電機械制動系統硬件在環仿真分析平臺設計

吳萌嶺 雷馳

摘 要：EMB系統是一種全新的制動系統。在其設計初期，為避免地面試驗所產生的高額費用，同時保證試驗結果的可靠性，采用硬件在環仿真分析平臺。該平臺由仿真部分和硬件部分組成，仿真部分包括列車模型和人機交互界面，硬件部分主要由 8 個電機械制動裝置和 2 個基于 NI-PXI 的制動控制器組成，利用數據采集卡和 MVB 網絡實現仿真部分與硬件部分的信號傳輸。試驗結果表明，該平臺能夠較好地模擬 EMB 系統的制動行為，為系統的設計開發提供一定的支持。

關鍵詞：軌道交通;EMB 系統; HIL;建模;仿真;分析平臺;設計

中圖分類號：U270.35

電機械制動系統（EMB）是一種全新的制動系統，在開發設計過程中，針對制動力控制、制動力分配、防滑控制等問題，需要大量的試驗數據進行支撐。在傳統的空氣制動系統設計中，部分研究人員通過線路試驗獲取試驗數據，以驗證研究結果。但在真實列車上進行制動測試需要大量的資源，如硬件（火車、線路等）、能源、人力和財力，以及一些與制動相關的參數，如閘瓦摩擦系數、列車運行阻力、黏著系數等，很難達到要求的設定值。另外，制動系統是一個復雜的非線性系統，若基于純仿真研究，在建模過程中需要對仿真模型進行簡化，導致仿真結果存在失真的可能。為克服線路試驗和純仿真的不足，本文介紹一種EMB系統硬件在環（HIL）仿真分析平臺，其列車和線路條件由仿真模型提供，成本遠低于線路試驗;其制動系統是真實的硬件，能夠充分考慮制動系統的復雜性和非線性，可以提供更可靠的試驗結果。

1 HIL仿真分析平臺硬件組成及工作原理

EMB系統HIL仿真分析平臺的結構拓撲及實物分別如圖1和圖2所示。該試驗臺的組成及工作原理概括如下。

（1）整個仿真分析平臺由仿真部分、硬件部分以及數據采集卡/MVB網絡組成。

（2）試驗臺仿真部分由基于Labview編程的人機交互界面（GUI）以及基于MATLAB/Simulink編程的列車系統模型和電制動模型組成，界面與模型均搭載于試驗臺中的一部工控機上。仿真部分的主要作用是為驗證試驗提供虛擬列車（1動1拖，2節編組）、虛擬的列車運行環境以及電制動力，同時還具備顯示、保存試驗數據的功能。

（3）試驗臺硬件部分包括司機控制器和EMB系統。其中司機控制器用于產生制動指令。EMB系統主要包括2個制動控制器和8個電機械制動裝置，其主要功能是為虛擬車輛提供所需的電機械制動力。制動控制器的硬件基于NI-PXI實時仿真控制器實現，軟件基于Labview編程實現。在試驗時，制動控制器根據列車系統模型提供的軸速、載重等信息實時計算目標制動力;之后向電制動模型申請電制動力，根據電制動反饋計算所需的電機械制動力;制動控制器根據電機械制動力計算結果控制電機械制動裝置獲得實際電機械制動力，并將其提供給虛擬的列車（列車系統模型）;最后虛擬的列車在電機械制動力和電制動力的共同作用下完成減速制動。

（4）數據采集卡/MVB網絡部分主要用于工控機與制動控制裝置之間的數據通信。為模擬真實車輛，所有信號的電器特性均與真實列車相同。軸速信息為脈沖量信號，其通信基于工控機中的NI-PCI-6602和制動控制裝置中的NI-PXI-6602脈沖量采集卡實現;制動指令、軸重、電機械制動力、電制動請求、電制動反饋等信息為電壓型模擬量信號，其通信基于工控機中的NI-PCI-6224和制動控制裝置中的NI-PXI-6621模擬量采集卡實現。MVB網絡作為工控機與制動控制裝置的另一種通信方式，用于通信的備份。

2 軟件組成

圖1中的仿真部分在仿真分析平臺的工控機中運行，其中列車系統模型和電制動模型基于MATLAB/Simulink搭建，而GUI使用Labview編程語言開發。GUI與底層模型的數據交互通過National Instrument公司提供的仿真接口工具包（NI-SIT）實現。

2.1 列車系統模型

列車系統模型由1動1拖2節車的模型組成，其中動車模型包含電制動模型。由于制動過程主要與車輛的垂向、縱向和點頭自由度有關，為節省計算資源，在建模過程中，忽略車輛的伸縮、側滾和搖頭自由度。列車系統模型如圖3 所示，主要包括輪對子模型、轉向架子模型、車體子模型和彈簧子阻尼模型。

2.1.1 輪對子模型

以1車輪對子模型1為例說明輪對建模過程。輪對力學模型如圖4所示。為簡化建模，將車輛運行阻力平均分布到各輪對的軸心。

根據圖4可以得到輪對在垂向、縱向和轉動3個方向的受力平衡方程。

式（1）～式（3）中，為車輛縱向加速度;為輪對 的轉動角速度;Mw為輪對質量;Jw為輪對轉動慣量;Fwxi為轉向架對輪對i的縱向作用力;Fwzi為轉向架對輪對i的垂向作用力;Fwni為鋼軌對輪對i的垂向作用力; Felei為作用于輪對i的電制動力;Rw為車輪半徑;Rebr為電制動力等效作用半徑;Rbr為夾緊力等效作用半徑;Fcli為作用于輪對i的電機械夾緊力;Fbri為輪對i與軌道間的黏著制動力;g為重力加速度;φ為列車運行位置的坡度;Fresi為作用于輪對i的運行阻力;其中i代表模型編號。

根據式（1）～式（3），利用Simulink中的數學元件庫即可完成輪對模型的搭建。

2.1.2 轉向架子模型

以1車轉向架子模型1為例說明轉向架建模過程。轉向架力學模型如圖5所示。根據圖可以得到轉向架在垂向、縱向和點頭3個方向的受力平衡方程。

式（4）～式（6）中，zbi為轉向架i的垂向位移;θbi為轉向架i的點頭角位移;Mb為轉向架的質量;Jb為轉向架的轉動慣量;Fczi為車體對轉向架i的垂向作用力;Fcxi為車體對轉向架i的縱向作用力;lb為軸距的一半;Hb為轉向架質心的高度;Hbci為轉向架i與車體連接處的高度;其余參數與前面含義相同。其中i代表模型編號。

根據式（4）～式（6），利用Simulink中的數學元件庫即可完成轉向架模型的搭建。

2.1.3 車體子模型

以1車車體子模型為例說明車體建模過程。車體力學模型如圖6所示。

根據圖6可以得到轉向架在垂向、縱向和點頭3個方向的受力平衡方程。

式（7）～式（9）中，zc為車體的垂向位移;θc為車體的點頭角位移;Mc為車體的質量;Jc為車體的轉動慣量;Fcpfront為前車鉤對車體的縱向作用力（1車為零）;Fcprear為后車鉤對車體的縱向作用力;Hc為車體質心的高度;Lc為轉向架中心距的一半;其余參數與前面含義相同。

根據式（7）～式（8），利用Simulink中的數學元件庫即可完成車體模型的搭建。

2.1.4 彈簧阻尼子模型

車輛的一系、二系懸掛以及車鉤均可視為彈簧阻尼。彈簧阻尼力學模型如圖7所示。

根據圖7的彈簧阻尼受力分析可得：

式（10）中，Fz為彈簧阻尼內力;Ksp為彈簧的剛度;z1 為彈簧阻尼上端的位移;z2為彈簧阻尼下端的位移;Cdp為阻尼系數。

根據式（10），利用Simulink中的數學元件庫即可完成彈簧阻尼模型的搭建。

2.1.5 列車系統模型

完成輪對、彈簧阻尼、構架、車體的Simulink建模工作后，將這些子模型的輸入輸出相連即可建立車輛子系統模型。車輛子系統由4個輪對子模型、2個轉向架子模型、6個彈簧阻尼子模型（其中4個代表一系懸掛，2個代表二系懸掛）和1個車體子模型組成。

將2個車輛子系統通過彈簧阻尼子模型相連，即可構成列車系統模型。

2.2 電制動模型

為提高運算速度，電制動模型采用“黑箱模型”，即在建模時，預先設置好電制動力在各制動級位指令下的響應曲線;然后在仿真過程中，根據制動級位指令信號通過對預先設置的試驗曲線進行插值計算得到仿真所需的電制動力響應曲線。其原理如圖8所示。

需要說明的是，電制動響應曲線是根據已有試驗得到的制動力響應時間配合式（11）中帶延時的一階慣性環節得到的。

式（11）中，Febr為電制動力;Fr為目標電制動力;τ為慣性環節的時間常數（與制動力的響應時間有關）;Td為延時時間;K為比例常數;s為Laplace算子。

2.3 仿真分析平臺 GUI 界面

該仿真分析平臺的GUI界面如圖9所示，其主要作用是設置列車及其運行參數，如尺寸、質量、閘瓦摩擦系數、黏著系數等。另外，試驗結果的顯示與數據存儲也依靠GUI實現。

3 試驗結果

一次列車分級制動的試驗結果如圖10所示。圖10a為列車速度與減速度試驗曲線。由圖可知，HIL仿真平臺的虛擬列車可以很好地模擬列車的制動過程，其根據制動指令進行減速;在接近停車時，實際減速度出現的波動是由電制動退出所引起的，符合列車制動的實際工況。圖10b為仿真制動過程中列車第1臺轉向架前軸的制動力，包括電制動力和電機械制動力。在車速較高且目標減速度較低的情況下，電制動力可以提供列車所需的全部制動力，因此電機械制動力不起作用。而當制動指令提高或車速降低到一定值時，電制動力不足以提供全部的制動力，由電機械制動力開始補充制動力。這也符合真實的制動工況。

4 結語

為降低試驗成本，同時保證試驗結果的可靠性，本文針對EMB系統建立了一套HIL仿真分析平臺。該平臺利用列車系統模型和電制動模型模擬了真實的列車及其運行環境，在一定程度上避免了昂貴的線路試驗;另外，設計了功能豐富的GUI，便于研究人員配置車輛參數、設置試驗參數以及分析試驗數據。試驗結果表明，本文設計的HIL仿真分析平臺能真實有效地模擬列車的制動過程，這為EMB系統的設計與開發提供了可靠的試驗支撐。

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收稿日期 2020-06-24

責任編輯 黨選麗