（车辆工程专业论文）基于can总线的摆式列车调试系统研究.pdf

器耄交遴文拳壤女袋鼹耋攀毽沦囊絮茭 攘甍 运营攒式别率是在骶有绒路上掇速的一种有效途强。目前，世界上许多 溪家露缀穗继投入整式戮李簸菠式运营。蜜藏涎磺，买毒经漭淫、瓣逮蔑援 环境协调幼能的摆式列车正在成为世界铁路客车发展的一个黛爱方向。 摆式裂车痰爨藩我溪簧襞瓣楚车警霪、生产释运营模式褥密了严竣抟虢 战。对予戏国铁鼹运帮部门柬说，摆式烈攀是种全凝的商技术产鼹。如姆 蕤褒貔冀擦广楚蔼著确撩安囊及裔皴运薷怒铁瑟都门蕊惦秘一个慧浠解决的 重娶阅题。 镶傈率辆缭穆监势瀚高散诧是掇商运营效率韵关键。而借助糍功能齐 全、技术毙遴，方便安鼹的诞试系绞楚穗绦维揍熊务塞簸纯瓣强鸯宓蹬蓬。 对予作为简新技术的摆 式列举米说，显得尤为羹鬻。目前，由于国内没肖成 熬熬籁摆控键鼓零，鑫大铁路王厂趱缝臻熬穗垒产戆擦建爨率，麦簧蘩爨捷 国外e s w 公司成蘸引避倾摆控制系统。e s w 公司设计的倾撄控制憋统是源 过c a n 慈浚逶壤接瑟冬囊车靛楚系统挺遗。萎楚逶遗这令攘蠢，巍藏嚣个 系统问的倍息传输，实现车体倾摆功能。因此，从实际廉用出发，开发熬予 c a n 总线技零嚣撵盏捌睾溺试系统燕堡务之惫。 本文就是在这神背嫩下，根据我国摆式列车开发、生产葶f f 运用的瑗状， 避嚣麓予c a n 惑线技术游摆蕊瓣车满试系统翡稀究。 遴过分摄国惑难在蛾制的撷摆接划网络灼特点，详缨并深入豁磷突基予 e s w 公司技术韵臻式列车倾攒径制蒜统酌琢理、缩构和功能特性。借鉴国外 先遴缎验，了甓黧杰赘燧状提，提爨了基予c a n 慈线技末靛摆式烈莓谨蠛 系统的设计方案。并采埔t i 公司最新的高浆成度的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 棉 酶按丑：，薅铩溪试系统黪撞拳炎逢、穗戆齐器、实溪露蠡。 l本文的研究将会为我国摆贰列率维修业务工作提供强有力的调试系统， 太宓撼褰运嫠蓑牵，获辍獾豌蔑霉铁辫运输攀盏熬爱震。 甍蕤谲：蘩戴磋苇 c a n 慈线 d s 魏谲试；研究 a b s t r a c t i ti sa ne f f i c i e n tw a yt oi m p r o v et h ec u r v i n gs p e e di nt h ee x i s t i n g 1 i n eb yu s i n gt i i t i n gt r a i n a tt h ep r e s e n t ，t h et i i t i n gt r a i n sh a v e b e e np u ti n t op r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nm a n yc o u n t r y i ti sp r o v e dt h a t t h et i1 t i n gt r a i nw i t he c o n o m y 、c o m f o r ta n dc o r r e s p o n d i n ge n v i r o n m e n t h a sb e c o m i n ga ni m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft h er a i l w a yv e h i c l e i i nt h ew o r l d 。 t h e t i l t i n gt r a i na p p l i c a t i o n i st h ea u s t e r e c h a l l e n g e t ot h e t r a d i t i o n a lm o d e li nm a n a g e m e n t 、p r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o n t oo u r r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nd e p a r t m e n t ，t h et i l t i n gt r a i ni st h eb r a n n e w a n dh i g h t e c hp r o d u c t i ti sa ni m p o r t a n ti s s u eb e i n gs o l v e du r g e n t l y f o rt h e r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nd e p a r t m e n t i no u r c o u n t r yh o wt h e t i l t i n gt r a i nw i l lb ep o p u l a r i z e da n dr u ns a f e l ya n de f f i c i e n t l y t h ee f f i c i e n c yo fm a i n t e n a n c ev e h i c l ei st h ek e yt oe n h a n c et h e a p p l i c a t i o ne f f i c i e n c y u s i n gas u i to fd e b u gf a c i l i t yw i t hp e r f e c t f u n c t i o n s ，a d v a n c i n gt e c h n o l o g y a n dc o n v e n i e n c ei st h e s t r o n g l y m e a s u r et oi n s u r ee f f i c i e n tm a i n t a i n i ti se s p e c i a l l yi m p o r t a n tf o r t h et i l t i n gt r a i n n o r ，a st h e r ei sn ot i l t i n gc o n t r o ls y s t e mt h a tc a n b eu s e di no u r c o u n t r y ，s o m eo f t h e r a i l w a ym a n u f a c t o r i e s a r e d e v e l o p i n gt h et i i t i n gt r a i nw h o s et i l t i n gc o n t r o ls y s t e mi si m p o r t e d f r o me s w c o r p o r a t i o n t h ec a r b o d y t il t i n g s y s t e mp r o d u c e db y e s w r e c e i v e st h e n e c e s s a r yo p e r a t i o nc o m m a n d sf r o mt h et r a i nc o n t r 0 1 s y s t e m ( t c s ) v i a t h e t i l t i n g c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec a n b u sa n d r e a l a p p l t i l t z i n gt h ec a r b o d yt i l r i n gf u n c t i o n s o ，f o rt h ep r a c t i c a l c a t i o n ，d e v e l o p i n gt h ed e b u gs y s t e mb a s e do nc a nb u s f o rt h e n gc o n t r o ls y s t e mi nt i l t i n gt r a i ni s t h eu r g e n ta f f a i r s 。 i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t yo ft h ed e v e l o p m e n t 、 m a n u f a c t u r ea n da p p l i c a t i o nf o rt i l t i n gt r a i ni no u rc o u n t r y ，t h ed e b u g s y s t e mb a s e do nc a nb u sf o rt h et i l t i n gc o n t r o ls y s t e mi sr e s e a r c h e d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft i l t i n gc o n t r o ls y s t e mb e i n gd e v e l o p e di n o u r c o u n t r ya n a l y z e d ，t h ep r i n c i p i e ，c o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o n s c h a r a c t e r i s t i cf o r t i l t i n g c o n t r o l s y s t e m b a s e do nt h ee s w s 西南3 c e 通大学硕士研究生学位论文彻i n t e c h n o l o g y a r er e s e a r c h e di n d e t a i l a c c o r d i n gt ot h ea d v a n c e d e x p e r i e n c eo na b o a r da n dt h ea p p l i c a t i o ns t a t u si no u rc o u n t r y t h e d e s i g np r o j e c t o ft h ed e b u gf a c i l i t yb a s e do nc a n b u sf o rt i i t i n g c o n t r o ls y s t e mi sp u tf o rw a r d 。t oi n s u r et h ea d v a n c e dt e c h n o l o g ya n d p e r f e c t f u n c t i o n so ft h e d e b u gs y s t e m ，t h eh i g hi n t e r g r a t e d t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7c h i pp r o d u c e db yt ic o r p o r a t i o ni s a d o p t e d ， i tw o u l dp r o v i d et h e s t r o n g l yd e b u gs y s t e mf o rm a i n t e n a n c ei n lt i t i n gt r a i nb yt h eh a r v e s to ft h i sr e s e a r c hw h i c hw o u l de n h a n c e e n e i g e t i c a l l yt h ee f f i c i e n c ya n dp r o m o t ea c t i v e l yt h ed e v e l o p m e n tf o r 。r a i l w a yt r 8 n s p o r t 8 t i o 鑫i no a rc o u n t r y 。 k e y w o r d s ：t i i t i n gt r a i n c a n - b u sd s pt e s t r e s e a r c h 堕查窑垄查堂堡主塑塞圭堂垡鲨塞 蔓! 重 1 1 选题背景 第1 章绪论 铁路运输自1 9 世纪初正式开始运营以来，由于其节省能源、对环境污 染少、安全可靠性高等诸多优点，一直作为人类最重要的交通运输工具之一。 但随着航空和公路的迅速发展，以及旅客需求的多样化、高级化，铁路运输 面临十分严峻的挑战，主要表现在铁路客货运量的急剧下降，尤其是在客运 方面。要夺回已失去的市场和改善其被动局面，必须主要从提高车辆运行速 度和旅客乘坐舒适性等方面着手。 为适应形势，近来世界铁路各公司在车辆领域的技术开发有了惊人的发 展。新干线高速车辆的成熟运用，以及面向2 1 世纪以超高速新干线为目标的 磁悬浮车辆也在开始实用化试验，为铁路运输事业的发展打开了新的局面。 但高速列车必须要有高标准的线路、先进的信号控制及通信网络技术和 供电系统等配套设施，因此造价极高。目前只有极少数经济发达国家有实力 开发和投入运营。我国是一个经济实力较弱的发展中国家，幅员辽阔、山区 铁路众多。要大范围的修建高速线路，在目前是不现实的。近十几年，随着 重视舒适性，更具经济性及环境协调能力的既有线提速车辆一摆式列车的开 发成功及投入运营，很好的解决了这个难题。 线路的曲线半径限制了列车速度的提高。增加外轨超高可以在一定范围 内提高曲线通过速度，但在客货混跑的线路，超高的大小一般以货车作为基 准来确定”l 。因此，要提高曲线通过速度，补偿由于曲线超高不足而对曲线 通过速度的限制，最经济、有效的途径就是采用装有能使车体倾摆的技术先 进的倾摆控制系统的摆式列车。 - 意大利p e n d o l i n o 、西班牙t a l g o 和瑞典x 2 0 0 0 摆式列车在8 0 年代的成 功经验和在既有线路提速的愿望，引起了欧美许多国家对摆式列车的极大兴 趣。进入9 0 年代，摆式列车的技术日趋成熟，因此各国开始看好摆式列车的 广阔运用前景及巨大的经济潜力，使摆式列车真正进入了成熟运用阶段，并 纷纷以不同的方式来研制和运用摆式列车。 运用实践证明，投资少，见效快，花少量费用和时间即能使摆式列车提 高曲线通过速度3 0 左右，缩短运行时间约2 5 左右“1 ，达到客运提速和提高 旅客乘坐舒适性的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - l _ _ _ _ _ 一一一 亚洲国家中日本是第一个研制和开发摆式车体以及世界上第一个建造和 运行高速铁路的国家。日本首先开发的实用性摆式列车是3 8 1 电动车组，并 于1 9 7 3 年投入运用。日本也是世界上第一个在窄轨铁路上采用摆式列车的国 家。此后，日本研制和开发成功了其他形式的摆式列车并投入运用。 中国的广深铁路公司向瑞典租赁了- y u 一动六拖的x 2 0 0 0 摆式列车。 1 9 9 8 年8 月投入运行，每日共1 0 次往返于广州一深圳间，最高速度为1 9 0 k m h ， 取得了较好的经济效益“1 。由此可见，摆式列车的经济潜力是巨大的，是适 合我国国情、路情的，它必将会打开我国未来铁路事业发展的新局面。 就是在这种背景下，1 9 9 9 年铁道部立项自行研制我国的第一列摆式列 车，由国内十几家单位联合研制，西南交通大学承担了铁道部科技开发项目 ( 项目编号：9 9 j 4 5 一e ) 一摆式列车倾摆控制系统的研制。 近来，国内各大铁路工厂相继投入大量资金进行摆式列车的开发和生产。 但作为关键技术之一的倾摆控制系统目前还没有成熟的国内产品，主要靠成 套从国外引进。唐山机车车辆厂开发的1 6 0 k m h 内燃摆式列车将于2 0 0 3 年5 月份完成，四方机车车辆股份有限公司开发的2 1 0 k m h 动力分散型4 m 2 t 摆式 电动车组也将于2 0 0 3 年年底完成，另外，长春客车厂也已计划开发摆式列车。 摆式列车对于我国铁路产品的生产和运用部门来说，是种全新的高技 术产品，没有运营经验。要确保摆式车辆高效运营，关键因素之一是要确保 车辆维修业务的高效化。而摆式车辆不同于传统车辆的不解编调试维修作业 方式是车辆运用部门即将面临的一大难题。而能否正确处理车辆运行中出现 的倾摆控制系统故障是确保摆式列车安全运行的关键。对于司机来说，如何 处理好这些故障是一个非常棘手的难题。根据国外摆式列车成功运营经验， 借助一套功能齐备、技术先进、实用可靠的调试系统是解决这些问题的强有 。力措施。 国内三家工厂研制的摆式列车，其倾摆控制系统都是从德国e s w 公司成 套引进的。这种局面将导致今后国内大部分摆式列车的倾摆控制系统是基于 e s w 公司的倾摆控制技术。而在e s w 公司的车体倾摆控制系统中，头车的中 央控制器( c c u - - c e n t r a lc o n t r o lu n i t ) 及中间车辆的车辆控制器( v c u v e h i c l ec o n t r o lu n i t ) 与各车辆的倾摆控制器( t e t i l t i n ge l e c t r o n i c ) 间是通过c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线接口传输信息的，由头车的倾 摆控制器( t e ) 通过c a n 总线通信接口完成接收中央控制器( c c u ) 发送的倾 摆所需的操作指令，并由各车辆的倾摆控制器( t e ) 通过c a n 总线通信接口 完成向中央控制器( c c u ) 或车辆控制器( v c u ) 回送技术状态信息。因此， 堕查銮塑杰堂塑主塑塞生堂丝亟塞 蔓! 要 _ _ l _ _ _ _ _ - _ - - _ - _ _ - _ _ _ _ - _ - _ - - _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ 。一 本文从实际应用出发，开发基于c a n 总线的摆式列车调试系统。 1 2 国内外摆式列车技术应用现状 列车倾摆原理是在线路实设超高一定的条件下，当车辆进入曲线时，让 车体向轨道内侧再倾摆一个角度，相当于再增加一份超高，于是车上的重力 加速度横向分量可以平衡更大的离心加速度，从而提高摆式列车通过曲线的 速度。车体倾摆角度越大，提高曲线限速也越多。由于限界的限制，最大倾 ，摆角度不应大于1 0 。 使车体倾摆的方法有两种：一种是靠车辆通过曲线时的离心力的作用， 。使车体绕其摆心转动，没有外加的动力，这种倾摆的方式称为自然摆或被动 摆，例如西班牙的t a l g o 列车和日本3 8 1 电动车组、德国w e g m a n n 和瑞士 n e i k o 。其中西班牙的t a l g o 是车体承在车顶上，以两个空气弹簧为支点摆动： 而日本的3 8 1 系列电动车组、德国w e g m a n n 是采用早期的k r u c k e n b e r g 的设 计思想。另一种摆动方式是通过外加能源的作用使车体摆动，这种方式称为 主动摆或强制摆，例如意大利的e t r 4 5 0 电动车组、瑞典的x 2 0 0 0 列车和德 国的v t 6 1 1 内燃动车组。被动摆简单，不需要作动器、驱动能源、倾摆控制 和信号采集系统，但由于被动摆式列车的倾摆角度小，提速幅度小，已从摆 式列车的主流中逐渐退出。主动摆的摆角大，提速量大，但要有高科技的倾 摆控制、通信及检测系统。目前，随着控制网络技术的快速发展，先进的摆 式列车都采用主动摆的形式【1 1 。 国外较典型的倾摆机构型式有两种，一种是瑞典x 2 0 0 0 、德国v t 6 1 l 、 意大利f l a t 公司的e t r 4 6 0 系列摆式列车所采用的主动控制“八字摆杆” 式倾摆机构；另一种是日本窄轨摆式动车组和意大利f l a t 公司为英国西海 ，岸生产的摆式电动车组采用的滚轮或滚道式倾摆机构。“八字摆杆”式倾摆机 构具有结构简单、易维护等特点，其结构形式符合我国铁路旅客列车车体和 转向架运用及维护特点，因此我国开发的摆式列车迫导向径向转向架采用了 这一倾摆机构方式i i ”。 为减小摆式列车高速通过曲线时的轮轨力，其转向架技术主要有三种： 第一种是以x 2 0 0 0 ，e t r 4 6 0 摆式客车转向架为代表的柔性一系定位转向架， 这种转向架的轮对定位刚度较小，在曲线半径不是太小的线路上有较好的径 向调节能力；第二种是以v t 6 1 1 摆式客车转向架为代表的白导向径向转向 架，这种转向架径向调节能力比一系柔性定位转向架要好，由于需要有导向 机构将前后轮对联系在一起，所以结构较复杂；第三种是以日本2 8 3 系列、 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 瑞士s i g 转向架导航装置和西班牙的t a l g o 摆式列车径向车轮导向装置为代 表的迫导向径向转向架，这种转向架的曲线调节能力最好，即使在很小半径 的曲线上都有可能使轮对处于径向位置或使车轮与钢轨平行，可有效降低轮 轨横向力，减轻轮轨磨耗，由于迫导向装置要直接或间接地与车体相连，结 构比较复杂，且制造工艺要求较高【l ”。 倾摆控制系统是摆式列车关键技术之一，根据摆式列车工作原理，可分 为线路检测系统、控制及通信系统和作动系统。 列车倾摆是以列车通过曲线时所承受的未平衡离心加速度作为倾摆角的 计算依据，为了获取此加速度信号，目前采用两种检测技术：一种是事先测 量铁路沿线的曲线半径、超高、圆曲线长度和进出缓和曲线的长度，并把它 们储存在计算机中，同时在列车上和线路上安置应答器，当列车通过时，地 面应答器即能通知列车上计算机列车经过第几段曲线及其曲线数据参数，另 外根据列车速度的信息即可计算出车辆的倾摆角度和倾摆角速度，从而驱动 伺服倾摆系统实现车体的倾摆。这种方式唯一需要借助外部提供的信息就是 列车运行的准确位置，该模式如日本的3 8 3 系列摆式列车。另一种检测方法 是利用车载实时检测装置直接采集列车的加速度或离心力来控制车体的倾摆 角，在这种模式下，检测系统一般由加速度传感器、陀螺平台( 或陀螺仪) 以及列车速度传感器组成。一般采用在机车前转向架上安装加速度传感器进 行加速度信号测量，为了消除各种随机振动的影响，必须对加速度传感器测 出的信号进行滤波处理。加速度信号在经过低通滤波处理之后，会产生较大 的滞后，必须采取一定的补偿措施，采用陀螺仪提供的列车进出曲线的状态 信息进行滞后补偿是一种目前大多数摆式列车进行补偿的方法f 6 1 。这种方法 的最大优点是不必在每一曲线处设置应答器，摆式列车可在任何线路上运行， 。适用范围广。 地面应答技术简单，因而可靠性更高，但要在铁路沿线设置大量的应答 + 装置，耗资较大，维护保养困难。而卫星定位系统又受到地形地貌以及隧道 阻隔等影响，其应用受到局限。因此，且前世界上绝大多数摆式列车都采用 车载实时检测模式。 在基于车载曲线参数检测的摆式列车中，传统的车体倾摆控制模式为“零 控制”模式。在这种模式下，位于车体上的加速度计测得车体横向加速度并 产生倾摆控制信号，再由本地控制器将其控制为零，从而完全弥补列车快速 通过曲线时超高不足。 事实上完全补偿旅客横向加速度是不必要的，并且由于倾摆系统响应过 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 快反而降低旅客的乘坐舒适性。因此，新一代摆式列车采用的是“指令驱动 式”控制模式。就是控制信号由位于头车的指令中心产生，通过通信网络顺 次传送到后续车辆控制器，再由本地控制节点控制车体实时倾摆。 意大利的e t r 4 5 0 采用“指令驱动”控制方法。由安装在头车转向架上 的加速度计检测横向振动加速度，并通过o 5 1 h z 的低通滤波器进行滤波得 出稳定分量。为了消除滤波滞后，采用陀螺仪检测曲线的入口和出口，并获 得修正信号。然后在横向振动加速度的稳定成分上迭加修正用梯形波信号， 由此获得车体倾摆所需的同步指令信号，该指令信号经适当延时后沿着列车 向后传递至每一个车辆控制器，产生伺服阀所需的控制信号，驱动液压执行 器强制车体倾摆一定角度。而瑞典的x 2 0 0 0 与e t r 4 5 0 相似。曲线参数是由 装设在头车转向架上的加速度计来进行检测的，但没有采用陀螺仪设备，其 同步补偿是通过安装在头车上的缓和曲线检测传感器来实现的。 为确定列车运行时应该倾摆多大的角度，在头车上安装了传感器。实时 检测轨道超高、曲线半径、未平衡离心加速度，再按照一定的控制算法，计 算出此刻应倾摆的角度，然后迅速传给后面的每一车辆。为此，摆式列车需 有倾摆通信网络系统，将头车算出的倾摆角度传给后面的客车，并将各车辆 实际倾摆的角度传到头车。从目前世界上摆式列车应用发展来看，摆式列车 的倾摆通信网络结构有两种形式，一种是以西门子公司、a d t r a n z 公司基于 t c n 全分布式控制与通信系统，西门子公司采用的是i e c9 4 1 3 c d v 标准的 s i b a s 3 2 系统，a d t r a n z 公司采用m i c a s s 2 系统。该系统主控计算机及各 车辆倾摆作动子系统分别作为分布式系统的一个控制节点，纳入列车控制网 络中统一管理；另一种是将倾摆控制系统与列车控制系统独立起来，倾摆控 制系统自成系统，完成整个列车的倾摆控制，以及倾摆系统的管理，与列车 控制系统通过通信接口交换信息数据，该系统应用如德国v t 6 1 1 、英国西海 岸w c m l 摆式列车【。 i e c 的列车通信网络t c n 由列车总线( t - b u s ) 和车辆总线( v - b u s ) 两 级组成，铰接式列车总线w t b 通过手插式跨接电缆或自动连接器实现车辆 之间的互连。采用t c n 标准的分布式控制网络，各车辆以及车辆内部各设备 的微机控制装置通过列车通信网络连接，所有牵引设备的控制、中央控制、 诊断都在网络上完成。所有设备模块化，有利于实现系统简统化，但是由于 t c n 的实用化产品主要由西门子等几个大的欧洲公司所垄断，所以不仅价格 高昂，而且很难获取开发中必需的资料及信息1 。 列车通信系统的主要任务是收集全列车各部件的状态、数据，以便进行 亘妻窑塑盔兰塑主塑塞生兰堡迨塞 蔓垒要 监视和诊断。而列车控制系统主要通过硬连线把命令传送到各节车厢从而实 现全列车的重联控制。一直以来国内列车使用的这两大系统是相对独立的， 未能形成完整的、功能全面的列车通信控制网络。目前国内正在尝试使用一 些比较成熟的技术( 如l o n w o r k s 网络技术) 进行摆式列车倾摆控制网络及 常规列车通信网络的开发研制。另外上海铁道大学、北方交通大学和株洲电 力机车研究所等单位也参照列车通讯网络t c n ( t r a i n c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ) 标准，研制了由a r c n e t 列车总线和h d l c 重联总线构成的列车 通信网络，针对不同的功能单元，开发了相应硬件和部分软件。 摆式列车倾摆作动方式有三种：气动式、液压式和机电式。压缩空气作 动器因空气可压缩而响应慢，精度低，同时其组件体积较大，因而逐渐被淘 退，目前唯一采用气动式的国家是日本。液压式是较早成熟的技术，是目前 世界上摆式列车应用的主流，著名的瑞典x 2 0 0 0 、意大利p e n d o l i n o 系列、 德国v t 6 1 0 和v t 6 1 2 等均采用液压作动器。它具有推力大、响应快、控制 精度高等优点，主要的缺点是系统复杂，液压泵站等体积、重量和能耗均较 大，液压油容易渗漏等。而机电式则是9 0 年代由德国的a d t r a n z 公司首先运 用成熟的军用产品技术开发的。由于交流变频电机、变频器和控制器技术的 广泛应用，以及大推力高精度的滚珠丝杆的研制成功，摆式列车机电式作动 技术近年来得到了快速发展【5 】。目前，一些国家正在或已经采用机电式倾摆 作动系统。如德国v t 6 1l 的执行机构就是采用机电式倾摆作动系统。与液压 倾摆作动系统相比，除了具有液压倾摆作动系统的优越技术性能外，还具有 体积小、重量轻、效率高、可控性好及便于调试维修等诸多突出的优点，应 该说具有一定的先进性、前瞻性，是世界摆式列车倾摆作动技术发展的方向。 9 0 年代初，西南交通大学等科研机构和车辆制造工厂以及铁路运营单位 开始进行摆式列车的理论研究与实车的研制工作。在国家自然科学基金和学 校的资助下，1 9 9 6 年，西南交通大学机车车辆研究所建成主动控制实验室， 它可以对摆式列车倾摆控制系统进行试验研究。为我国摆式列车的研制创造 了有利的试验条件。同时成立了摆式列车课题组，集中了一批科研力量，开 始了我国摆式列车研制的新阶段。 虽然国内对列车通信控制网络的研制已有近十年左右的时间，但目前仍 处于研制阶段，还没有实用化的我国自行研制的产品。而t c n 的技术产品被 西门子等欧洲大公司所垄断，技术及其产品价格昂贵，并且技术资料及信息 很难获得，车辆运用成本相当高，不适合我国目前的国情。当前，我国铁路 运输面临良好的机遇和挑战，国家正在投入大量的人力财力进行高速列车和 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 摆式列车研制开发工作。用发展的眼光来看，从战略的角度出发，吸收国外 先进的成功经验，依靠我国自身的科技力量尽快开发出适合我国国情的摆式 列车倾摆控制系统是当务之急，也是最切实可行、最有前途的举措。 展望未来，进行摆式列车倾摆控制网络的研制开发，最好的办法是运用 开放的、技术成熟的测控网络作为摆式列车倾摆控制网络。可以使我国在摆 式列车倾摆控制系统通讯网络的研制开发处在一个比较高的起点上，尽快缩 短与国外先进国家在这一领域的差距。同时可以大大缩短开发周期，节省大 量的资金。更能保证通讯网络的可靠性、先进性和可扩展性。为我国在列车 通讯网络领域的发展打下良好的基础。 由于国内倾摆控制系统还处于研制阶段，近来各大工厂开发摆式列车采 用相对独立的倾摆控制系统模式，该方式下列车及其控制系统采用目前国内 成熟的动车组技术，倾摆控制系统依靠引进国外成熟技术。对于列车总体设 计而言，这种方式可突出摆式列车的重点一车体倾摆控制，并且倾摆控制系 统不会影响列车其它系统正常工作，确保列车运行的安全性，使国内摆式列 车能早日研制成功及投入运营。待国内倾摆控制系统研制成功并成熟运用后， 可使摆式列车倾摆控制系统全部实现国产化。 虽然我国对摆式列车的研制开发比较晚，但起点较高，充分借鉴国外成 功运用经验和先进技术。国内各大铁路工厂相继开始研制和生产的摆式列车， 其关键技术之一的倾摆控制系统由于目前国内还没有成熟的产品，都是依靠 从德国e s w 公司成套进口。 倾摆控制系统的可靠性直接关系到摆式列车运行的安全。如何保障高可 靠性是摆式列车应用技术研究成败的关键。从国外实际运用经验看，提高可 靠性的措施主要是采取冗余技术和故障诊断及调试技术。例如，瑞典国家铁 路最初的x 2 型摆式列车，采用了数字控制系统和模拟控制系统双套冗余的 方案，发展到x 2 0 0 0 摆式列车，则采用了通信线路冗余、关键控制部件冗余 及功能完善的故障诊断及调试系统等多级保障措施。 1 3 调试系统研究的必要性及重要意义 我国铁路运输部门在长期的运用实践中，建立和完善了一套行之有效的 车辆调试保养制度，曾经为保障列车安全运营发挥了重要的作用。但随着客 车车辆技术的不断发展，摆式列车这样的高科技车辆的出现及投入运营，对 我国传统列车的管理、生产和运用模式提出了严峻的挑战。 摆式列车对于我国铁路产品的生产和运用部门来说，是一种全新的高技 西南交通夹学硕士研究生学位论文蔓! 鲤 零产品。将泉如何在我蓍维广镬翔、确保安全及高效运营是一个急需解决的 黛要问题。 摆式列率属高新技术，除歹| j 率本身应具备备用系统、故障自诊断系统外， 对列车维修业务的要求也相应提高。由于应用了先进的捡测系绕、控铡系统 及通信系统，检测故障难度加大。又由于运用摆式电动车组方式，在地面维 修基地进行检修时，由传统的运行一个区闯调换车头的臻渡改成为与车辆一 起运行、一起检修韵方式，也就是在维修基地实施不解编维修作业，只有在 。按规定大修时，才允谗解缡。困鼗，对巧境要求严擦， 筝渡难度艇大。 目前，铁路运输部门藏在大力强化其经营体制。同时，还采取减少购置 ，零辍费翅；采臻褰逮、裹密疫运行鳇方忒来满足旅客多样亿、离缴纯懿需求； 确保车辆维修业务的高效化等措施。而确保率辆维修业务的高效化又怒提高 攀辆运篱效率最舂力熬诺藏之一。毽隧麓鹣鼓含量檄商靛撰式车辆酃将投入 逡营，使铁路运输单位面临一个前所未有的难题，为能否确保摆式车辆维修 藏务豹离效纯感到接优。 铁路客车长期以来维修对象以机械为主，铁路攀辆部门重点发展粒培养 的技术力量、维修方式及稔测手段都是以机械维修为主体的传统模式。对于 简科技设备维修的人员、手段和方式都魄较薄弱，所以形旗了裹辩按设冬维 修难的状况。 从梭测手段来讲，大多是使翅燕擎紫矮戆仪器仪表，魏万斌褒等，对电 子设备进行维修检查，缺麓针对科技设备控制特征的专业榆测手段，狂检查 维修工律孛无法对其王俸浚程帮教薄霞覆透露确定，毽裁不能歪确分拆馥漳 发生的原因。正因为检测手段落厢，高新技术设备的维修方式进步缓慢。在 鼗薄已缀臻显影晌设餐工俸，或造成设蓊损坏螽，才实施维修静落后维修方 式称之为故障损坏型事后维修方式。这种方式不符合作为赢科技产品的摆式 擎辆运掰维修豹需要。 现代高科技设备维修方式是在状态检测和预测工作部传寿命的基础上， 根据设备运行袄态、变化发展趋势及影响因素分析进行的预防性设备调试维 修。箍单地说就是采娜先进的监测设施，通过蠢动智能分攒的方式，掌握设 备二e 作过程及状态，巍设备工作过程状态接近发生故障临界状态时，及时进 行预防馈维修，睫止故障发生。这瓣维修努式成本最低，设器运麓效率爨高。 维修方式的进步与检测平段的愿新怒同步的，探讨维修方式的发展是基 予宠进懿检测事莰之童。现代设备缍磐巍离辩按智能纯发袋，先避豹维修方 式需要先进的梭测技术，由于目前高科技客车率辆的检测手段比较落后，努 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 再 力开发先进的检测手段是提高维修能力，确保设备安全高效运行的基础。 在摆式列车中大量应用高科技设备，这类设备一旦发生事故就有可能造 成人员和财产的巨大损失，迫切需要提高摆式列车运行的可靠性与安全性， 摆式列车故障诊断技术就是为建立“监控系统”的需要而发展起来的， 故障诊断技术包含了故障检测、故障分离、故障辨识等内容。故障检测 就是判断系统中是否发生了故障以及检测出故障发生的时刻。故障分离就是 检测出故障后确定故障的类型和位置。故障辨识就是分离出故障后确定故障 的大小和时变特性。 摆式列车有集成在倾摆控制系统中各关键部位的故障自诊断系统。系统 自检、故障诊断及处理功能分布于检测子系统、控制子系统和倾摆作动子系 统内。各子系统独立完成自身的状态检测和故障诊断，并将诊断结果以状态 参数的形式报告给主控计算机。主控计算机完成整个倾摆系统的故障监控， 并借助列车通信网络的显示器提示给司机。 随着车辆运营效率的提高，列车进库检修时间相对减少，对维修时间有 严格的限制，加之电子设备需要供电检查，维修时间更为紧张。在摆式列车 技术中使用了大量先进的电子设备及复杂的通信控制网络。在处理此类高科 技设备故障时，由于缺乏先进的检测手段，加上运用部门调试维修人员的知 识和经验更新缓慢，往往需要花费很多的时间和精力来查找故障、分析原因， 故障检查难度大，很难在限制的维修时间内查找并修复故障。而且，在短时 间内，车辆运用部门要改善高科技设备的调试维修条件，从模式和人员因素 上是无法迅速改变的。因此，摆式车辆调试维修工作是当前我国铁路技术开 发研究工作者急需解决的重要课题。 从国外摆式列车成功运营经验来看，配有一套技术先进、功能完备又方 便实用的调试维修系统是确保摆式车辆维修业务高效化、提高运营效率的有 力措施。 倾摆控制系统安全可靠对于摆式列车的正常运营是至关重要的。也是摆 式列车技术的关键，更是摆式列车维修业务中的难点和重点。依靠传统的人 工经验和功能简单的仪表进行维修作业的方式已难以适应，只有依靠改进和 加强检测手段，借助技术先进、功能齐备且实用可靠的调试系统，才能保证 摆式列车维修业务高效化并提高运营效率。而对于司机来说，借助这么一套 系统，通过直观的显示界面及提供的故障处理对策，可以确保及时、正确处 理在车辆运行中出现的倾摆控制系统故障，保障摆式列车的安全运行。 在我国，摆式列车还处于研制开发阶段，并未进入实质性的运营。目前， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 国家正投入大量资金开始进行摆式列车的研制开发和生产，主要是从事其关 键技术之一的倾摆控制网络以及在摆式列车运行中的故障自诊断系统的开发 和研究。但至今未有成熟的、可投入实际运用的产品。近来国内各大铁路工 厂相继开始开发和生产摆式列车，但作为其关键技术之一的倾摆控制系统主 要依赖从国外e s w 公司成套引进，而且从技术合作来看比较成功，因此， 将来国内投入运营的摆式列车倾摆控制系统绝大部分是采用e s w 公司的产 品。而在e s w 公司的倾摆控制系统中，头车的中央控制器( c c u ) 及中间 车辆的车辆控制器( v c u ) 与各车辆的倾摆控制器( t e ) 间是通过c a n 总 线接口传输信息的，由头车的倾摆控制器( t e ) 通过c a n 总线通信接口完 成接收中央控制器( c c u ) 发送的车体倾摆所需的操作指令，并由各车辆的 倾摆控制器( t e ) 通过c a n 总线通信接口完成向中央控制器( c c u ) 或车 辆控制器( v c u ) 回送技术状态信息。因此，从实际应用出发，开发基于c a n 总线技术的摆式列车调试系统更是当务之急。 基于以上原因，根据我国摆式列车开发、生产和运用现状，本文进行了 基于c a n 总线技术的摆式列车调试系统的研究。为车辆运用部门提供技术先 进、功能齐备且实用可靠的调试系统，确保车辆维修业务高效化，提高车辆 运营效率，保障车辆安全运营。 1 4 本文研究的主要内容和方法 本文是在中国南方铁路集团四方机车车辆股份有限公司正在开发的c s r 4 m 2 t 动力分散摆式电动车组( c s rt i l t i n ge m u ) 的项目支持下进行基于 c a n 总线的摆式列车调试系统研究的。 阐述了国产研制摆式列车倾摆控制系统的基本原理、结构和功能：根据 c s r 摆式电动车组倾摆控制系统的特点，全面深入研究e s w 公司生产的倾 摆控制系统的原理、组成及功能特性；研究了相关的c a n 总线及d s p 技术 特性：根据调试系统所要达到的功能要求，结合我国车辆开发、生产和运用 部门现状，提出了利用最新高集成度t m s 3 2 0 2 4 0 7 芯片的d s p 技术设计调试 系统的方案；根据方案要求，进行系统硬件及软件系统的设计，并在实验室 通过在线仿真系统对硬件及软件系统进行全面测试。力求系统的先进性、实 用性、可靠性及可扩展性。真正成为一套简单实用、功能完备又具有先进性 的摆式列车调试系统，解决摆式列车在我国实际应用中的调试维修难题。 研究的主要内容有： ( 1 ) 研究了国产研制的倾摆控制系统的基本原理，结构及功能； 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 ( 2 ) 研究了c s r4 m 2 t 摆式电动车组倾摆控制系统的原理、组成及功能 特性； ( 3 ) 研究了现场总线c a n 总线的技术特性； ( 4 ) 研究了t i 公司的t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的结构及特性： ( 5 ) 提出了基于最新的高集成度t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的d s p 技术调试系 统设计方案； ( 6 ) 进行了调试系统硬件设计； ( 7 ) 进行了调试系统软件设计； ( 8 ) 在实验室对调试系统的硬件和软件功能进行全面的试验，确保调试系 统稳定可靠，能满足实际使用要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 研究的方法如图1 - 1 所示 图1 - 1研究方法流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 第2 章倾摆控制系统技术分析 倾摆控制系统是摆式列车技术的关键，更是摆式列车调试维修业务中的 难点和重点。目前，国内正进行其关键技术之一的倾摆控制网络以及在运行 中故障自诊断系统的开发和研究，但至今未有成熟产品能投入实际运用。近 来国内各大铁路工厂相继开发和生产的摆式列车，其倾摆控制系统都是从国 外e s w 公司成套引进的，今后一段时期，国内投入运营的摆式列车使用的 倾摆控制系统绝大部分是采用e s w 公司的产品。为进行摆式列车调试系统 设计，有必要对国产研制及e s w 公司的倾摆控制系统进行全面深入研究。 2 1 国产研制的倾摆控制系统技术分析 当列车通过曲线区段时，通过位子头车的检测子系统在线实时测量曲线 参数，测出横向离一t j , j n 速度，然后将这一信号传送到位于头车的主控计算机。 主控计算机根据一定的算法，计算出每节车体所要倾摆的角度并将这一控制 指令通过通信网络发送到各车辆的倾摆控制器，再由倾摆控制器将这一指令 传送到各车辆的执行结构，控制车体倾摆并稳定在给定的位置上，实现摆式 列车的倾摆功能，完成对离心加速度的补偿。 根据摆式列车的倾摆工作原理，按照功能实现，将倾摆控制系统基本上 分为以下四个部分，组成一个典型的分布式控制系统【6 j ： ( 1 ) 曲线参数检测子系统； ( 2 ) 倾摆控制信号产生子系统： ( 3 ) 通信子系统； ( 4 ) 倾摆作动子系统。 倾摆控制系统完成车体倾摆控制，实现列车运行状况检测、倾摆控制指 令产生、信息传输，以及整个列车倾摆控制系统的状态监测、故障数据存储、 显示和诊断功能。 检测子系统由检测计算机( d s p 2 ) 、加速度传感器、陀螺仪及速度传感 器组成，负责实时检测轨道超高、曲线半径、未平衡离心加速度和行车速度 等参数，供主控计算机计算和识别线路特征。 控制子系统主要包括主控计算机( d s p l ) ，用于产生倾摆控制指令及完 成整个倾摆控制系统的原理。主控计算机位于首尾动车驾驶室内，根据检测 子系统( d s p 2 ) 提供的信息，按照一定的控制算法计算出列车倾摆指令，并 通过列车通信网络下发给各车辆的倾摆控制计算机，并对各车辆倾摆