì)校準(zhǔn)后、EPROM存儲(chǔ)前執(zhí)行掃描周期的數(shù)量進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，采信在持續(xù)條件下校準(zhǔn)值，保證校存儲(chǔ)結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性。以CRH380D平臺(tái)動(dòng)車組為例，牽引系統(tǒng)快速校準(zhǔn)的速度為2 mm/s，慢速校準(zhǔn)的速度為0.5 mm/s。

2.3 輪徑相關(guān)的保護(hù)功能

目前，動(dòng)車組牽引系統(tǒng)內(nèi)輪徑相關(guān)的保護(hù)功能主要包括：防滑/空轉(zhuǎn)保護(hù)功能、輪徑不在正常范圍內(nèi)、輪徑差大等。

2.3.1 防滑/空轉(zhuǎn)保護(hù)功能

當(dāng)牽引系統(tǒng)檢測(cè)到的軸速與TCMS計(jì)算的列車速度差別較大，牽引系統(tǒng)通過自診斷方式，識(shí)別該軸處于空轉(zhuǎn)/滑行狀態(tài)，即：

（1）制動(dòng)工況下，如果動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的某軸的V牽引軸列車速度遠(yuǎn)低于VTCMS列車速度，牽引系統(tǒng)判斷為該軸滑行;

（2）牽引工況下，如果動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的某軸的V牽引軸列車速度遠(yuǎn)高于VTCMS列車速度，牽引系統(tǒng)判斷為該軸空轉(zhuǎn)。

當(dāng)檢測(cè)到空轉(zhuǎn)/滑行后，牽引系統(tǒng)可要求電機(jī)變流器執(zhí)行限功率輸出操作。若限制功率后滑行/空轉(zhuǎn)持續(xù)存在，報(bào)防滑/空轉(zhuǎn)故障，電機(jī)變流器自動(dòng)停機(jī)。

2.3.2 輪徑不在正常范圍內(nèi)

在牽引系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)輪徑校準(zhǔn)的過程中，若校準(zhǔn)過程中由于某種原因輪徑校準(zhǔn)后的結(jié)果超過最大值或最小值（如CRH380D平臺(tái)動(dòng)車組輪徑超出850 mm～920 mm范圍）。

2.3.3 輪徑差大

針對(duì)架控的牽引系統(tǒng)來說，同一轉(zhuǎn)向架下的2臺(tái)牽引電機(jī)由同一個(gè)電機(jī)變流器供電。當(dāng)同一轉(zhuǎn)向架下的2個(gè)軸的輪徑差較大時(shí)，同一轉(zhuǎn)向架的2臺(tái)電機(jī)的實(shí)際輸出功率會(huì)有較大差異。以CRH380D動(dòng)車組為例，當(dāng)同一轉(zhuǎn)向架下的2個(gè)軸的輪徑差為3 mm時(shí)，2臺(tái)電機(jī)的溫升相差約35 K，如下圖2所示。

2.4 輪徑錯(cuò)誤時(shí)防控措施

通過以上對(duì)牽引系統(tǒng)輪徑自動(dòng)校準(zhǔn)功能的介紹及動(dòng)車組的相關(guān)保護(hù)功能的分析，除動(dòng)車組輪徑自動(dòng)校準(zhǔn)功能設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)推敲、反復(fù)驗(yàn)證外，為避免輪徑校準(zhǔn)錯(cuò)誤對(duì)動(dòng)車組運(yùn)營秩序的影響，建議還應(yīng)在輪徑校準(zhǔn)錯(cuò)誤時(shí)采取以下防控措施：

（1）動(dòng)車組的防滑/防空轉(zhuǎn)保護(hù)功能應(yīng)設(shè)置合理的速度差，避免由于錯(cuò)誤報(bào)出防滑/防空轉(zhuǎn)故障導(dǎo)致動(dòng)車組無法繼續(xù)低速駕駛、無法進(jìn)行新一輪的輪徑自動(dòng)校準(zhǔn)工作。

（2）當(dāng)動(dòng)車組輪徑自動(dòng)校準(zhǔn)的過程中，無論由于何種原因?qū)е滦?zhǔn)結(jié)果超過允許范圍，牽引系統(tǒng)將不存儲(chǔ)實(shí)際計(jì)算值，而是存儲(chǔ)默認(rèn)值。在此情況下，一方面建議動(dòng)車組診斷系統(tǒng)報(bào)出“輪徑不合格”，提示司機(jī)重新進(jìn)行輪徑校準(zhǔn)。另一方面牽引系統(tǒng)軟件應(yīng)允許限功率運(yùn)行（建議至少允許50%功率輸出），允許動(dòng)車組開始新一輪的輪徑自動(dòng)校準(zhǔn)工作。

（3）動(dòng)車組一般在TCMS內(nèi)判斷使能條件，通過MVB發(fā)給牽引系統(tǒng)，因此牽引系統(tǒng)收到使能結(jié)束的時(shí)間會(huì)晚于TCMS判斷的允許輪徑校準(zhǔn)的結(jié)束時(shí)間。因此牽引系統(tǒng)通過始能結(jié)束信號(hào)結(jié)束輪徑校準(zhǔn)完成時(shí)，牽引系統(tǒng)應(yīng)充分考慮TCMS使能條件存在信號(hào)傳遞延時(shí)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及MVB傳輸時(shí)間估算，一般認(rèn)為在牽引系統(tǒng)收到始能結(jié)束前的2s內(nèi)的輪徑校準(zhǔn)值容易存在錯(cuò)誤，因此建議牽引系統(tǒng)存儲(chǔ)輪徑校準(zhǔn)結(jié)束前2 s的輪徑值。

（4）針對(duì)同一轉(zhuǎn)向架的2個(gè)軸的輪徑在通過曲線時(shí)誤觸發(fā)自動(dòng)輪徑較準(zhǔn)功能，易導(dǎo)致同一轉(zhuǎn)向架內(nèi)輪徑超差問題，由于此工況僅可能影響部分轉(zhuǎn)向架，輪徑校準(zhǔn)錯(cuò)誤后可繼續(xù)駕駛動(dòng)力分散動(dòng)車組繼續(xù)運(yùn)行，進(jìn)行下一次輪徑校準(zhǔn)，因此不建議在此種情況下禁止變流器故障時(shí)有功率輸出。建議按既有的輪徑差功率限制功能實(shí)施即可，此時(shí)可保證在正?；虍惓９r下，牽引電機(jī)溫升均控制在允許的圍內(nèi)，牽引系統(tǒng)可最大程度的發(fā)揮動(dòng)車組的牽引力繼續(xù)運(yùn)行。

3 結(jié)束語

上述動(dòng)車組輪徑自動(dòng)校準(zhǔn)的概念，實(shí)際上是基于速度傳感器采集的實(shí)際軸頻率，根據(jù)控制系統(tǒng)內(nèi)已存儲(chǔ)的輪徑值計(jì)算出的軸列車速度，通過與GPS速度差值比較和進(jìn)行差值積分的方式，不斷對(duì)存儲(chǔ)輪徑值進(jìn)行修正的閉環(huán)控制方法。該方法適用于車載控制系統(tǒng)內(nèi)需要進(jìn)行速度控制的系統(tǒng)，如TCMS系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)等。

在進(jìn)行輪徑自動(dòng)校準(zhǔn)的設(shè)計(jì)中，需充分考慮內(nèi)因（校準(zhǔn)速度、校準(zhǔn)最短持續(xù)時(shí)間、系統(tǒng)信號(hào)傳輸延時(shí)等）和外因（速度、坡道、曲線、GPS可信度等）的影響，并采取主動(dòng)的容錯(cuò)手段，保證動(dòng)車組輪徑在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的同時(shí)，降低自動(dòng)控制出現(xiàn)錯(cuò)誤的幾率并降低故障時(shí)對(duì)動(dòng)車組運(yùn)用的影響。

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