基于LabVIEW的地鐵列車牽引制動模擬試驗臺設計

陳 超，王月明，王 立，楊 凱

（1.西南交通大學 機械工程學院， 成都 610031；2. 南京鐵道職業技術學院 機車車輛學院， 南京 210031）

地鐵列車作為運輸設備，是地鐵系統最為重要的組成部分之一。地鐵列車在區間運行時由起動加速、惰行和制動過程組成，由于起動和制動加速度較大，地鐵列車的起動加速性能和制動性能要求較高。因此，在教學和培訓中需要對地鐵列車的運行過程，特別是起動加速、惰行、制動3種工況進行深入的模擬研究[1]。目前的地鐵列車運行模擬方式多側重于數值仿真，不夠形象直觀，并且缺乏車輛運行的整體效果，難以適應課堂教學和演示的需要[2-3]。

本文介紹一種基于LabVIEW的地鐵列車牽引制動模擬試驗臺，該裝置能夠模擬地鐵列車起動加速、惰行、制動過程的運行狀態，形象地反映出地鐵列車牽引系統和制動系統的工作方式，在給出的起始條件下預測和仿真地鐵列車的整個運行過程。

1 模擬試驗臺總體方案

1.1 試驗臺組成

模擬試驗臺由計算機和模擬裝置組成，其中，模擬裝置按照功能可以分成3個部分：牽引部分、制動部分和監測部分。牽引部分由變頻器、交流減速電機和制動圓盤組成；制動部分由程控電源、電動推桿和制動夾鉗裝置組成；監測部分由數據采集卡、反射式光電傳感器和壓力傳感器組成。模擬裝置的機械結構如圖1所示，實物圖如圖2所示。

圖1 試驗臺機械結構

圖2 試驗臺實物

1.2 試驗臺設計原理

模擬試驗臺可以模擬地鐵列車的運行狀態以及其牽引裝置、制動裝置的工作情況。地鐵列車的運行狀態指列車的速度大小與時間的關系。在本模擬試驗臺中，制動圓盤的轉速模擬列車的速度，三相交流電機模擬列車的牽引裝置，制動夾鉗模擬列車的盤式制動裝置。

從能量的角度看，用制動圓盤的轉速來模擬車輛的速度，就是用制動圓盤的動能模擬列車的動能，由此建立慣性等效模型[4-5]。

地鐵列車在空間內平動，式（1）為列車一節車廂的動能表達式。

式（1）中：

E—列車一節車廂的動能（J）；

M—列車一節車廂的質量（kg）；

γ—回轉質量系數；

ν —列車的運行速度（m/s）。

制動圓盤繞著交流電機的軸線作定軸轉動，式（2）為其動能表達式。

式（2）中：

E—電機–制動圓盤系統的動能（J）；

J—電機–制動圓盤系統的轉動慣量（km?m2）；

ω—制動圓盤的角速度（rad/s）。

由于地鐵具有的動能遠大于制動圓盤系統所具有的動能，故引入比例系數k，令地鐵1節車的動能為制動圓盤動能的k倍，見式（3）。

在試驗臺的設計中，讓制動圓盤的轉速與實車車輪的轉速相等。由于地鐵列車的制動盤就安裝在車輪軸上，這樣制動圓盤的轉速就與實車制動盤的轉速相等，能夠更加真實地模擬地鐵列車制動系統的工作情況。由此得到式（4）。

式（4）中：

ν —列車運行速度（m/s）；

ω—車輪的角速度，即制動圓盤的角速度（rad/s）；

D—地鐵車輪的直徑（m）。

由于地鐵車輪的直徑會隨著使用中的磨損逐漸變小，所以當車速一定時，車輪直徑小的角速度高。當列車速度為80 km/h時，不同車輪直徑對應的車輪轉速n見表1。

表1 車速為80 km/h時車輪轉速與輪徑對應關系

根據表1可得，列車以80 km/h的速度運行，當車輪磨耗到限時，轉速達到551 rpm的最大值，此時制動圓盤需要達到551 rpm的轉速。通過調整變頻器的輸出頻率，三相交流電機可以達到的最高轉速為653.4 rpm，本試驗臺在該轉速下可以模擬地鐵列車速度為95 km/h時的運行情況。

在地鐵列車起動加速、惰行、制動的不同工況下，通過對三相交流電機和制動夾鉗裝置的控制實現制動圓盤的轉速與實車車輪轉速相等、制動夾鉗與實車盤式制動裝置工作狀態相似，達到數值仿真和實物模擬相結合的目的。

1.3 系統硬件選擇

地鐵列車牽引制動模擬試驗臺由計算機作為人機交互界面，用以設定試驗參數，觀察設備運行狀況，其硬件的結構原理方框圖如圖3所示。計算機實現人機交互功能及向下級設備發送指令；數據采集卡模擬輸入口采集壓力傳感器傳送的壓力信號；模擬輸出口發送0～10 V控制信號給變頻器，從而控制交流電機的轉速；計數器口接光電式傳感器，計算圓盤的實際轉速，實現對速度的閉環控制；數字輸出口搭配繼電器用以控制交流電機的正反轉和直流電動推桿的行進方向；程控電源與計算機通過串口相連，用以控制直流電動推桿電壓電流的大小，即制動力的大小。

試驗臺采用了反射式光電傳感器來測量制動圓盤的轉速。通過在制動圓盤外緣粘貼黑白相間的條紋產生脈沖，計量單位時間的脈沖個數推算出交流電機的實際轉速。在測量閘片對制動圓盤的壓力時，將電動推桿與彈簧測力計首尾相連，可以在彈簧測力計上直接讀出示數，即制動圓盤與閘片間的壓力。測量制動圓盤和閘片間的摩擦力時，將壓力傳感器固定在制動夾鉗的支座上，壓力傳感器讀數的變化量即可反映兩側閘片受到的摩擦力。在控制直流電動推桿的動作時，由于程控電源并不能直接改變電流的方向，故采用了2個兩閉兩開繼電器組合的方式實現電動推桿的換向操作。表2所示為本試驗臺涉及的各硬件的型號。

圖3 試驗臺硬件結構原理方框圖

表2 試驗臺各硬件型號

2 模擬試驗臺控制系統搭建

地鐵列車牽引制動模擬試驗臺控制程序的開發通過LabVIEW軟件編程實現。LabVIEW使用的是圖形化編程方式，產生的程序是框圖的形式。具有開發周期短，程序結構直觀的特點[6]，有較好的儀器控制能力和數據處理能力，可增強試驗臺的實用性和為二次開發提供更為便利的條件。

試驗臺的控制系統從結構上可以分為兩個部分：（1）用戶交互界面；（2）后臺應用程序。

2.1 用戶交互界面設計

用戶交互界面在計算機上直觀地顯示為主窗口界面，它直接與用戶進行交互。該部分主要功能為設定試驗臺仿真的參數，包括列車的質量、功率、線路條件等；實時顯示與存儲相關的試驗數據，包括圓盤的轉速、閘片的壓力與制動力等，如圖4所示。通過用戶交互界面還可以實現對試驗臺的實時控制，通過牽引、惰行和制動指令的切換，實現列車在區間內多工況連續運行的模擬。在試驗結束后，可以保存和提取所需的試驗數據，以便進一步分析。

圖4 用戶交互界面

2.2 后臺應用程序設計

該部分包括交流電機控制程序、電動推桿控制程序、數據監測程序以及列車運行狀態仿真程序。本部分是整個試驗臺測控系統的核心，圖5所示為后臺應用程序的流程圖。在一個仿真周期內，數據監測程序測量制動圓盤轉速等物理量，輸入列車運行狀態仿真程序，計算得到各個時刻閘片壓力和圓盤轉速的理論值。當理論值與實測值不同時，交流電機控制程序和電動推桿控制程序控制試驗臺的相關部件工作，直至實測值與理論值相符合。當制動圓盤轉速為0時，表示列車完成了一個區間的連續運行，該仿真周期結束。

圖5 后臺應用程序流程圖

交流電機的控制通過計算機和變頻器實現。列車運行狀態仿真程序計算出某時刻制動圓盤所需的轉速和轉向，經過交流電機控制程序處理后，將轉速模擬信號輸入變頻器的電壓頻率變換（VF）口，其輸入電壓0～10 V對應變頻器輸出頻率0～50 Hz；將轉向數字信號分別輸入變頻器的正向運行/停止（FWD）和反向運行/停止（REV）口[7]。

電動推桿的控制通過計算機、程控電源以及兩個繼電器配合實現。程控電源與計算機通過串口線相連，通過串口的讀寫實現對程控電源輸出值的控制。控制程序的主體為一個LabVIEW事件，其可以通過控制電壓電流大小來實時改變電動推桿的推力。由于程控電源響應時間有所限制，故在每個事件開始前均設置了50 ms的延時[8]。電動推桿通過兩個反向連接的繼電器實現換向操作，體現在實車上即制動的施加與緩解的過程。

數據監測程序實現了對試驗臺運行的關鍵參數的實時采集與回傳，包括了對制動圓盤轉速、制動力、變頻器輸出頻率等測量的子程序。所采用的程序即是通常的數據采集模塊。

列車運行狀態仿真程序是根據在用戶交互界面中輸入的列車及線路的信息，計算出列車的速度隨時間的變化關系。根據慣性等效模型，地鐵車輪的轉速即為試驗臺制動圓盤的轉速。將此計算結果作為所需的目標轉速輸入交流電機控制程序中，實現制動圓盤模擬實車運動狀態的效果。

由于地鐵列車實際的運行狀態包括起動加速、惰行、制動過程，因此列車運行狀態仿真程序也包含了起動加速、惰行、制動3種模式，并可以在一次連續的模擬過程中任意切換。圖6為列車運行狀態仿真程序的流程圖。通過輸入的列車信息與線路信息計算出該狀態下列車的受力情況，積分得到車速、里程等數據輸出。當車速為0時，表示列車完成了一個區間的連續運行，一個仿真周期結束。

3 地鐵列車運行狀態模擬效果

通過用戶交互界面輸入車輛及線路的信息后，進行地鐵列車運行狀態的仿真試驗。從靜止開始進入起動加速模式，一段時間后轉入惰行模式，最后轉入制動模式直至停止，模擬了地鐵列車在一個區間里的運行情況。在這個過程中，牽引力和制動減速度可以隨時調節，線路坡度也隨里程變化，試驗臺上制動圓盤轉速與實車車輪轉速保持同步，達到了數值仿真和實物模擬的效果。圖7、圖8為不同條件下模擬列車在一個區間的運行情況。

圖6 列車運行狀態仿真程序流程圖

圖7 列車牽引力為100%，制動減速度為1 m/s2時的運行情況

4 結束語

本文設計了基于LabVIEW開發的地鐵列車牽引制動模擬試驗臺，介紹了試驗臺的組成及控制系統的搭建方式。實踐證明，其能夠模擬地鐵列車不同的運行工況，實現了實物模擬和數值仿真相結合的效果。本試驗臺采用了圖形化的編程方式，人機交互友好，適于課堂教學和實驗演示，具有一定的適用價值。

圖8 列車牽引力為50%，制動減速度為0.5 m/s2時的運行情況