柔性制動在城市軌道列車上的應用

摘要：城市軌道列車的制動需要一個平緩的過程，從而減小在制動過程中對設備的損害，本文所述的柔性制動器就能夠實現平緩的制動過程。本文針對柔性制動在城市軌道列車上的應用進行了分析和說明。該制動器是以單片機為核心，利用平緩制動的原理實現柔性制動?；诠澚鏖y門的脈沖寬度調制原理，利用液壓器件和電子元件形成安全、可靠的制動力。單片機通過控制繼電器來實現脈寬調制，同時實現溫度、制動次數監控等功能。

關鍵詞：軌道列車柔性制動器單片機脈寬調制繼電器

1概述

柔性制動也稱為平緩制動[1]，它能夠確保一個平緩的制動過程，可減小在制動過程中對機器的磨損和機械部件上的負荷。平緩制動的概念可以應用于風力發電，自動扶梯，傳送系統，煤礦卷揚機，大型通風扇等場合。柔性制動是一個較好的制動解決方案，在不恰當的操作或復雜的制動過程中，可以阻止制動器元件不必要的磨損以及相應的維護。本文設計的柔性制動器可以應用于城市軌道列車上，不僅能夠實現平緩的制動過程，同時還具有監控閘皮的實際溫度、監控制動次數、監控閘皮等功能。

2柔性制動原理

柔性制動主要是使用脈寬調制[2]，調制原理是基于開/關節流閥門脈沖寬度調制原理。這個開/關脈沖寬度調制的基礎是液壓器件和電子元件，形成絕對安全和可靠的制動力。

柔性制動器通過控制兩個節流閥門來實現平緩制動，這兩個節流閥門開關有一個每秒鐘1比10的比率，例如（循環時間）。通過改變制動器的開關的時間，按照圖1所示，它可以控制制動力大小。柔性制動器將通過這種方式調制節流閥門的值，這個制動轉力矩一直按規定實際的平緩的需要，進行控制。

3制動器構成

柔性制動器以單片機為核心，使用的單片機型號是C8051F120，此款單片機具有內部資源豐富、功耗低、運算速度快等特點，能夠滿意制動器的設計要求。不僅能夠實現平緩的制動過程，同時還能夠實現對閘皮溫度的監控、制動次數的監控和閘皮狀態的監控。

3.1平緩制動的實現。本文描述的柔性制動器可以應用于城市軌道列車的制動。由圖2可知，控制器、液壓單元、機械控制單元形成了一個閉環控制系統?？刂破鞯妮敵鍪荘WM信號，反饋是機械控制單元輸出的風機轉速信號。

柔性制動器通過脈寬調制輸出來實現平緩制動的整個過程，也就是說制動器輸出的不同脈沖寬度決定了它所輸出的制動力大小的不同。由圖2所示的三條曲線我們可以很清晰的看到輸出不同的脈沖寬度所對應的制動力的區別。圖2中第一條曲線的制動器開關時間比率為3：1，此時制動力較弱；第二條典線比率為1：1，此時制動力保持不變；第三條曲線比率為1：3，此時制動力較大。由此可見，通過不同的開關時間比率可以控制制動力的大小，從而實現柔性制動[3]。在這個閉環控制系統中，我們采用PID控制算法來實現。

3.2閘皮溫度的監控。閘皮是制動結構中非常重要的一個部件。閘皮在制動時的溫度是一個重要參數，如果不能及時發現閘皮溫度的快速變化，將造成不可挽回的嚴重后果。所以本設計在柔性制動器中加入了對閘皮溫度監控的功能。

制動監測器將不斷的監測和記錄閘皮的溫度。這個記錄意味著制動監測器將依賴預先設定好的參數和閘皮的實際溫度而給出一個“磨損”或“警告”的信號。

這里使用PT100鉑電阻作為溫度傳感器，對溫度進行采集，溫度測試范圍為10℃-260℃。本設計用AD7711芯片為核心來構成PT100測量電路，因為AD7711自身不但能夠提供恒流源，而且有信號調理電路，并能夠進行AD轉換，這樣就簡化了整個電路的設計。

3.3制動次數的監控。制動監測器記錄所有的制動次數（制動是在連續的過程中從制動器被提起開始，到制動可應用再到制動被提起為一次）。這個紀錄意味著制動監測器將依賴預先設定好的參數和實際制動的次數而給出一個“磨損”或“警告”的信號。

制動監測器也能給一個“需要維護”的信號，一般情況下國內的制動器可以運行50000次。這里采用數字I/O式傳感器，每制動一次，傳感器輸出一個數字I/O信號[4]。

3.4閘皮的監控。制動監測器也能監測閘皮的工作情況。當閘皮已經被磨損的時候，可以給出一個警告信號[5]。這個記錄意味著制動器監測器將在閘皮使用到一定程度后發出閘皮磨損的“磨損”信號。這里也采用數字I/O式傳感器，閘皮磨損傳感器會輸出一個數字I/O信號。

4總結

柔性制動器能夠解決的平緩制動過程，保護了設備運行的穩定性和安全性。同時也實現了對閘皮溫度、制動次數和閘皮狀態的監控，功能較全。其應用前景也不僅局限于城市軌道列車，同樣適用于其它大型機電設備的平緩制動。

參考文獻：

[1]葉杭”編著.風力發電機組的控制技術[M].機械工業出版社，2002.

[2]張大海，李偉，林勇剛，應有，楊燦軍.基于液壓傳動的海流能蓄能穩壓發電系統仿真[J].電力系統自動化，2009（07）.

[3]呂宏水，王志明，劉為群.水輪發電機組柔性電制動勵磁系統的研制[J].水電廠自動化，1999（01）.

[4]喆孫.柔性電氣制動在水電廠的應用[J].水電廠自動化，2010（02）.

[5]PaulD，etal.Brake NoiseResolution on the1998M ercedesBenzM-class. SAE 982245.