城市軌道交通車輛牽引與制動系統接口的優化

朱明亮 段洪亮 歐陽瑞璟

（中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春∥高級工程師）

城市軌道交通車輛牽引與制動系統接口的優化

朱明亮 段洪亮 歐陽瑞璟

（中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春∥高級工程師）

介紹了常用的地鐵牽引系統與制動系統的接口方案，建議采用增加硬線接口的優化方式，提高整車使用的可靠性。

列車控制與管理系統；牽引與制動系統；接口優化

Author′saddressCRRC Changchun Railway Vehieles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

目前，城市軌道交通的列車控制與管理系統（TCMS）一般都由車輛供應商提供，并且已基本實現了國產化。由于TCMS的設計和編程在國內仍處于經驗積累和技術提升階段，其穩定性還需要做進一步的驗證。

歐洲軌道交通發展經歷了較長的時間，TCMS相對成熟可靠。目前，歐洲車輛供應商的設計方案基本上采用直接網絡控制，各系統之間的硬線接口非常少。如果國內車輛供應商也采用直接網絡控制方案，由于國產化TCMS成熟度相對較低，可能會由于TCMS的通信故障引發車輛故障，從而降低車輛的可用性。

城市軌道交通對TCMS及車輛的可靠性要求非常高，基于TCMS國產化實際應用現狀，本文提出了TCMS與牽引及制動系統的接口優化方案，用于提高整個車輛使用的穩定性及可靠性。

1 TCMS與牽引及制動系統的接口優化方案

基于目前TCMS國產化實際情況，在牽引變流器和制動控制單元之間增加一些必要的硬線接口，用以交互信息并增強可靠性。增加的硬線主要在本節車廂內布線，盡量不影響到車輛間的過橋線，這樣對車輛日常維護影響較小。相關信號接口定義與特性如表1所示。

表1 信號接口定義與特性

由于牽引系統和制動系統同時采樣于司控器發出的牽引力／制動力脈寬調制（PWM）信號，這樣牽引力／制動力的需求值就不需要通過TCMS傳送。在牽引變流器和制動系統之間增加幾條硬線信號，在TCMS傳輸發生故障時用于信號傳輸，可以保證車輛正常運行。

2 制動過程中控制信號傳遞

2．1 制動類型

（1）常用制動：列車常用制動通過解析PWM信號或者緊急牽引信號執行。

（2）快速制動：類似于常用制動的正常制動模式。

（3）緊急制動：牽引系統不參與緊急制動，僅有空氣制動起作用。

（4）保持制動：在列車停車時，只施加空氣制動。

（5）混合制動：空電混合制動時電制動力和空氣制動力之間的配合對于達到理想的制動狀態非常重要。為了實現預期的制動效果，制動系統需要得知牽引變流器的實際電制動力值。

根據負載信號和制動需求，牽引變流器發送AO＿BEA信號到相應的制動控制單元，制動控制單元再將這個信號傳輸給其他的控制單元，完成總制動力的計算。

2．2 制動力可用值

根據負載信號和制動需求，牽引變流器在電制動初期發送最大電制動力可用值信號到相應的制動控制單元，制動控制單元再將這個信號傳輸給其他的控制單元，完成總制動力的計算。

AO＿BEA信號在電制動建立初期，用于避免在電制動力從零到最大值的情況下施加空氣制動。如果這個信號不存在，將造成額外的空氣制動施加，會讓閘瓦造成過度磨耗。

在電制動建立初期，空氣制動在開始的t時段內不施加（具體時間在調試階段確認）。在t時段后，AO＿BEA信號向制動單元發送實際電制動力值信號，空氣制動系統計算需要施加的空氣制動力值，并按照F空＝F總－F電施加。

當出現下述情況，制動力值設為零，此時不考慮AO＿BEA信號：沒有制動需求；速度值小于最小淡出速度（3km／h）；牽引沒有激活。

2．3 防滑保護功能

為了更好地實現防滑與防空轉保護，制動系統提供列車的參考速度。在網絡模式下，多功能車輛總線（MVB）傳輸本制動控制單元（BCU）的速度作為動車的參考速度。在硬線模式下，制動系統通過硬線為動車提供本BCU參考速度。如果此參考速度超出定義范圍（0～200km／h），將視為無效。

動車上的參考速度在牽引和制動情況下都采用與拖車一致的采樣計算方式。參考速度為持續采樣計算（除列車速度低于3km／h時），更新周期初定為100ms。

防滑行保護分為拖車和動車兩部分。拖車防滑保護僅由制動控制單元激活，而動車的防滑行保護則由牽引變流器和制動控制單元共同控制。防滑保護時，需要將列車實際速度和每個軸上的實時速度做比較，這個速度信號由制動系統發送到牽引變流器。

在動車上，防滑保護主要由牽引變流器和制動控制單元負責。如果輪對發生滑行，牽引變流器和制動控制單元共同進行控制。如果輪對滑行率低于10%，此時只激活牽引變流器做防滑行保護。當LO＿SLIDE信號為高電平，AO＿BEA信號將不予以考慮。如果超越上述約束條件，制動控制單元將接管制動過程，禁止電制動（L＿DISEB）。

當制動控制單元檢測到滑行信號超過2s或者滑行率超過15%并持續3s（具體時間在調試階段確定），將會起動防滑行保護并切除電制動。在列車從制動模式轉換到牽引或惰行模式，牽引變流器需要能激活電制動。

當輪對滑行發生時，電制動力減小（見圖1的①處）以適應軌道的黏著，一旦滑行情況消除后，制動指令分兩步快速恢復。第一步是快速恢復到發生滑行前制動力值的70%左右（見圖1的②處），第二步是以較低的斜率恢復到制動的需求值（見圖1的③處）。如果在恢復過程中再一次發生滑行，將會消除制動力需求值指令，制動力將以更小的變化率恢復（見圖1的④處），在這種情況下，系統調整轉矩指令以充分發揮黏著作用。

圖1 列車防滑保護過程

2．4 制動淡入點和淡出點

通常來說，在高速的時候采用電制動，在低速的時候采用空氣制動。為了實現兩者間無沖擊地平穩過渡，電制動應該逐漸淡出而空氣制動應該逐漸淡入。如圖2所示，在t2－t3時段，電制動和空氣制動應按相反斜率線性變化。

圖2 制動淡入和淡出過程

當列車速度為7km／h時，LO＿FADE信號設為高電平，400ms延時后，電制動力開始減小（如果列車速度低于3km／h或大于7km／h，LO＿FADE信號設為低電平；當制動不施加時，LO＿FADE信號設為低電平）。延時400ms后，電制動在t2～t3時段內按照沖擊極限0．75m／s3線性減小，同時，在這個時段內空氣制動也按照沖擊極限0．75m／s3線性上升。

2．5 保持制動釋放與牽引力施加

當列車在坡道上起動時，防倒退控制功能非常重要。由于防倒退機制是在牽引變流器收到牽引信號時，制動力已經施加，所以了解制動系統如何在停車后施加制動力非常重要，即使制動信號L＿BRAKE為高電平。制動力在保持制動時施加100%的制動力，由于牽引變流器在列車速度低于3 km／h時不負責制動，此時變流器僅用于牽引。當列車啟動時，L＿MOTOR信號設為高電平，空氣制動在一段時間T1（暫定1s，具體值在調試階段確定）內保持不變，在延時T1后，空氣制動在2s后完成釋放。

由于牽引變流器防倒退功能不負責制動控制，所以防倒退功能（保持制動）應由制動系統負責。

3 結語

采用增加硬線接口的優化方式，在TCMS故障時，可以保證車輛正常運行，提高了整車使用的可靠性。

［1］ 張津津．西安地鐵3號線車輛牽引與制動系統接口設計［J］．鐵道車輛，2015，53（8）：22．

［2］ NEWTON D A，姚永康．先進的牽引和制動系統［J］．大功率變流技術，1997（2）：33．

［3］ 王立文，趙紅衛，田軍，等．電控空氣制動系統車輛接口單元的設計［C］∥中國鐵道學會牽引動力委員會制動學組學術年會論文集．北京：中國鐵道學會牽引動力委員會，2008：217．

Improvement of Interfaces between Metro Traction System and Metro Braking System

ZHU Mingliang，DUAN Hongliang，OUYANG Ruijing

The widely used schemes of interfaces between metro traction system and metro braking system are introduced，some improvement suggestions like hard wire interface optimization are proposed to enhance the reliability of the whole train operation．

train control and management system（TCMS）；traction and braking system；interface optimization

U284．48

10．16037／j．1007－869x．2017．02．028

2016－09－21）