地鐵車輛制動電子控制單元試驗臺

陸悅超 左建勇 吳萌嶺

(同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海∥第一作者,碩士研究生)

當前,制動電子控制單元(BECU)已經被廣泛應用于地鐵車輛的制動系統中。作為車輛制動的控制核心,其可靠性及安全性對行車安全有著巨大的影響。因此必須要設計一套有較高精度和準確性的測試儀器來對BECU進行檢測和試驗。

1 設計方案

本BECU試驗臺利用工控機為核心,通過數據采集卡、PLC(可編程邏輯控制器)、繼電器等外圍器件,對BECU進行檢測及試驗。由于車輛制動系統中包含有各種形式的大量信號,如氣壓、載重等,所以要求本試驗臺具有較高的集成度、兼容性及準確性。

1.1 試驗臺硬件

試驗臺硬件主要實現控制功能和檢測功能。其控制功能由工控機、PLC、執行器件、信號調理器等實現。檢測功能由工控機、數據采集卡、信號調理器、壓力傳感器等部分組成。

在試驗臺電源的各個部件中,220 V的交流電直接由市電提供,其它部件需要的110 V和24 V直流電信號由變壓器提供,被測微機制動單元同樣由試驗臺內變壓器提供110 V交流電。

除了如圖1所示結構外,試驗臺還包括各個部件的電源、繼電器、緊急停止按鈕、顯示器等。

由以上的設計方案進行了BECU試驗臺的制作。考慮到模擬實際車輛環境,BECU的信號分為三路輸入輸出,因此本試驗臺采用車輛上標準的接插件與微機制動單元相連接。第一路為制動控制,包括制動級位、速度輸出、載重輸出、容積室壓力傳感器、載重壓力傳感器、制動電磁閥、緩解、快速制動、速度限制觸點輸出及5路輸出備用。第二路為I/O,包括緊急制動、快速制動、制動信號、保持制動、停放制動、電制動失效、車型選擇、容積室壓力開關、編組選擇、摩擦制動已施加、公里信號、摩擦制動觸點輸出、速度限制觸點輸出及備用輸入輸出。第三路為防滑控制,包括4個速度傳感器輸入、4個防滑電磁閥保壓和排風。

1.2 部件組成

圖2為本試驗臺的實物圖。整個試驗臺由機箱、工控機、電氣單元等組成。

1.2.1 工控機

工控機為此試驗臺的核心,其硬件上通過PCI總線與三塊數據采集卡連接,實現數據采集。通過PC-PPI連接線將 USB(通用串行總線)與PLC的RS-485口連接,向PLC輸出試驗參數以及指令,并接收PLC輸入的來自BECU的信號。工控機軟件上使用Labview作數據采集和控制的核心。

圖1 試驗臺結構框圖

圖2 試驗臺及BECU

1.2.2 PLC單元

在本試驗臺中,采用PLC對部分的模擬量和數字量進行輸入和輸出。PLC的CPU模塊采用西門子公司的產品,并添加2塊模擬量模塊和1塊數字量模塊作為擴展。

其中PLC數字量輸出包括編組選擇、保持制動、快速制動、非制動信號、停放制動施加、摩擦制動施加、速度限制信號等。數字量出入包括三組故障信號、摩擦信號、緊急閥、緊急保護閥、公里信號、CV壓力開關等。模擬量輸出包括模擬載重傳感器信號,模擬量輸入包括容積室傳感器信號、速度信號、載重信號等。圖3為本試驗臺PLC安裝實物。PLC主機與3個擴展間用擴展電纜連接。PLC與工控機間用PC-PPI電纜連接。

圖3 試驗臺安裝的PLC

1.2.3 數據采集及控制單元

在制動系統中,有部分信號的采集與控制必須要有極高的準確性和實時性。例如BECU對于車輛軸速的采集,必須能精確檢測到軸速信號,并及時判斷輪對是否被抱死,快速進行防滑控制。因此,本試驗臺為盡量降低數據讀入的延時,提高檢測精度,使用了NI公司生產的數據采集卡。本試驗臺將數據采集卡1輸出4路脈沖信號來模擬車輛上的4個輪對的軸速。此卡最高電壓輸出為5 V,車輛上的軸速信號為±15 V,所以通用信號調理板將信號轉換隔離后傳輸給BECU。數據采集卡2采集防滑閥反饋信號。數據采集卡3負責采集來自電流型氣壓傳感器的信號。采用電流型氣壓傳感器有利于提高抗干擾能力,增強信號精度。數據采集卡3帶有A/D轉換,并將經轉換后的數字信號傳向工控機。2塊數字量信號采集卡和1塊模擬量信號采集卡采樣頻率都達到了 80 MHz,具有很高的采樣速度和精度。

1.2.4 系統抗干擾設計

對于試驗臺來說,各個信號的采樣頻率對于試驗的準確性有著至關重要的意義。要確定適當的采樣頻率,需要綜合考慮被測信號的最好頻率成分,以及試驗系統所要求達到的精度、系統的噪聲和信號調理板的性能。

信號干擾試驗系統主要有電磁干擾、信道干擾、電源干擾等3個方面。根據本試驗臺實際情況,采取的抗干擾方法主要有:①采用差分信號。由于差分電路的工作取決于兩個信號線上信號之間的差值,同周圍的噪聲相比,得到的信號就是任何一個單端信號的兩倍大小。所以,在其它所有情況都一樣的條件下,差分信號總是具有更高的信噪比,因而提供更高的性能。②屏蔽設計。由于BECU在較密集的空間內輸入輸出多種不同形式的信號,這些信號會互相干擾、劣化。因此試驗臺與微機制動控制單元間的連接都采用了屏蔽線等方法來降低電磁干擾。

2 測控及試驗

2.1 控制軟件及流程

試驗臺軟件核心使用labview實現,包括數據采集、處理及控制程序。

人機界面和控制算法基于labview軟件,可以對BECU電源、直連、電制動失效、數字量輸入、6/8編組數量、動車或拖車等選擇,可以模擬包括保持制動、快速制動、摩擦制動已施加、停放制動已施加、非制動信號、CV壓力開關、緊急制動等信號,能對載重傳感器、容積室傳感器輸出值進行調整。圖4為軟件控制界面,相當于傳統儀器的控制面板和顯示面板。

圖4 試驗臺人機交互界面

圖5為控制程序的簡化流程圖。該程序的功能是接受參數設定,并按照這些參數對BECU進行試驗。程序啟動后,上位機啟動與PLC、數據采集的通信。

2.2 試驗臺試驗

本試驗臺有多種試驗功能,此處選取緊急制動試驗、防滑試驗、階段制動試驗和階段緩解試驗等進 行說明。

圖5 試驗臺控制程序流程圖

由圖6可知:

(1)4個制動缸壓力由250 kPa上升到目標壓力820 kPa的平均時間為3.1 s,制動缸達到90%滿負載壓力的緊急制動響應時間為2.1 s左右,基本滿足設計要求。

(2)4個制動缸壓力重合度略有偏差,這是由于充氣管路長短、彎折情況不同而影響了氣壓變化的時間。

(3)制動缸緩解時,壓力從最大下降到250 kPa需要5.5 s。

圖6 緊急制動制動缸壓力上升及下降曲線

圖7和圖8為本試驗臺進行的BECU防滑控制試驗,由上位機模擬車輛4個軸的軸速信號。試驗開始時,將4個軸速設定為相同值,并開始制動,可以看到最初4個制動缸壓力基本相同;此時,降低1個軸的軸速,模擬此軸上的輪對打滑。試驗結果證明,此時BECU能夠準確做出判斷,并降低此軸上的制動缸壓力,緩解制動力。

圖9為本試驗臺進行的階段制動及階段緩解試驗圖,可以看到試驗臺發出DC 60 V 400 Hz的PWM(脈寬調制)制動級位信號對制動級位進行控制。由圖上試驗結果可以看到,本試驗制動級位清晰、信號穩定、無較大失真,可較好模擬列車的司機制動控制器實現階段制動和階段緩解試驗。此外,本試驗臺還能實現無級調速。

圖7 模擬滑行

圖8 防滑控制

圖9 階段制動及階段緩解

3 結語

(1)本試驗臺針對BECU測試的實際需要進行了設計,并研制成功。該試驗臺實際操作易于上手,人機交互界面直觀,運行可靠,完全能滿足實際的測試需求。

(2)在對BECU測試過程中,該試驗臺能夠精確進行各種信號模擬,完成氣動等各種試驗。經過大量試驗證明,該試驗臺可用于 BECU的開發升級,為進一步優化BECU設計提供試驗平臺。

(3)在試驗過程中,通過數據分析可以看到,試驗臺軟件的數據算法較合理,但部分數據采集和處理控制程序如軟件濾波等有待日后不斷完善。

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