基于固定線路的電動工程車定速行駛控制策略研究

吳慶立 白歡

摘要：針對電動工程車定速行駛控制問題，提出一種基于線路工況的速度控制策略。該控制策略依據軌道線路參數和車輛信息進行牽引計算，并結合射頻識別定位系統確定的位置信息，擬合計算出線路目標速度的牽引特性曲線;通過控制輸出牽引、制動力矩，實現定速行駛控制。通過應用驗證：該控制策略優化了由于地鐵線路坡道所占比例大、曲線半徑小等因素引起的功率頻繁變換問題，實現速度的平穩轉換，增加了行車舒適性和續航能力。

關鍵詞：電動工程車;定速行駛;牽引特性;控制策略

中圖分類號：U264.91 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2020）04-0076-02

Research on constant speed driving control strategy of electric engineering vehicle based on fixed line

Wu Qing-li1，Baihuan2

Baoji CRRC times Construction Machinery Co， Ltd， Shanxi Baoji 721000， China

Zhuzhou Times Electronic Technology Co， Ltd， Hunan Zhuzhou 412007， China

Abstract：Aiming at the problem of constant speed driving control of electric engineering vehicle， a speed control strategy based on line condition is proposed. The control strategy calculates the traction according to the track line parameters and vehicle information， and combines the position information determined by RFID positioning system to fit and calculate the traction characteristic curve of the target speed of the line; by controlling the output traction and braking torque， the constant speed driving control is realized. Through the application verification： the control strategy optimizes the power frequent conversion problem caused by the factors such as the large proportion of the ramp and the small curve radius of the metro line， realizes the smooth conversion of the speed， and increases the driving comfort and endurance.

Keywords： electric engineering vehicle; Constant speed driving; traction characteristics; control strategy

引言：隨著科技的不斷發展，低恒速控制系統廣泛應用于軌道交通行業，使得行車更加智能、安全。目前軌道車采用的低恒速控制系統，是基于轉速傳感器進行反饋調節輸出[1]，其傳感器檢測準確性直接決定行車控制精度。在既定蓄電池容量下，如何使牽引蓄電池輸出最優的牽引能力，成為提高整車續航能力的關鍵因素。地鐵電動工程車具有確定的行車路徑和坡道、彎道、隧道等工況信息，所以定速行駛過程中，在具體行車位置、具體工況下就有確定的功率輸出，本文將基于該特點，就電動工程車定速行駛控制策略展開研究。

1 系統方案設計

軌道交通行業現有的定速行駛控制策略大多基于傳感器反饋車輛行駛速度，根據反饋結果進行速度調節、控制，實現恒速行駛。本文提出的電動工程車定速行駛控制策略，分上層控制器和下層控制器。

上層控制器根據已有的參數確定下層控制器的輸出信號，實現定速行駛功率值計算。上層控制器結合線路實際工況參數與車輛參數進行牽引計算，確定實現某設定時速需要輸出的牽引功率值，并將路徑位置的工況參數、所需功率值導入牽引控制系統;在行駛過程中，通過射頻識別定位系統精確定位，牽引控制系統路徑位置信息擬合匹配輸出牽引功率。

下層控制器根據上層控制器的計算輸出，控制牽引功率、電機扭矩的輸出。下層控制器通過牽引逆變器調節輸出電壓和頻率大小，實現牽引功率的擬合輸出，實現電動工程車的定速行駛控制。

2 基于工況的牽引計算

2.1 輪軸牽引力及輪軸功率計算。輪軸牽引力及輪軸功率與坡道附加阻力、曲線附加阻力、隧道風阻、列車速度、黏著系數等相互關聯。

式中：WO表示整車基本阻力;Wi表示整車坡道附加阻力;Wr表示整車曲線附加阻力;Ws表示隧道風阻;M表示整車整備重量（55t）;G表示被牽引車重量（110t）;R表示最小曲線半徑;v表示工程車速度;i表示坡道千分數，Ls表示隧道長度。

根據電動工程車的相關參數，可以確定在不同速度下的計算黏著系數與黏著牽引力。根據線路基本條件及計算公式（10-11），可以計算出設定時速在0～20km/h定速行駛控制時，不同坡道條件下的輪周牽引力及輪周功率;在DC832V牽引蓄電池供電時，確定電動工程車的持續運行輪周功率為300kW，起動牽引力取100kN，可計算出工程車恒功起始點速度為10.8km/h，最大運行速度為40km/h時，工程車所能發揮的牽引力為27kN。

依據上述參數，可得出電動工程車牽引特性曲線和坡道阻力曲線如圖1所示。

2.2 電制動選取。在實時車輛控制中，牽引功率輸出和制動力矩輸出分時作用，該控制策略將設定時速Vs乘以大于1 的系數 p ，得到Vp，將設定時速Vs、輪對反饋速度Vf，Vp做比較作為牽引與制動的切換規則：Vf≤Vs時，給定牽引功率加速控制;VsVp時，制動控制。

該控制系統中提出的定速行駛速度范圍為3～20km/h，依據既有的技術平臺，蓄電池電動工程車的制動方式為電制動+空氣制動，優先采用電制動。

為確保工程車在低速區具有良好的牽引制動性能，選取最大電制動起始點為5km/h，工程車速度在2～5km/h時，電制動力線性降為零，2km/h以下只有空氣制動。根據公式（2）可以得出，單機牽引110t，在38‰坡道上以8km/h運行時，坡道阻力為63.16kN，選取最大電制動力80kN。牽引蓄電池供電模式下的電制動功率均為300kW， 5～12.5km/h時，制動力為恒定制動力80KN，40km/h制動力26KN，12.5～40km/h時，為恒功率制動。

3 信息擬合與匹配輸出

3.1 射頻識別定位。電動工程車定位精度是該定速行駛控制策略的核心，直接影響牽引功率的輸出，只有高精度定位，才能得到準確的道路信息，從而準確匹配路況信息，輸出相應功率。該控策略采用射頻識別（RFID）定位方法，RFID利用射頻方式進行非接觸雙向通信，實現對物體的識別，并將采集到的標簽信息通過無線技術遠程傳輸到處理單元。

該控制策略將無源標簽一定間隔固定安放，標簽讀寫器及通訊設備安裝于工程車上，并連至牽引控制單元。行駛過程中，工程車通過車載讀寫裝置讀取標簽內的位置信息，傳送至牽引控制單元，實現精確定位。

3.2 坡道與輪軸功率擬合。根據城際鐵路設計規范，設計時速在160km/h以下的正線，相鄰坡度差大于或等于3‰采用圓曲線型豎曲線連接[4]，該定速行駛控制策略采用貝塞爾（Bezier）曲線進行坡度的曲線連接，實現牽引功率的平滑過度。以坡道轉折點為控制點，則采用二階貝塞爾曲線，其方程如式：Bt=（1-t）2P0+2t（1-t）P1+t2P2 （12）

算法中以坡道轉折點左側100米位置的輸出功率值作為始點P1，右側功率值為P2，以轉折點作為控制點P0，得到坡道轉折處200米范圍內的貝塞爾牽引功率輸出曲線，即連續的拋物線，與實際軌道連接曲線相耦合。

3.3 下層控制器實現。牽引變流器包括整流單元、逆變單元、輔逆單元和變壓器，電動工程車在牽引蓄電池供電時，整流單元通過電抗器實現供電斬波升壓為直流DC1800V，逆變單元將中間直流電源DC1800V逆變成VVVF（頻率、電壓可調的）三相交流電，為牽引電動機供電，實現扭矩輸出;牽引控制系統通過調節三相交流電的頻率、電壓，實現輸出功率的調節控制，從而控制電動機扭矩的輸出，實現電動工程車的定速行駛控制。

4 現場應用

基于本文提出的控制策略，從A站以15km/h的速度定速行駛至B站。行車過程中，記錄牽引逆變器的行車參數，得到不同位置線路工況下的牽引力輸出值。同時，基于速度傳感器反饋控制牽引力輸出，在同等條件下行車，得到基于速度反饋的定速行駛控制策略的行車信息，得到的行車牽引曲線如下圖2所示。

從圖中可以得到，兩種控制策略的行車牽引力曲線在理想牽引力曲線附近波動。不同的是，該文提出的控制策略輸出牽引力波動較小，根據位置信息提前擬合輸出坡度變換后的牽引力，實現了速度的平穩轉換，尤其在坡道變換比較大的時候較為明顯，試驗數據表明該控制策略可以節能20%。現場應用很好的驗證了該控制策略較超前預判行車線路信息，擬合輸出匹配功率，增加了行車舒適性。

5 結論

通過實例驗證了本文提出的控制策略可以很好的解決由于坡度所占比例大，曲線半徑小引起的速度轉換頻繁問題，增加了舒適性;經匹配軌道參數輸出的扭矩、功率，避免了速度傳感器反饋速度滯后、過調等誤差的影響，很大程度減少了不必要的功率輸出，實現能量節約，進而提高了電動工程車的續航能力。

參考文獻：

[1] 孫正陽. 基于TCN技術的動車組恒速運行控制策略研究[C]. 中國智能交通協會.第八屆中國智能交通年會優秀論文集——軌道交通.中國智能交通協會：中國智能交通協會，2013：197-200.

[2] TB/T 1407-1998. 列車牽引計算規程[S]. 1998

[3] 陳豐宇，譚本旭.上海軌道交通蓄電池電力工程車牽引性能參數探討[J].電力機車與城軌車輛，2013，36（05）：61-63.

[4] 孫海富.《城際鐵路設計規范》主要技術標準[J].鐵道工程學報，2019，36（02）：88-93.

作者簡介：吳慶立（1982-），男（漢族），高工，寶雞中車時代工程機械有限公司，主要從事軌道工程機械整車技術研發與應用。