王冬冬

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2. 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；3. 鐵科縱橫（天津）科技發(fā)展有限公司，天津 301700）

0 引言

在我國(guó)大城市發(fā)展過程中，要緩解城市交通壓力，同時(shí)又要保護(hù)環(huán)境，降低城市大氣及噪聲污染，必然大力發(fā)展城市軌道交通系統(tǒng)[1]。在城市軌道交通系統(tǒng)中，低地板輕軌交通以其快捷、方便、投資少、見效快、環(huán)境污染小等特點(diǎn)成為首選，研制低地板車就成為必然選擇[2-3]。由于低地板車沒有獨(dú)立路權(quán)，可在城市道路上與其他形式車輛混跑，線路沒有超高就意味著當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)車輪與鋼軌的磨耗更加嚴(yán)重，尤其是小半徑曲線線路會(huì)大大減小車輪與鋼軌的使用壽命，輪緣潤(rùn)滑技術(shù)的研究和應(yīng)用可有效解決輪軌磨耗問題[4-7]。針對(duì)低地板車研制開發(fā)了相適應(yīng)的低地板車輪緣潤(rùn)滑控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱控制系統(tǒng)）。

1 控制系統(tǒng)概述

對(duì)于輪緣潤(rùn)滑控制系統(tǒng)，低地板車與地鐵車輛相比有2個(gè)方面不同：

（1）低地板車不提供噴脂風(fēng)源，為保證輪緣潤(rùn)滑裝置能夠正常工作，該控制系統(tǒng)需要配置供風(fēng)系統(tǒng)；

（2）低地板車提供電源電壓為24 V直流電和三相380 V交流電，且24 V直流電功率有限，需將系統(tǒng)內(nèi)功率設(shè)備進(jìn)行分配，與地鐵車輛常用的110 V直流電不同，需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

控制系統(tǒng)以“直線+彎道”的定時(shí)控制模式進(jìn)行工作，當(dāng)車輛運(yùn)行在相當(dāng)直線線路上時(shí)，系統(tǒng)采用直線間隔時(shí)間噴脂動(dòng)作；當(dāng)車輛運(yùn)行在相當(dāng)彎道線路上時(shí)，系統(tǒng)采用彎道間隔時(shí)間噴脂動(dòng)作。通常情況下，彎道間隔時(shí)間比直線間隔時(shí)間短；當(dāng)車輛發(fā)出撒沙信號(hào)時(shí)，輪緣潤(rùn)滑控制系統(tǒng)停止工作，避免造成車輪空轉(zhuǎn)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的用電設(shè)備有電控器、驅(qū)動(dòng)泵、電磁閥和檢測(cè)閥，依據(jù)車輛提供的供電電源及功率配置，將用電設(shè)備分為弱電控制部分和強(qiáng)電動(dòng)力部分。弱電控制部分使用24 V直流電源，其用電設(shè)備包括電控器、電磁閥和檢測(cè)閥；強(qiáng)電動(dòng)力部分使用380 V交流電源，其用電設(shè)備為驅(qū)動(dòng)泵。這樣區(qū)分的好處還在于避免由于驅(qū)動(dòng)泵頻繁啟停對(duì)控制系統(tǒng)造成的電磁干擾。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。其中電控器為系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)噴脂指令的輸出和供風(fēng)風(fēng)源的控制；驅(qū)動(dòng)泵M為氣缸打風(fēng)，選用的驅(qū)動(dòng)泵電機(jī)為110 V直流電機(jī)，需配置380 V轉(zhuǎn)110 V的轉(zhuǎn)換電源為電機(jī)供電；氣缸為儲(chǔ)氣裝置，主要用于儲(chǔ)氣和穩(wěn)定噴脂風(fēng)源氣壓，所選用的氣缸容積為8 L；電磁閥用于驅(qū)動(dòng)噴頭輸出潤(rùn)滑脂；壓力閥用于檢測(cè)氣缸內(nèi)氣壓的壓力，以高低電平值作為檢測(cè)信號(hào)輸入到電控器內(nèi)，當(dāng)噴脂過程檢測(cè)到風(fēng)缸氣壓低于500 kPa時(shí)，此時(shí)壓力閥輸出跳變?yōu)榈碗娖剑?dāng)驅(qū)動(dòng)泵打風(fēng)過程中檢測(cè)到風(fēng)缸氣壓高于900 kPa時(shí)，壓力閥輸出跳變?yōu)楦唠娖剑娍仄餍铏z測(cè)信號(hào)跳變過程，用于控制驅(qū)動(dòng)泵的啟停。

整個(gè)控制系統(tǒng)以電控器為核心，主要功能為：

（1）采集車輛提供的3路控制信號(hào)（運(yùn)行信號(hào)、方向信號(hào)、撒沙信號(hào)）及檢測(cè)裝置本身的加速度傳感器信號(hào)，通過內(nèi)部邏輯判斷輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作；

（2）電控器通過采集連接在氣缸上的壓力傳感器判斷是否接通供電 電源為氣缸充氣；

（3）彎道信號(hào)檢測(cè)功能也集中于電控器內(nèi)，用于判斷車輛是否通過彎道線路。

2.1 驅(qū)動(dòng)泵啟動(dòng)電路分析

輪緣潤(rùn)滑裝置需頻繁啟停驅(qū)動(dòng)泵為氣缸充氣，需考慮驅(qū)動(dòng)泵電機(jī)在啟動(dòng)過程中啟動(dòng)電流影響，避免啟動(dòng)電流過大造成對(duì)電機(jī)壽命的影響，或引起前端電氣設(shè)備故障。驅(qū)動(dòng)泵直接啟動(dòng)時(shí)的供電電流波形見圖2，可以看出，沖擊電流為60.0 A，持續(xù)時(shí)間為10 ms；啟動(dòng)電流為21.3 A，持續(xù)時(shí)間為150 ms；而額定運(yùn)行電流為4.7 A，可見啟動(dòng)沖擊電流是額定運(yùn)行時(shí)的數(shù)倍。綜合考慮各種軟啟動(dòng)方法，采用降壓?jiǎn)?dòng)方式實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。

軟啟動(dòng)方式的主電路結(jié)構(gòu)為：380 V電源與轉(zhuǎn)換電源之間使用固態(tài)繼電器連接，通過控制固態(tài)繼電器通斷控制驅(qū)動(dòng)泵運(yùn)行，而轉(zhuǎn)換電源直接連接驅(qū)動(dòng)泵電機(jī)。轉(zhuǎn)換電源輸出0～110 V為線性增加，時(shí)間為2 s，此時(shí)驅(qū)動(dòng)泵電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流波形見圖3，可見該形式的啟動(dòng)電流很小。此種主電路結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換電源的軟啟動(dòng)設(shè)置可解決驅(qū)動(dòng)泵頻繁啟停帶來的沖擊電流影響。

2.2 電控器硬件電路設(shè)計(jì)

電控器硬件電路框圖見圖4[8]，主要由加速度傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路、主控制器、電源EMC濾波電路及電源管理模塊、鍵盤輸入、LCD液晶顯示、強(qiáng)弱電隔離電路、與車輛交互的信號(hào)接口電路組成。

其中主控制器采用Cyanal公司C8051F020器件，是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU，其內(nèi)部集成數(shù)字I/O引腳、SPI通信、64K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器、12位A/D轉(zhuǎn)換器及25 MPIS（每秒執(zhí)行百萬條指令）的最高速度，使電路的組成大為簡(jiǎn)化，縮小硬件尺寸的同時(shí)提高了系統(tǒng)可靠性。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 驅(qū)動(dòng)泵直接啟動(dòng)時(shí)的供電電 流波形

圖3 降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的電流波形

圖4 電控器硬件電路框圖

選擇加速度傳感器ADXL203作為彎道檢測(cè)元器件，是完整的高精度、低功耗、雙軸加速度計(jì)，提供經(jīng)過信號(hào)調(diào)理的電壓輸出，所有功能均集成于1個(gè)單芯片IC中。器件的量程范圍為±1.7g，精度為0.001g，滿足車體振動(dòng)范圍。在加速度作用下，傳感器中的多晶體硅結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生偏移，拉動(dòng)電容運(yùn)動(dòng)極板滑動(dòng)使電容值發(fā)生變化，最終導(dǎo)致輸出電壓變化，利用這個(gè)原理，可通過差動(dòng)電容檢測(cè)到加速度變化，加速度值與輸出電壓成正比。

ADXL203既可測(cè)量靜態(tài)加速度，也可測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，其最小帶寬為0.5 Hz，最大帶寬可達(dá)到2 500.0 Hz，滿足以下關(guān)系：

式中：Rf為集成在芯片內(nèi)部阻值為32 kΩ的電阻；Cf為濾波器電容。

由于列車橫向振動(dòng)能量主要集中在低頻段1～10 Hz，最小不失真采樣帶寬為20 Hz，為更精確測(cè)量，本控制系統(tǒng)采樣帶寬選擇為50 Hz，由式（1）計(jì)算得到濾波電容值Cf=0.1 μF。

2.3 防浪涌電路設(shè)計(jì)

車輛供電環(huán)境復(fù)雜，其中雷擊浪涌現(xiàn)象對(duì)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的破壞力，其瞬時(shí)尖峰電壓可達(dá)數(shù)千伏，瞬時(shí)沖擊電流可對(duì)控制系統(tǒng)造成永久性損壞，為了保證控制系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠運(yùn)行，需在控制系統(tǒng)供電入口端加入浪涌保護(hù)電路（見圖5）。其中，F(xiàn)21為保險(xiǎn)絲，F(xiàn)22為自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，D21為防反接二極管，R21為壓敏電阻，R22為放電管，由R21和R22組成放電回路。工作原理為：當(dāng)雷擊浪涌發(fā)生時(shí)，過電壓將開啟壓敏電阻R21與放電管R22組合體，將浪涌能量泄放掉，保護(hù)后續(xù)工作電路和元器件，在壓敏電阻R21與放電管R22組合體開啟瞬間，線路中將產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖電流，由于自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F22的作用，使得線路中脈沖電流幅值降低，既保護(hù)熔斷體F21不發(fā)生熔斷，又降低了瞬時(shí)脈沖電流對(duì)壓敏電阻的沖擊，延長(zhǎng)其使用壽命；同時(shí)，在控制系統(tǒng)開機(jī)通電瞬間，由于內(nèi)部電路中的濾波電容等效電阻為零，線路中也會(huì)產(chǎn)生瞬間尖峰電流，此時(shí)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲能有效降低尖峰電流幅值，保護(hù)后續(xù)電路和元器件，同時(shí)也避免該尖峰電流燒毀熔斷體。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)總體流程見圖6[9]。在主程序中，會(huì)實(shí)時(shí)采集車輛的運(yùn)行信號(hào)、方向信號(hào)和撒沙信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)出車輛給定運(yùn)行信號(hào)和方向信號(hào)的同時(shí)沒有撒沙信號(hào)，控制系統(tǒng)執(zhí)行潤(rùn)滑控制策略。彎道信號(hào)由ADC觸發(fā)中斷程序執(zhí)行，每0.5 s判斷1次是否有彎道信號(hào)，如果檢測(cè)到彎道信號(hào)則執(zhí)行1次彎道噴脂，在一定時(shí)間間隔后再次判斷車輛行駛線路狀態(tài)。

控制系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測(cè)氣缸內(nèi)壓力值。當(dāng)壓力值低于500 kPa時(shí)，控制系統(tǒng)給出接通380 V電源開關(guān)信號(hào)，空壓機(jī)正常啟動(dòng)工作為氣缸充氣；當(dāng)壓力值高于900 kPa時(shí)，控制系統(tǒng)切斷380 V電源開關(guān)，停止為氣缸充氣。

3 應(yīng)用情況

圖5 浪涌保護(hù)電路

圖6 控制系統(tǒng)總體流程

控制系統(tǒng)安裝集成度高，將電控器、轉(zhuǎn)換電源、驅(qū)動(dòng)泵、氣缸、電磁閥、檢測(cè)閥、儲(chǔ)脂罐及管路全部集成安裝于統(tǒng)一整體，便于車輛安裝布置。該控制系統(tǒng)已通過國(guó)家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的型式試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括功能試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)，且全部試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)符合要求并取得型式試驗(yàn)報(bào)告。目前，該控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用到廣州低地板車項(xiàng)目中（見圖7），該項(xiàng)目自2016年裝車應(yīng)用至今，裝置能自動(dòng)識(shí)別彎道線路，輪緣減摩效果明顯，證明該控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 控制系統(tǒng)應(yīng)用于廣州低地板車項(xiàng)目