(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

制動系統(tǒng)作為軌道交通車輛的核心關(guān)鍵系統(tǒng)之一，是列車安全運營的基本保障。在軌道車輛行業(yè)眾多制動方式中，機(jī)械摩擦制動仍是廣泛使用且最為安全的制動方式[1]，空氣制動、液壓制動系統(tǒng)作為現(xiàn)有的機(jī)械摩擦制動系統(tǒng)已發(fā)展多年，積累了成熟的技術(shù)方案并實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。隨著工業(yè)控制技術(shù)的革新和軌道交通整體性能的不斷提高，對制動系統(tǒng)電氣化、智能化的要求也不斷提高。目前，軌道交通制動系統(tǒng)制動指令已經(jīng)實現(xiàn)電氣化轉(zhuǎn)變，但在將制動指令轉(zhuǎn)換為制動力的實現(xiàn)環(huán)節(jié)仍然無法擺脫對空氣或液壓介質(zhì)的依賴，限制了制動系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

電子機(jī)械制動(electromechanical braking,EMB)技術(shù)是一種利用電能直接驅(qū)動基礎(chǔ)制動中的摩擦副產(chǎn)生摩擦力，從而使得運動減緩或停止的制動技術(shù)。該技術(shù)不僅使制動系統(tǒng)真正地實現(xiàn)全電氣化，具備高集成、快響應(yīng)、高精度的特點，也為制動系統(tǒng)的智能化控制及智能化維護(hù)提供了發(fā)展空間，成為新一代制動系統(tǒng)的發(fā)展方向，有替代軌道交通車輛空氣、液壓制動系統(tǒng)的趨勢[2-4]。

在軌道交通行業(yè)，國內(nèi)外科研人員針對電子機(jī)械制動技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。德國Raco公司在1979年公布了世界上首例軌道車輛的EMB專利[5]。2002—2007年之間，日本鹿兒島市的1000型和長崎3000型低地板有軌電車車型采用電子機(jī)械制動系統(tǒng)替換原車的液壓制動系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)試驗研究[6]。2018年，韓國未來鐵路研究中心開始高速列車EMB的研發(fā)設(shè)計，包括建模仿真驗證基于電流閉環(huán)的夾緊力控制方法的有效性[7]、完成樣機(jī)試制并進(jìn)行了性能測試[8]，通過1∶1制動試驗及疲勞特性試驗，證明電子機(jī)械制動系統(tǒng)可以在高速列車上替代空氣、液壓制動[9-10]。軌道車輛制動系統(tǒng)的世界主流供應(yīng)商達(dá)卡公司研發(fā)了電子機(jī)械制動系統(tǒng)，于2019年在波蘭Modertrans Poznań有軌電車上進(jìn)行了批量裝車運用[11]。德國克諾爾公司于2019年公布了電子機(jī)械制動樣機(jī)成果[12]。國內(nèi)方面，相關(guān)技術(shù)還停留在理論研究和試驗樣機(jī)階段，同濟(jì)大學(xué)吳萌嶺等[13-14]運用電氣技術(shù)的最新成果設(shè)計了適用于軌道車輛的新型電子機(jī)械制動系統(tǒng)；西北工業(yè)大學(xué)林輝等[15-16]借鑒其在無人機(jī)領(lǐng)域中全電剎車技術(shù)的經(jīng)驗，針對軌道車輛電子制動系統(tǒng)設(shè)計了原理樣機(jī)，并進(jìn)行了地面試驗。

本研究針對軌道車輛電子機(jī)械制動系統(tǒng)開展了研發(fā)工作，目前已完成基于低地板有軌電車平臺的電子機(jī)械制動系統(tǒng)設(shè)計和樣機(jī)試制，搭建測試平臺驗證了電子機(jī)械制動系統(tǒng)的功能和性能，為電子機(jī)械制動系統(tǒng)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 基于有軌電車制動系統(tǒng)架構(gòu)

基于有軌電車的電子機(jī)械制動系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示，目標(biāo)有軌電車車型為兩動車一拖車“Mc1-Tp-Mc2”的編組型式。整車系統(tǒng)采用兩級架控的系統(tǒng)架構(gòu)，以一個轉(zhuǎn)向架的制動系統(tǒng)為一個配置單元，獨立執(zhí)行控制邏輯，各轉(zhuǎn)向架間預(yù)留系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)接口，可實現(xiàn)協(xié)同工作機(jī)制。動車Mc1、Mc2車分別配置一套動車電子機(jī)械制動系統(tǒng)，包括安裝于車內(nèi)司機(jī)室的一臺動車電子制動控制單元、轉(zhuǎn)向架吊掛的一臺電機(jī)控制器、安裝于轉(zhuǎn)向架的兩套基礎(chǔ)制動裝置等部件。拖車Tp車配置一套拖車電子機(jī)械制動系統(tǒng)，包括安裝于車內(nèi)頂板的一臺拖車電子制動控制單元、分別在轉(zhuǎn)向架下方和側(cè)方吊掛的兩臺電機(jī)控制器、安裝于轉(zhuǎn)向架的四套基礎(chǔ)制動裝置、軸端軸速傳感器等部件。整列制動系統(tǒng)配置如表1。

圖1 基于有軌電車的電子機(jī)械制動系統(tǒng)構(gòu)架圖Fig. 1 Architecture diagram of electromechanical braking system based on tram

表1 整列電子機(jī)械制動系統(tǒng)配置Tab. 1 Entire train′s electromechanical braking system configuration 套

2 系統(tǒng)組成及工作原理

由上述整車制動系統(tǒng)架構(gòu)可知，電子機(jī)械制動系統(tǒng)主要包括三大部分，分別為制動控制單元、電機(jī)控制器以及基礎(chǔ)制動裝置，如圖2所示。

制動控制單元是制動系統(tǒng)的控制核心，承擔(dān)制動控制、防滑控制等功能，具體包括接收處理司機(jī)室不同類型、級位制動指令，采集及處理車輛載重、速度信號，對接車輛網(wǎng)絡(luò)完成與車輛各子系統(tǒng)間通信，完成制動力計算并協(xié)調(diào)多種制動方式進(jìn)行混合制動，以及完成制動狀態(tài)監(jiān)測、診斷、故障處理及數(shù)據(jù)存儲等功能。

圖2 電子機(jī)械制動系統(tǒng)組成及工作原理圖Fig. 2 Composition and working principle diagram of electromechanical braking system

電機(jī)控制器由供電模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊等部分組成?？刂颇K、驅(qū)動模塊主要功能是接收制動控制單元發(fā)出的制動指令驅(qū)動基礎(chǔ)制動裝置輸出目標(biāo)制動力，并實時反饋自身及基礎(chǔ)制動裝置的運行、故障狀態(tài)。供電模塊并聯(lián)在列車低壓供電線路上，主要功能是在列車低壓供電線路正常時，電機(jī)控制器從列車低壓供電線路獲取電能，此時供電模塊僅起到狀態(tài)監(jiān)控和自身充電管理、健康狀態(tài)管理的功能；當(dāng)列車低壓供電異常時(如電壓過低或斷開)，則由供電模塊自身電源模組為電機(jī)控制器、基礎(chǔ)制動裝置供電，使電子機(jī)械制動系統(tǒng)在車上電源異?；驍嚅_時仍具備以下工作能力：一是在列車停車蓄電池斷電后具備施加停車制動功能；二是在列車發(fā)生解編等極限工況導(dǎo)致車輛蓄電池斷電時，保證電子機(jī)械制動仍可施加緊急制動力。

基礎(chǔ)制動裝置主要由電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、閘片、運動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)等部件組成。電機(jī)接收到電機(jī)控制器的驅(qū)動信號后旋轉(zhuǎn)，通過運動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成輸出軸的推力，推動制動杠桿作用于閘片，使得活動爪側(cè)的閘片先接觸制動盤；隨著接觸力的增大，夾鉗鉗體沿著安裝軸的軸向移動使得另一側(cè)的閘片接觸到制動盤，實現(xiàn)夾緊動作，最終達(dá)到所需的夾緊力?；A(chǔ)制動裝置中設(shè)置力反饋元件，能實時反饋夾緊力值，實現(xiàn)夾緊力的精確控制。緩解時電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過運動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)使輸出軸退回。電機(jī)中設(shè)置霍爾元件，能夠?qū)崟r反饋位置信息，從而確保緩解間隙的準(zhǔn)確。

制動系統(tǒng)具體工作原理為：制動控制單元接收到車輛目標(biāo)制動指令后，考慮黏著、防滑、沖動限制等參數(shù)，實時動態(tài)計算出車輛目標(biāo)制動力并轉(zhuǎn)換為各基礎(chǔ)制動裝置的目標(biāo)夾緊力，通過制動系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和模擬量分別下發(fā)指令給本車各個電機(jī)控制器；各電機(jī)控制器接收到制動力指令后，通過驅(qū)動模塊輸出驅(qū)動電流控制基礎(chǔ)制動裝置內(nèi)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過內(nèi)部的減速機(jī)構(gòu)及傳動機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成輸出軸的推力，推動制動杠桿作用于閘片實現(xiàn)夾緊動作，并實時采集布置于輸出軸后端的力反饋元件力值信息進(jìn)行制動夾緊力閉環(huán)控制。

總之，學(xué)習(xí)興趣、鋼琴技巧和音樂內(nèi)容之間的關(guān)系是相輔相成的，也始終貫穿在鋼琴學(xué)習(xí)中。古人云：“涉淺水者得魚蝦，涉深水者得蛟龍”。只有領(lǐng)會鋼琴教育的本質(zhì)或者說是精髓，才能取得成功，這才是我們鋼琴學(xué)習(xí)的目的與境界。

以力反饋元件獲得的力值信息作為唯一反饋，進(jìn)行單閉環(huán)比例積分(proportion intergration,PI)控制的方式是最直接和常用的方式。但這種控制方法對傳感器的穩(wěn)定性、可靠性要求極高，在實際工程應(yīng)用中，尤其是在極端惡劣工況下，傳感器的漂移、失效都會對制動系統(tǒng)制動力損失造成風(fēng)險。為了擺脫單點失效造成系統(tǒng)功能喪失的風(fēng)險，保障軌道車輛的安全平穩(wěn)運行，本研究提出基于卡爾曼濾波的融合力閉環(huán)控制方法，利用電機(jī)堵轉(zhuǎn)時的電流推算力值，結(jié)合傳感器采集的反饋力值，選取適當(dāng)?shù)目柭鲆?，得到融合后的力值Fm，以融合力值作為系統(tǒng)閉環(huán)控制對象。

計算堵轉(zhuǎn)時的力值，有電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡公式

(1)

(2)

由于摩擦轉(zhuǎn)矩Tf在電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm中占得比例較小，可忽略摩擦轉(zhuǎn)矩，有

(3)

即電機(jī)堵轉(zhuǎn)時，夾緊力與電流近似成線性關(guān)系。

卡爾曼濾波方程

(4)

為求解卡爾曼增益Kk，有

(5)

(6)

圖3 電子機(jī)械制動綜合性能試驗臺Fig. 3 Electronic mechanical brake comprehensive performance test bench

3 試驗及結(jié)果分析

為了對電子機(jī)械制動系統(tǒng)的特性進(jìn)行全方面研究，搭建了電子機(jī)械制動綜合性能試驗臺，如圖3所示。該平臺由制動控制單元、電機(jī)控制器、基礎(chǔ)制動裝置、直流穩(wěn)壓電源及試驗控制平臺等組成。

試驗控制平臺集成S7-1200PLC、PCI-1780U、PCL-720+、PCI-6225、USBCAN等模塊并配備測試用壓力、電流、位移等傳感器，配備上位機(jī)軟件，具備夾緊力、電流、位移等試驗數(shù)據(jù)的采集、存儲功能，可模擬車輛各種制式指令信號，如硬線、模擬量、網(wǎng)絡(luò)指令，實現(xiàn)對電子機(jī)械制動系統(tǒng)的功能及性能測試和分析。具體試驗方法為：通過上位機(jī)給制動控制單元下發(fā)制動指令，制動控制單元將制動指令轉(zhuǎn)化為具體夾緊力指令下發(fā)給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器接收到指令后驅(qū)動基礎(chǔ)制動裝置輸出夾緊力，上位機(jī)軟件將試驗過程中的試驗數(shù)據(jù)保存進(jìn)行分析。

表2 間隙調(diào)整結(jié)果Tab. 2 Gap adjustment results

圖4 目標(biāo)指令0→20 kN階躍曲線Fig.4 Target command 0→20 kN step curve

3.1 間隙調(diào)整試驗

制動系統(tǒng)在非制動情況下需保證閘片與制動盤具備間隙，而制動系統(tǒng)在使用過程中，由于閘片與制動盤產(chǎn)生磨損而使制動間隙增大，將導(dǎo)致電子機(jī)械制動系統(tǒng)響應(yīng)改變。為解決這種問題，本研究制定了間隙調(diào)整策略，自動補償磨損間隙，使其在整個壽命周期始終保持為初始設(shè)定間隙值。通過試驗控制臺發(fā)送間隙調(diào)整指令，電機(jī)控制器控制基礎(chǔ)制動裝置調(diào)整間隙值，更改兩閘片之間模擬制動盤的厚度模擬磨損情況，試驗過程通過位移傳感器記錄間隙值。由表2可知，在不同模擬制動盤厚度情況下，回退間隙始終為2 mm左右，表明系統(tǒng)具備自動精確補償磨損間隙的功能。

3.2 靜態(tài)階躍試驗

試驗控制臺通過CAN(controller area network)通信發(fā)送目標(biāo)夾緊力指令，電機(jī)控制器接收指令并控制輸出夾緊力，試驗控制臺記錄目標(biāo)夾緊力指令并通過網(wǎng)絡(luò)接收電機(jī)控制器采集的實際夾緊力波形，采樣時間為10 ms。

1) 在初始狀態(tài)為2 mm間隙時給定目標(biāo)夾緊力指令0→20 kN。試驗結(jié)果如圖4所示，系統(tǒng)從接收制動指令開始到90%目標(biāo)夾緊力時間約為300 ms，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為±0.3 kN，體現(xiàn)了電子機(jī)械制動系統(tǒng)在響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差控制上具有良好效果。

2) 在初始狀態(tài)為2 mm間隙情況下連續(xù)給定目標(biāo)級位夾緊力指令4→12→20→28→20→12→4 kN，將每個級位保持一定時間。試驗結(jié)果如圖5所示，夾緊力從0→4 kN階躍時，因需要消除2 mm空行程具有相對長的響應(yīng)時間，約300 ms。其余級位的階躍因無空行程響應(yīng)時間較快，平均約110 ms。結(jié)果表明，電子機(jī)械制動系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)各制動級位的切換，可快速穩(wěn)定施加和緩解夾緊力。

圖5 變級位階躍曲線Fig. 5 Variable level step curve

3.3 頻響試驗

為驗證電子機(jī)械制動系統(tǒng)的靜態(tài)頻響特性，分別進(jìn)行夾緊力為4→28 kN的1 Hz正弦波與三角波目標(biāo)指令跟隨試驗，結(jié)果如圖6所示。

圖6 靜態(tài)頻響曲線Fig.6 Static frequency response curve

試驗結(jié)果表明：正弦波跟隨擬合度較好，有一定相位延遲，在波峰和波谷處出現(xiàn)約25 ms的滯后，幅值衰減小于1.5%；三角波跟隨無明顯相位延遲，在波峰和波谷處出現(xiàn)約20 ms的滯后，無明顯幅值衰減情況，體現(xiàn)了電子機(jī)械制動系統(tǒng)具有良好的指令跟隨性能。

3.4 多機(jī)一致性試驗

由于電子機(jī)械制動系統(tǒng)在使用時為多臺配合使用，當(dāng)制動控制單元同時給多個電機(jī)控制器下發(fā)指令時，若基礎(chǔ)制動裝置的執(zhí)行一致性較差會導(dǎo)致車輛出現(xiàn)潛在的安全風(fēng)險，因此本研究進(jìn)行了多機(jī)一致性試驗。通過試驗控制平臺模擬硬線指令，為兩臺電子機(jī)械制動系統(tǒng)同時下發(fā)緊急制動控制指令，記錄各夾鉗外測傳感器采集的實時夾緊力、目標(biāo)指令等數(shù)據(jù)，通過試驗數(shù)據(jù)分析電子機(jī)械制動系統(tǒng)的一致性。硬線指令(緊急制動)多機(jī)一致性試驗曲線如圖7所示，各夾鉗響應(yīng)時間差值小于100 ms，穩(wěn)態(tài)時力誤差小于0.5 kN，表明多機(jī)施加制動時系統(tǒng)具有較好的一致性。

圖7 多機(jī)一致性曲線Fig.7 Multi-machine consistency curve

4 結(jié)論

基于有軌電車車型對電子機(jī)械制動系統(tǒng)開展研究，針對有軌電車車型構(gòu)建了電子機(jī)械制動的整車系統(tǒng)架構(gòu)，并完成制動控制單元、電機(jī)控制器、基礎(chǔ)制動裝置樣機(jī)的設(shè)計及生產(chǎn)，搭建了整套電子機(jī)械制動系統(tǒng)。提出基于卡爾曼濾波的融合力閉環(huán)控制方法，利用搭建的綜合性能測試試驗臺，對電子機(jī)械制動系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行地面試驗，得出以下結(jié)論。

1) 通過不同厚度制動盤進(jìn)行的模擬間隙調(diào)整試驗，表明本電子機(jī)械制動系統(tǒng)具備自動精確補償磨損間隙的功能。

2) 靜態(tài)階躍試驗表明，電子機(jī)械制動系統(tǒng)從指令接收到達(dá)到90%目標(biāo)夾緊力的響應(yīng)時間約為300 ms，無空行程響應(yīng)時間約為110 ms，穩(wěn)態(tài)誤差為±0.3 kN，具有快速響應(yīng)能力及良好的穩(wěn)態(tài)控制精度。

3) 1 Hz正弦波與三角波目標(biāo)指令跟隨試驗結(jié)果表明，跟隨曲線無明顯相位延遲，幅值衰減小于1.5%，實際力值可穩(wěn)定精確跟隨目標(biāo)力值，具備良好的動態(tài)性能。

4) 多機(jī)一致性試驗表明，電子機(jī)械制動系統(tǒng)多機(jī)響應(yīng)時間小于100 ms，具有較好的一致性。

本電子機(jī)械制動系統(tǒng)是基于現(xiàn)有低地板有軌電車平臺所需功能和實際接口設(shè)計的，并針對實際需求進(jìn)行了功能及性能試驗，為后續(xù)裝車試驗奠定基礎(chǔ)，為電子機(jī)械制動系統(tǒng)應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域提供參考。