動車組輪徑自動校準的常見問題及防控方案分析

宿偉

摘 要：動車組的輪徑由于正常磨耗或異常擦輪會不斷發生變化，為避免人工輸入輪徑的煩索、提高動車組速度控制及相關保護功能的精度，部分動車組具備輪徑自動校準功能。本文介紹了基于速度傳感器計算的軸列車速度，通過與GPS速度對比，進行差值積分的方式，對存儲輪徑值進行校準的方法，介紹了輪徑自動校準設計應注意的問題。

關鍵詞：輪徑;TCMS系統;牽引控制系統;自動校準;保護

0 引言

由于動車組車輪正常磨耗或異常擦輪，動車組車輪需定期或不定期的進行鏇修操作。針對實際車輪直徑變化，為保證動車組列車控制管理系統（以下簡稱TCMS系統）或牽引控制系統內車輪直徑信息的準確性，保證動車組速度控制、牽引扭矩控制及空轉/滑行保護等功能的正確實施，目前動車組控制系統內車輪直徑值的更新普遍采用兩種方式：第一種方式是手動輸入方式，即在動車組鏇輪操作后，將記錄實測輪徑值通過人工控制方式寫入動車組控制系統控制單元的EPROM內。在下一個鏇輪周期前，不進行輪徑校準工作;另一種方式是自動校準方式，即動車組在滿足一定條件后自動執行輪徑校準功能，校準后的輪徑自動存儲至EPROM中。盡管實時自動輪徑校準功能可避免管理流程煩索、提高速度控制精度等優點，但存在啟動條件、校準功能參數等設置不合適時易造成輪徑校準錯誤，造成牽引力無法精確分配、誤報輪徑超差或錯誤觸發防滑/防空轉保護等問題。本文對自動輪徑校準功能設計中需注意的問題進行了簡要分析，并提出了車載軟件設計時的防控措施。

1 功能介紹

以車載牽引系統為例 ，動車組牽引系統的軸速是牽引控制單元根據每個軸速度傳感器采集的轉動頻率和牽引控制系統內存儲的輪徑值，計算得出每個軸對應的列車速度V牽引軸列車速度。牽引控制系統一方面將該速度發給TCMS，使TCMS利用牽引系統所提供的所有軸的列車速度，及其它速度傳感器采集的軸列車速度，得到用于TCMS速度控制的列車速度VTCMS列車速度;另一方面牽引系統采用該速度在系統內執行輪徑的自動校準功能。

具體輪徑自動校準的過程為：在牽引系統內對計算的牽引軸列車速度（V牽引軸列車速度）與GPS列車速度（VGPS列車速度）的差值進行積分，并將積分結果對目前已存儲的輪徑進行補償，使牽引系統根據存儲輪徑計算的軸列車速度無限接近于GPS列車速度，進而使牽引系統的輪徑無限接近于真實輪徑。上述控制采用閉環控制方式，自動輪徑校準的過程如下圖1所示。

2 自動校準的常見問題及防控方案

基于存儲輪徑計算的牽引軸列車速度對TCMS速度控制、牽引系統控制及保護等起著非常重要的作用。一方面，由于牽引系統內計算的牽引軸列車速度V牽引軸列車速度已發給TCMS系統，其根據牽引系統所提供的所有牽引軸列車速度，及其它系統速度傳感器采集的軸列車速度，計算得到用于TCMS速度控制的列車速度VTCMS列車速度， 因此基于輪徑的V牽引軸列車速度影響著TCMS對VTCMS列車速度的速度控制的準確性。另一方面，牽引系統基于存儲的輪徑值，對牽引/制動轉矩進行計算和分配。同時，基于VTCMS列車速度和V牽引軸列車速度的比較，對牽引空轉/滑行的保護功能，并對同一動力轉向架內的輪徑差進行監控和功率補償，避免架控系統內某一臺牽引電機負載分配差值過大導致電機超溫。

考慮到輪徑對動車組控制的重要性，在設置自動校準功能的動車組內，應對自動校準功能的參數進行正確設定，并對可能出現的問題采取防控措施。

2.1 允許校準的條件

動車組在進行自動校準的過程中，應盡量保證動車組不受外力作用，使動車組在校準過程中速度變化盡量小，保證校準的準確性。為達到此目的，一方面，需提示司機輪徑校準應在平直道進行，避免坡道阻力和曲線阻力對正確校準的影響，另一方面，TCMS應主動利用監控到的信號，僅當動車組滿足設定條件后方才允許進行輪徑校準。以CRH1A平臺動車組為例，為防止外力對輪徑校準準確性的影響，將1）動車組牽引/制動力參考值<5%;2）動車組車未施加摩擦制動;3）加速度/減速度<0.05 m/s2;4）主控手柄在“0”位;5）GPS信號有效等做為執行自動輪徑校準的始能條件。

動車組的運行速度同樣對校準的準確性影響很大，一方面速度過高導致即使平直道惰行，速度下降較大，影響校準結果的準確性;另一方面速度較小導致在低速過道岔時誤觸發校準功能，導致彎道校準影響結果的正確性。以CRH1A平臺動車組為例，早期允許進行輪徑自動校準的速度為30 km/h至130 km/h，但某些限速過道岔時，司機按要求手柄置0位低速（約60 km/h）通過，其誤觸發自動輪徑校準功能。由于道岔的曲線阻力影響，導致自動校準后結果錯誤。為此，目前所有CRH1A平臺動車組均已升級軟件，將允許進行輪徑自動校準的速度調整為90 km/h至130 km/h。

由于動車組在有火回送時易滿足自動輪徑校準的條件，因此為避免在此工況下誤觸發自動校準功能，應在“回送模式”下禁止自動校準功能。

2.2 校準速度和輪徑存儲時間的設置

當動車組由于重刷控制系統軟件，導致其EPROM內存儲的正確輪徑丟失時，控制系統一般將EPROM內輪徑設置為最大值、半磨耗值或最小值。無論設置為哪一個數值，均存在其與實際輪徑相差較大的可能，為此在圖1的校準邏輯中，設置的不同的校準速度，實現存在較大輪徑偏差（速度差）時粗略快速校準，較小輪徑偏差（速度差）時精確較準的目的。

由于輪徑自動校準功能通過軟件實現，而軟件內所有信號按固定的MVB/WTB的周期進行更新，因此在軟件內一個掃描周期內將完成一次校準，此周期校準后的輪徑值用于下一個掃描周期校準的輸入。由于實際運行過程中，輪徑不可能產生很大的突變，因此為保證輪徑校準的正確性，基于牽引系統軟件內自動校準的

周期執行方式，一方面可在軟件內對用于校準的目標差值進行最大值限速，避免由于速度差值輸入過大錯誤導致校準錯誤，另一方面應正確設定校準速度，保證每次校準的值與動車組實際可能產生的輪徑差值及動車組技術條件要求的輪徑范圍相對應。同時應對校準后、EPROM存儲前執行掃描周期的數量進行合理設計，采信在持續條件下校準值，保證校存儲結果的準確性和合理性。以CRH380D平臺動車組為例，牽引系統快速校準的速度為2 mm/s，慢速校準的速度為0.5 mm/s。

2.3 輪徑相關的保護功能

目前，動車組牽引系統內輪徑相關的保護功能主要包括：防滑/空轉保護功能、輪徑不在正常范圍內、輪徑差大等。

2.3.1 防滑/空轉保護功能

當牽引系統檢測到的軸速與TCMS計算的列車速度差別較大，牽引系統通過自診斷方式，識別該軸處于空轉/滑行狀態，即：

（1）制動工況下，如果動車組牽引系統的某軸的V牽引軸列車速度遠低于VTCMS列車速度，牽引系統判斷為該軸滑行;

（2）牽引工況下，如果動車組牽引系統的某軸的V牽引軸列車速度遠高于VTCMS列車速度，牽引系統判斷為該軸空轉。

當檢測到空轉/滑行后，牽引系統可要求電機變流器執行限功率輸出操作。若限制功率后滑行/空轉持續存在，報防滑/空轉故障，電機變流器自動停機。

2.3.2 輪徑不在正常范圍內

在牽引系統進行自動輪徑校準的過程中，若校準過程中由于某種原因輪徑校準后的結果超過最大值或最小值（如CRH380D平臺動車組輪徑超出850 mm～920 mm范圍）。

2.3.3 輪徑差大

針對架控的牽引系統來說，同一轉向架下的2臺牽引電機由同一個電機變流器供電。當同一轉向架下的2個軸的輪徑差較大時，同一轉向架的2臺電機的實際輸出功率會有較大差異。以CRH380D動車組為例，當同一轉向架下的2個軸的輪徑差為3 mm時，2臺電機的溫升相差約35 K，如下圖2所示。

2.4 輪徑錯誤時防控措施

通過以上對牽引系統輪徑自動校準功能的介紹及動車組的相關保護功能的分析，除動車組輪徑自動校準功能設計時應對相關設計參數進行仔細推敲、反復驗證外，為避免輪徑校準錯誤對動車組運營秩序的影響，建議還應在輪徑校準錯誤時采取以下防控措施：

（1）動車組的防滑/防空轉保護功能應設置合理的速度差，避免由于錯誤報出防滑/防空轉故障導致動車組無法繼續低速駕駛、無法進行新一輪的輪徑自動校準工作。

（2）當動車組輪徑自動校準的過程中，無論由于何種原因導致校準結果超過允許范圍，牽引系統將不存儲實際計算值，而是存儲默認值。在此情況下，一方面建議動車組診斷系統報出“輪徑不合格”，提示司機重新進行輪徑校準。另一方面牽引系統軟件應允許限功率運行（建議至少允許50%功率輸出），允許動車組開始新一輪的輪徑自動校準工作。

（3）動車組一般在TCMS內判斷使能條件，通過MVB發給牽引系統，因此牽引系統收到使能結束的時間會晚于TCMS判斷的允許輪徑校準的結束時間。因此牽引系統通過始能結束信號結束輪徑校準完成時，牽引系統應充分考慮TCMS使能條件存在信號傳遞延時。根據經驗及MVB傳輸時間估算，一般認為在牽引系統收到始能結束前的2s內的輪徑校準值容易存在錯誤，因此建議牽引系統存儲輪徑校準結束前2 s的輪徑值。

（4）針對同一轉向架的2個軸的輪徑在通過曲線時誤觸發自動輪徑較準功能，易導致同一轉向架內輪徑超差問題，由于此工況僅可能影響部分轉向架，輪徑校準錯誤后可繼續駕駛動力分散動車組繼續運行，進行下一次輪徑校準，因此不建議在此種情況下禁止變流器故障時有功率輸出。建議按既有的輪徑差功率限制功能實施即可，此時可保證在正常或異常工況下，牽引電機溫升均控制在允許的圍內，牽引系統可最大程度的發揮動車組的牽引力繼續運行。

3 結束語

上述動車組輪徑自動校準的概念，實際上是基于速度傳感器采集的實際軸頻率，根據控制系統內已存儲的輪徑值計算出的軸列車速度，通過與GPS速度差值比較和進行差值積分的方式，不斷對存儲輪徑值進行修正的閉環控制方法。該方法適用于車載控制系統內需要進行速度控制的系統，如TCMS系統和牽引系統等。

在進行輪徑自動校準的設計中，需充分考慮內因（校準速度、校準最短持續時間、系統信號傳輸延時等）和外因（速度、坡道、曲線、GPS可信度等）的影響，并采取主動的容錯手段，保證動車組輪徑在實現自動控制的同時，降低自動控制出現錯誤的幾率并降低故障時對動車組運用的影響。

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