梁 鵬，余接任，羅曉峰，李太鵬

（1. 株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2. 湖南中車智行科技有限公司，湖南 長沙 410006；3. 湖南中車西屋軌道交通技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410006）

0 引言

智能軌道快運(yùn)電車［1-2］（簡稱“智軌電車”），是一種采用全軸轉(zhuǎn)向、軌跡跟隨控制技術(shù)，通過主動(dòng)安全、車載信號(hào)、機(jī)器視覺控制等對(duì)車輛行駛進(jìn)行電子約束的全電力驅(qū)動(dòng)、沿虛擬軌道運(yùn)行的鉸接式膠輪車輛。智軌電車自首次發(fā)布以來，為適應(yīng)市場發(fā)展的需要，開展了多輪迭代設(shè)計(jì)［3-5］，從初代的工程化樣車，到“初心號(hào)”、“使命號(hào)”，再到如今的氫能智軌，應(yīng)用了越來越多的前沿技術(shù)，車輛的品質(zhì)不斷提升。而傳統(tǒng)電空制動(dòng)控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出集成度不高、調(diào)壓精度低、網(wǎng)絡(luò)通信性能差和可維護(hù)性不足等現(xiàn)狀［6-8］?；谶@些現(xiàn)狀，有必要開展新一代電空制動(dòng)控制技術(shù)的研發(fā)。本文提出了電控和氣控高度集成化，雙以太網(wǎng)通信架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并開展了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試及與傳統(tǒng)制動(dòng)控制系統(tǒng)的對(duì)比分析。

1 智軌電車新一代電空制動(dòng)控制系統(tǒng)

基于軌道交通應(yīng)用多年的控制技術(shù)［9-10］，智軌電車新一代電空制動(dòng)控制技術(shù)對(duì)原智軌電車制動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了整合，形成了集成電控單元和調(diào)壓集成模塊（圖1）。集成電控單元將制動(dòng)控制和壓力調(diào)節(jié)模塊合二為一；調(diào)壓集成模塊將壓力調(diào)節(jié)閥、應(yīng)急電磁閥、中繼閥、遠(yuǎn)程緩解閥及限壓閥等多個(gè)功能閥集成到一個(gè)模塊中。整套系統(tǒng)集成度高，功能強(qiáng)大，呈現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

圖1 集成電控單元和調(diào)壓集成模塊示意Fig.1 Integrated electronic control unit and pressure regulation integrated module

1.1 集成電控單元

傳統(tǒng)智軌電車制動(dòng)控制系統(tǒng)的制動(dòng)控制和壓力調(diào)節(jié)為2個(gè)獨(dú)立模塊，如圖2所示。制動(dòng)控制模塊計(jì)算出目標(biāo)壓力值，發(fā)送給壓力調(diào)節(jié)模塊去執(zhí)行壓力調(diào)節(jié)功能［11］。該系統(tǒng)存在傳輸延時(shí)，響應(yīng)不及時(shí)，功能分散等缺點(diǎn)。而新電空制動(dòng)控制系統(tǒng)的集成電控單元，將傳統(tǒng)的制動(dòng)控制和壓力調(diào)節(jié)功能合二為一，實(shí)現(xiàn)了集成，消除了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，如圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)制動(dòng)控制和壓力調(diào)節(jié)關(guān)系Fig.2 Relationship between traditional brake control and pressure regulation

圖3 采用集成電控單元的新電空制動(dòng)控制系統(tǒng)Fig.3 New electro-pneumatic braking control system using integrated electronic control unit

集成電控單元的外形尺寸為21.7 cm × 13.5 cm ×5.0 cm，滿足IP67 防護(hù)等級(jí)的封閉模塊，其防護(hù)等級(jí)高，利于在車輛上進(jìn)行安裝布局和維護(hù)，如圖4所示。

圖4 集成電控單元Fig.4 Integrated electronic control unit

集成電控單元的電路板包含控制和驅(qū)動(dòng)兩塊板子，采用疊板設(shè)計(jì)。其主要硬件接口包含7路DI輸入，3路DO輸出，6路AD采樣，2路速度采集，6路閥驅(qū)動(dòng)，2 路以太網(wǎng)通信，4 根地址跳線等。控制電路板的主控芯片采用32 位ARM 處理器，由1 024 KiB 大小的NVSRAM進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。閥驅(qū)動(dòng)電路具有過流保護(hù)和輸出反饋等防護(hù)和檢測(cè)功能。AD 采樣電路具有傳感器電源監(jiān)視和保護(hù)功能。

控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用分層，各功能模塊化，實(shí)現(xiàn)了常用制動(dòng)、安全制動(dòng)、應(yīng)急制動(dòng)、緊急制動(dòng)和保持制動(dòng)等多種制動(dòng)工況下的制動(dòng)力計(jì)算和管理，壓力調(diào)節(jié)、故障診斷等多種功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了踏板遲滯、踏板感覺選擇、空重車制動(dòng)力調(diào)整和遠(yuǎn)程緩解等功能。

1.2 調(diào)壓集成模塊

調(diào)壓集成模塊將多個(gè)模塊化功能閥集成在一起，結(jié)構(gòu)緊湊、功能聚合，簡化了氣路布局，節(jié)省了管路空間，如圖5所示。其采用經(jīng)過軌道交通充分驗(yàn)證使用過的壓力調(diào)節(jié)閥，壓力調(diào)節(jié)穩(wěn)定且調(diào)節(jié)精度高，并可以長時(shí)間得電［12-13］。應(yīng)急電磁閥和壓力調(diào)節(jié)閥的兩路壓力經(jīng)過取大閥處理后，進(jìn)入中繼閥，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急壓力與常規(guī)壓力獨(dú)立施加和防疊加功能。通過遠(yuǎn)程緩解閥，可在駕駛室遠(yuǎn)程隔離指定軸的基礎(chǔ)制動(dòng)功能。

圖5 調(diào)壓集成模塊Fig.5 Pressure regulation integrated module

2 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證智軌電車新一代制動(dòng)控制系統(tǒng)的功能和性能，本文采用湖南中車智行科技有限公司依據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《智能軌道快運(yùn)電車制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)規(guī)范》編制的用于智能軌道快運(yùn)電車制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試的《地面聯(lián)合測(cè)試試驗(yàn)大綱》和《智軌電車制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)大綱》，分別開展了地面聯(lián)合測(cè)試和整車制動(dòng)測(cè)試。

2.1 地面聯(lián)合測(cè)試

地面測(cè)試臺(tái)如圖6所示，通過外接氣路和電路，將電控單元和調(diào)壓集成模塊聯(lián)合起來，依據(jù)《地面聯(lián)合測(cè)試試驗(yàn)大綱》，開展多項(xiàng)試驗(yàn)，包含：常用調(diào)壓、階躍調(diào)壓、應(yīng)急制動(dòng)和遠(yuǎn)程緩解、背壓制動(dòng)、中繼閥靜態(tài)特性、氣密性試驗(yàn)、高低溫性能測(cè)試及疲勞耐久測(cè)試等。

圖6 地面測(cè)試臺(tái)示意Fig.6 Schematic of ground test bench

聯(lián)合測(cè)試結(jié)果如表1 所示，各項(xiàng)點(diǎn)均滿足試驗(yàn)大綱要求，可以開展后續(xù)的整車制動(dòng)測(cè)試。

表1 聯(lián)合測(cè)試結(jié)果Tab.1 The results of combined test

2.2 整車制動(dòng)測(cè)試

邀請(qǐng)專業(yè)的第三方檢測(cè)公司，按照《智軌電車制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)大綱》，開展了氫能智軌電車整車制動(dòng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 整車制動(dòng)測(cè)試結(jié)果Tab.2 The results of vehicle braking test

由第三方測(cè)試結(jié)果可知，氫能智軌電車的踏板背壓制動(dòng)試驗(yàn)、踏板常用制動(dòng)試驗(yàn)、電制動(dòng)切除踏板常用制動(dòng)試驗(yàn)、踏板緊急制動(dòng)試驗(yàn)、應(yīng)急制動(dòng)試驗(yàn)、安全制動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果均符合試驗(yàn)大綱要求。這表明新一代制動(dòng)控制系統(tǒng)的功能和性能滿足裝車要求。

3 與傳統(tǒng)智軌電車制動(dòng)控制系統(tǒng)的對(duì)比分析

3.1 系統(tǒng)集成

傳統(tǒng)智軌電車制動(dòng)控制系統(tǒng)采用獨(dú)立的制動(dòng)控制模塊、壓力調(diào)節(jié)模塊、應(yīng)急電磁閥和限壓閥，分布式布局，功能分散，氣路復(fù)雜。智軌電車新一代制動(dòng)控制系統(tǒng)使用集成電控單元替換了制動(dòng)控制模塊及壓力調(diào)節(jié)模塊，使用調(diào)壓集成模塊替換了壓力調(diào)節(jié)閥、應(yīng)急電磁閥及限壓閥，同時(shí)新增了遠(yuǎn)程緩解閥，系統(tǒng)功能聚合、集成度高，氣路得以簡化，如圖7所示。

圖7 智軌電車新一代制動(dòng)控制系統(tǒng)集成Fig.7 Integration of new generation of braking control system of autonomous-rail rapid tram

3.2 壓力調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)智軌制動(dòng)控制系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)，存在以下功能和性能缺點(diǎn)：低壓區(qū)間易長期振蕩；不支持長時(shí)間得電，閥容易燒損；單次階躍調(diào)壓閥動(dòng)作次數(shù)平均在6次左右，閥使用壽命難以有效保障；高壓區(qū)間控制精度低，調(diào)壓誤差達(dá)到±40 kPa。

新一代制動(dòng)控制系統(tǒng)采用全新一代調(diào)壓算法，配套經(jīng)軌道交通充分驗(yàn)證過的壓力調(diào)節(jié)閥。圖8 示出壓力調(diào)節(jié)及閥動(dòng)作信號(hào)，從圖中可以看出，壓力值在低壓區(qū)穩(wěn)定不振蕩；支持長時(shí)間得電，無燒損顧慮；閥動(dòng)作次數(shù)少（AMV：施加電磁閥；RMV：緩解電磁閥），單次階躍調(diào)壓閥動(dòng)作次數(shù)平均在3 次左右，較傳統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)模塊的減少了約50%，閥使用壽命從而得以保障；整體調(diào)壓精度高，調(diào)壓誤差能控制在±10 kPa以內(nèi)。

圖8 壓力調(diào)節(jié)及閥動(dòng)作信號(hào)Fig.8 Pressure regulation and valve action signals

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信和維護(hù)軟件

傳統(tǒng)智軌電車制動(dòng)控制系統(tǒng)采用CAN通信，數(shù)據(jù)傳輸量少、速度慢、冗余度低。每個(gè)模塊都需要一個(gè)獨(dú)立的控制軟件和維護(hù)軟件，且只能分別到各個(gè)模塊進(jìn)行單點(diǎn)維護(hù)，特別是壓力調(diào)節(jié)模塊需要通過仿真器燒寫程序，維護(hù)十分不便。

新一代制動(dòng)控制系統(tǒng)采用雙以太網(wǎng)進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳輸量大增，速度變快，雙路數(shù)據(jù)互為備份，提高了通信 冗余性。隨著電控單元的集成，制動(dòng)控制系統(tǒng)僅需一個(gè)控制軟件和一個(gè)維護(hù)軟件，并可通過交換機(jī)對(duì)所有集成電控單元進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)十分便利。圖9是新一代集成電控單元配套的上位機(jī)維護(hù)軟件，其具有變量監(jiān)視（含在線數(shù)據(jù)監(jiān)視、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回放、參數(shù)在線更改）、程序更新、故障分析及故障配置等多種功能，還可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行參數(shù)的修改和配置，功能強(qiáng)大，操作靈活。

圖9 上位機(jī)維護(hù)軟件Fig.9 Portable test unit

目前，新一代電空制動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)在出口馬來西亞的首列氫能智軌樣車上完成了裝車調(diào)試，在系統(tǒng)集成，壓力調(diào)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)通信和維護(hù)水平等多方面均比傳統(tǒng)智軌制動(dòng)系統(tǒng)表現(xiàn)更加優(yōu)異。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)智軌電車傳統(tǒng)制動(dòng)控制系統(tǒng)集成度不高、調(diào)壓精度低、網(wǎng)絡(luò)通信和維護(hù)性不足等現(xiàn)狀，研發(fā)了新一代電空制動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將制動(dòng)控制和壓力調(diào)節(jié)模塊合二為一，同時(shí)將壓力調(diào)節(jié)閥、應(yīng)急電磁閥、遠(yuǎn)程緩解閥等多個(gè)模塊化功能閥集成在一起，極大提升了系統(tǒng)集成性；并采用經(jīng)軌道交通驗(yàn)證使用過的壓力調(diào)節(jié)閥，壓力調(diào)節(jié)穩(wěn)定，且調(diào)節(jié)精度高；同時(shí)，采用雙以太網(wǎng)通信架構(gòu)，提升了網(wǎng)絡(luò)通信和維護(hù)水平。

本文對(duì)氫能源整車能源管理配合和PHM（故障預(yù)測(cè)和健康管理）研究還比較有限，后續(xù)將在這兩個(gè)方面作進(jìn)一步研究。