王慧，徐亞昆，李釗

（1.中車永濟(jì)電機(jī)有限公司檢測(cè)試驗(yàn)中心，陜西西安，710000；2.中車永濟(jì)電機(jī)有限公司軌道交通系統(tǒng)開發(fā)部，陜西西安，710000）

0 引言

為避免高速動(dòng)車組在制動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)滑行，動(dòng)車組設(shè)置電制動(dòng)防滑裝置和空氣制動(dòng)防滑裝置。防滑控制的控制算法和邏輯是基于輪軌間的黏著狀態(tài)變化進(jìn)行設(shè)計(jì)，最常用的控制策略是基于速度差和減速度的復(fù)合判據(jù)式防滑控，同時(shí)電制動(dòng)和空氣制動(dòng)互相配合實(shí)現(xiàn)。本文主要針對(duì)復(fù)興號(hào)動(dòng)車組在制動(dòng)滑行保護(hù)試驗(yàn)中出現(xiàn)的滑行過(guò)流問(wèn)題進(jìn)行分析，并詳細(xì)分析了電制動(dòng)防滑控制中存在的問(wèn)題，提出了優(yōu)化改進(jìn)建議。通過(guò)仿真測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的防滑控制系統(tǒng)的有效性和可靠性，為國(guó)高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)防滑控制提供有益經(jīng)驗(yàn)[1][2]。

1 黏著分析與黏著控制

輪軌間所能傳遞的最大切向力（黏著力）與接觸載荷之比即為黏著系數(shù)，如式(1)：

式中 為黏著系數(shù)；Fa最大切向力（黏著力）；W車輛垂直負(fù)載。

由黏著蠕滑理論的試驗(yàn)研究表明，輪軸速度Vaxis與車輛速度Vtrain存在一定的速度差，此速度差與車輛速度的百分比即為滑移率，如式(2)：

式中λ滑移率；Vtrain車速；Vaxis軸速。

黏著力是在輪軌接觸部分伴隨著微小打滑所傳遞的力。在制動(dòng)過(guò)程中，必須保證制動(dòng)力Fb小于黏著力Fa，否則車輪就有打滑的危險(xiǎn)。黏著控制是通過(guò)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)輪軌之間黏著力的最佳利用。為此，必須及早判別打滑極限值的出現(xiàn)，可靠地避免打滑現(xiàn)象。在出現(xiàn)諸如軌面狀態(tài)變化的情況下，黏著控制應(yīng)保證在制動(dòng)過(guò)程中，始終以最大黏著力工作而不超過(guò)黏著極限值。制動(dòng)力Fb的計(jì)算需要考慮基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的技術(shù)特性，包括傳動(dòng)特性、摩擦特性等，其與制動(dòng)缸壓力cP的關(guān)系如式(3)所示：

式中α，β為常數(shù)參數(shù)，D為車輪直徑。在制動(dòng)過(guò)程中，輪對(duì)的動(dòng)態(tài)特性（減速度、黏著力和制動(dòng)力的關(guān)系）可由式(4)描述：

式中ω：角加速度；I：輪對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；rw：車輪半徑；rb：有效制動(dòng)半徑[3]。

2 高速動(dòng)車組制動(dòng)防滑控制原理

高速動(dòng)車組的制動(dòng)力主要由空氣制動(dòng)力和電制動(dòng)力構(gòu)成，其中空氣制動(dòng)由整車BCU（Brake Control Unit）控制單元進(jìn)行控制，電制動(dòng)力由TCU（Traction Control Unit）牽引控制單元進(jìn)行控制。BCU和TCU通過(guò)數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)空氣制動(dòng)和電制動(dòng)力的相互配合發(fā)揮。

動(dòng)車組在高速運(yùn)行和在踏面條件惡劣的情況下輪軌黏著系數(shù)降低，為避免制動(dòng)過(guò)程中因黏著降低導(dǎo)致發(fā)生制動(dòng)滑行引起輪對(duì)擦傷，空氣制動(dòng)系統(tǒng)和電制動(dòng)系統(tǒng)均設(shè)計(jì)有防滑控制功能。

動(dòng)車組在級(jí)位模式下防滑行以BCU為主，由BCU來(lái)判斷防滑并將減載后的防滑減量發(fā)給TCU來(lái)執(zhí)行，然后TCU再將具體執(zhí)行的防滑減量反饋給BCU，當(dāng)電制動(dòng)力不足時(shí)，BCU會(huì)根據(jù)整車制動(dòng)力不變的原則在本車內(nèi)對(duì)未滑行的軸進(jìn)行補(bǔ)充空氣制動(dòng)。

■2.1 黏著控制方法

在輪軌條件惡劣的條件下，由于輪軌黏著系數(shù)降低，動(dòng)力軸發(fā)生嚴(yán)重滑行，制動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)到滑行后，BCU向TCU下發(fā)防滑減量請(qǐng)求，TCU根據(jù)組合黏著控制法進(jìn)行電制動(dòng)力卸載，具體控制如圖1所示，首先根據(jù)采集的電機(jī)轉(zhuǎn)速、拖軸速度、電機(jī)電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波處理，基于輪對(duì)蠕滑速度、加速度以及加速度微分等多方法組合對(duì)空轉(zhuǎn)/滑行趨勢(shì)進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)相應(yīng)的變量超過(guò)其預(yù)先設(shè)定的閾值后判斷為空轉(zhuǎn)/滑行，之后根據(jù)檢測(cè)的速度差、加速度等數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)當(dāng)前工況的最大粘著力，最終按空轉(zhuǎn)滑行程度采用動(dòng)態(tài)兩段式轉(zhuǎn)矩調(diào)整邏輯恢復(fù)轉(zhuǎn)矩。

■2.2 電制動(dòng)防滑黏著控制原理

牽引控制單元通過(guò)采集電機(jī)的速度傳感器信號(hào)，計(jì)算動(dòng)軸速度，同時(shí)通過(guò)與BCU的信息交互，得到給定車速和拖軸速度。動(dòng)車組制動(dòng)滑行的判據(jù)是基于輪對(duì)蠕滑速度、減速度以及減速度微分等對(duì)滑行識(shí)別，一旦檢測(cè)到滑行后開始卸載，待卸載到合適轉(zhuǎn)矩后，如果控制系統(tǒng)檢測(cè)到車輪滑行消失，維持當(dāng)前較低轉(zhuǎn)矩輸出一段時(shí)間而后按以下兩種不同的“滑行后轉(zhuǎn)矩恢復(fù)斜率”曲線恢復(fù)至空轉(zhuǎn)/滑行前的轉(zhuǎn)矩，設(shè)置不同的斜率主要原因是輪軌是機(jī)械系統(tǒng)，滑行產(chǎn)生后需要一定的時(shí)間來(lái)恢復(fù)，因此為了避免產(chǎn)生連續(xù)滑行，如圖2所示，所以在轉(zhuǎn)矩較大時(shí)采用較小的斜率來(lái)恢復(fù)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)矩逼近滑行前的轉(zhuǎn)矩，有利于輪軌再黏著。

圖2 粘著控制邏輯圖

3 高速條件下制動(dòng)防滑試驗(yàn)

■3.1 制動(dòng)滑行逆變過(guò)流的分析及優(yōu)化

復(fù)興號(hào)動(dòng)車組防滑行試驗(yàn)中，需要在一定長(zhǎng)度的軌道上灑減摩液，驗(yàn)證輪軌惡劣黏著條件下的制動(dòng)滑行控制及保護(hù)功能。在動(dòng)車組經(jīng)過(guò)該區(qū)域軌道時(shí)，從牽引工況轉(zhuǎn)制動(dòng)工況，由于減摩液導(dǎo)致輪軌黏著系數(shù)降低，動(dòng)力軸發(fā)生嚴(yán)重滑行，制動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)到滑行后，BCU向TCU下發(fā)防滑減量請(qǐng)求，TCU根據(jù)組合黏著控制法進(jìn)行電制動(dòng)力卸載，首先根據(jù)采集的電機(jī)轉(zhuǎn)速、拖軸速度、電機(jī)電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波處理，基于輪對(duì)蠕滑速度、加速度以及加速度微分等多方法組合對(duì)空轉(zhuǎn)/滑行趨勢(shì)進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)相應(yīng)的變量超過(guò)其預(yù)先設(shè)定的閾值后判斷為空轉(zhuǎn)/滑行，之后根據(jù)檢測(cè)的速度差、加速度等數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)當(dāng)前工況的最大粘著力，最終按空轉(zhuǎn)滑行程度采用動(dòng)態(tài)兩段式轉(zhuǎn)矩調(diào)整邏輯恢復(fù)轉(zhuǎn)矩。

在制動(dòng)滑行的過(guò)程中，動(dòng)車組02車報(bào)逆變器2V相過(guò)流故障。通過(guò)下載過(guò)程數(shù)據(jù)，在發(fā)生過(guò)流故障前，02車1架動(dòng)力軸多次檢測(cè)到發(fā)生制動(dòng)滑行。通過(guò)多次制動(dòng)滑行過(guò)程中電制動(dòng)力與空氣制動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，在第一次出現(xiàn)制動(dòng)滑行時(shí)，由于動(dòng)軸速度與車速差小，BCU下發(fā)的防滑減量值較低，牽引轉(zhuǎn)矩調(diào)整幅度較小，電制動(dòng)可以及時(shí)調(diào)整電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出并恢復(fù)黏著狀態(tài)；在第二次發(fā)生制動(dòng)滑行時(shí)，02車1架軸速和02車2架軸速出現(xiàn)較大的速度差，BCU下發(fā)防滑減量值給定值高，TCU電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩發(fā)揮調(diào)整斜率略低于轉(zhuǎn)矩給定斜率，說(shuō)明TCU執(zhí)行的卸載斜率比BCU防滑減量略微偏低。第三次出現(xiàn)制動(dòng)滑行時(shí)，02車1架和2架動(dòng)軸均出現(xiàn)滑行，此次制動(dòng)滑行中電制動(dòng)調(diào)整不及時(shí)引起牽引逆變器過(guò)流故障。

圖3 BCU防滑減量與TCU執(zhí)行情況

圖3中，系列1為BCU下發(fā)防滑減量，系列2為轉(zhuǎn)矩給定，系列3為實(shí)際轉(zhuǎn)矩發(fā)揮，系列4為車速，系列5為1架軸速，系列6為2架軸速。

■3.2 故障原因及解決措施

通過(guò)對(duì)故障數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)導(dǎo)致制動(dòng)滑行控制過(guò)程中出現(xiàn)逆變器過(guò)流的原因?yàn)橐韵氯c(diǎn)：

（1）轉(zhuǎn)矩模式下BCU主導(dǎo)防滑行功能，TCU自身防滑行判據(jù)閾值設(shè)置偏高，未主動(dòng)進(jìn)行防滑行控制；

（2）制動(dòng)工況脈寬調(diào)制7分頻電流環(huán)PI參數(shù)在嚴(yán)重滑行工況適應(yīng)性不足；

（3）轉(zhuǎn)矩模式下BCU主導(dǎo)防滑行功能，BCU給TCU發(fā)送防滑減量時(shí)TCU執(zhí)行BCU的防滑減量斜率偏慢。

針對(duì)以上三點(diǎn)，對(duì)制動(dòng)滑行控制算法進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，提高在黏著系數(shù)降低情況下電制動(dòng)防滑的控制靈敏度，具體措施如下：

（1）適當(dāng)降低TCU自身防滑行判據(jù)閾值，減速度閾值由-8m/s2降低為-6m/s2,當(dāng)產(chǎn)生相對(duì)嚴(yán)重的滑行時(shí)TCU會(huì)根據(jù)BCU的防滑減量降低制動(dòng)力，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算自身的防滑減量，最終將最后發(fā)揮的制動(dòng)力發(fā)送給BCU；

（2）制動(dòng)工況脈寬調(diào)制7分頻電流環(huán)P參數(shù)由0.8改為1.4；

（3）TCU將跟隨斜率由2800Nm/s改為4000Nm/s。

4 優(yōu)化驗(yàn)證

針對(duì)本次牽引逆變器在制動(dòng)滑行試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的過(guò)流問(wèn)題，主要在半實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行了故障復(fù)現(xiàn)和優(yōu)化工作，通過(guò)地面高壓試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行了高壓驗(yàn)證。

控制參數(shù)優(yōu)化后，在速度信號(hào)變化劇烈的情況下優(yōu)化防滑控制等參數(shù)，在相同的工況下進(jìn)行半實(shí)物驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，紅色虛線范圍內(nèi)為模擬車輛發(fā)生滑行速度突降及快速恢復(fù)的過(guò)程，從圖中可以看出，電機(jī)電流隨著速度的變化進(jìn)行調(diào)整，共進(jìn)行兩次驗(yàn)證均未再出現(xiàn)過(guò)流。

5 總結(jié)

通過(guò)制動(dòng)過(guò)程中BCU與TCU配合邏輯的優(yōu)化，TCU主動(dòng)進(jìn)行防滑控制，提高在制動(dòng)滑行中TCU 的轉(zhuǎn)矩減量跟隨速度，已經(jīng)提高減速度等方式，提供了TCU在發(fā)生制動(dòng)滑行時(shí)的反應(yīng)速度。有效避免了制動(dòng)過(guò)程中過(guò)流故障的發(fā)生，避免了可能出現(xiàn)的制動(dòng)滑行可能導(dǎo)致的擦輪等一系列問(wèn)題。

圖4 優(yōu)化參數(shù)后的驗(yàn)證波形