（电力电子与电力传动专业论文）250kmh电动车组微机控制直通电空制动系统.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fn a t i o n a le c o n o m ya n da c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o n ，m o r ea n d m o r ee n v i r o n m e n t p r o t e c t e dv e h i c l e ss u c ha sc i t yr a i lv e h i c l e s s u b w a y sa n de m uv e h i c l e sa n d h i g h e rv e h i c l es p e e dp u tf o r w a r dm o r es t r i c tr e q u i r e m e n tt ob r a k i n gs y s t e m ，w h i c hi so n eo f t h e m o s tc r i t i c a ld e v i c eo fv e h i c l e s s ot h et r a d i t i o n a la i rb r a k i n gs y s t e mn a n tm e e tn e e da n ym o r e a l lo fh i g h s p e e dv e h i c l e sh a v ea s s o c i a t e db r a k i n gs y s t e m ，m a i n l ya p p f i e sa i rb r a k e ，c o o p e r a t e d w i t hp o w e rb r a k e ，e d d yc u r r e n tb r a k e ，e l e c t r i cm a g n e tw h e e lb r a k e ，e t c t h i sp a p e rg i v e sd e t a i l e d e x p a t i a t i o na n da n a l y s i so fm i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l e de l e c t r i c p n e u m a t i cb r a k i n gs y s t e mb a s e do n 2 5 0 k m he m i i t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m eo ft h ee m uv e h i c l e si nc h i n aa n dm i c r o c o m p u t e r c o n t r o l l e db r a k es y s t e m t h i sp a p e ra l s om a k e ss i m u l a t i o na n dr e s e a r c hf o rp r o c e s s i o no fd y n a m i c a n dp u r ep n e u m a t i cu n i t e db r a k ea c t u a l ，c a l c u l a t ea c t u a lm e a nd e c e l e r a t i o na n db r a k ed i s t a n c e t h i sp a p e ra m p l yd e s c r i b e st h es t r u c t u r eo fb r a k i n gs y s t e mi ns e v e r a lc h a p t e r s ，i ta l s o g i v e sp a r t i c u l a rd e s i g na n dc o n t r o lm e t h o do f t h ec r i t i c a le l e c t r i c a lc o n t r o lc o m p o n e n t s ，s u c ha s e l e c t r o p n e u m a t i cu n i t ，l o g i c a lc o n t r o lu n i t ，s i g n a lo c c u r r i n gd e v i c e ，a n dm i c r o c o m p u t e rb r a k e c o n t r o lu n i t ，e t c b e s i d e s ，t h i sp a p e rc o n c i s e l yn a r r a t e st h ep n e u m a t i cb r a k ec o n t r o lu n i ta n db a s i c b r a k eu n i t a tt h el a s to ft h i sp a p e li ts h o w su sr e s e a r c ha n da n a l y s i so r ls i g n a lo c c u r r i n gd e v i c e e x p e r i m e n t s ，e l e c t r o p n e u m a t i cu n i te x p e r i m e n t sa n ds i g n a lo c c u r r i n gd e v i c ea n de pu n i t e d e x p e r i m e n t s ，w h o s ed a t am a k e as o f i db a s ef o rf u n c t i o no ft h i sw h o l eb r a k es y s t e m k e y w o r d s e m u ，b r a k es y s t e m m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l ，e l e c t r o p n e u m a t i cc o n v e m ，l o g i cc o n t r o l t i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南火学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：二龇： 日期：塑堑：鲥 i 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中同科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 期：惆嗄垆j烂 牛 东南大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着我国同民经济持续快速发展、城市化进程的加快，城市规模迅速扩大，大城市城区 及与卫星城市之问的交通拥挤、车流不畅的矛盾日益突出，在我国6 6 6 个城市一扣( 其中大城 市有9 7 个，g d p 在5 0 0 亿、年财政收入在8 0 1 0 0 亿元、人口在3 0 0 万以上的特大城市 有2 0 多座) ，拥有大量公共交通工具，但交通拥挤、阻旅状况十分突出，尤其是大城市更为 严重。用传统的公共交通方式已无法解决问题，严重制约城市经济发展并加重城市污染。动 车组是城际和市郊铁路实现小编组、大密度的高效运输工具，以其编组灵活、方便、快捷、 安全，可靠、舒适为特点备受世界各国铁路运输和城市轨道交通运输的青睐。为此，国家将 大运量、低污染、快速、安全、准时的电动车组高速列车作为解决城市交通的主要手段是非 常必要的。 现代化高速列车各项技术要求很高。国外高速列车产品价格极其昂贵，尤其关键产品垄 断销售、技术封锁，影响了国内城市轨道交通大规模发展。所以耍生产国产的现代化城市轨 道交通车辆，必须加强技术研究，当务之急要突破重点关键技术并使之国产化，城轨车辆制 动技术是其中之一。由于高速列车运行密度大、制动频繁，要求响应快，停车时问、地点要 求准确，操纵要求方便可靠，能接受a t c 控制或实现a t o ( 自动驾驶) 。传统的空气制动机 因其控制精度低、制动时车辆问纵向冲动大等原因，已很雉满足制动要求了，而简单的电磁 空气型式的电空制动机也闻其空气制动与动力制动的配合性差而被逐渐弃用。目前工业发达 国家在新型城轨车辆上无不采用微机控制的模拟式直通电空制动系统。 我国目前及未来城市地铁、轻轨车辆等高速列车的制造水平必须提高，要向发达国家看 齐，要有较高的技术含量。目前国外先进国家高速列车车辆制造1 = 艺先进，产品档次高，相 比之下我们还存在一定的芳距。随着交通技术的发展和高新技术的运用，城市轨道车辆的投 资越来越大，因此降低城市轨道交通车辆造价是顺利发展城市轨道交通的关键之一。开发自 主知识产权城市轨道交通车辆，包括相应的配套系统可以降低城市轨道车辆的综合造价，可 以避免完全进口和采用外资带来的负面影响。而开发自主知识产权的轨道交通车辆可以充分 发挥国内企业的综合优势，带动国内棚关产业发艘，增加职工就业机会，节省外汇支出。因 此研究电动车组的制动系统对于大力发展我国体路科技实力，甚至提高国民经济水平都起到 了至关重要的作用。 1 2 国内微机控制直通电空制动系统现状 1 2 1 北京地铁 北京地铁是我国最早修建地铁的城市。早期北京地铁车辆制动系统采用的是同期大铁路 旅客列车制动机，即在l 型空气制动机的基础上增加空重车调整装置。但由于该制动机原 是为干线车辆设计，且限于当时的技术水平，通用性较差。 不久，北京地铁车辆即开始采用s d 型制动系统。该系统技术来自日本，基本能满足当 时水平的地铁车辆对制动系统的要求。运用中的一个主要问题是国产化后对系统中的关键部 件之一一控导阀始终存在技术上的问题。 九十年代初，北京地铁引进w e s t i n g h o u s e 的模拟式制动系统技术，在新造车和老车厂修 时均安装该制动系统，目前为北京地铁的主型制动系统之一。该制动系统为电子控制的直通 电空制动系统，较好地解决了动力制动与空气制动的匹配、空重车调整等问题。其存在的问 题是系统的适应型较差；电空转换技术落后。 从复八线开始，北京地铁车辆整体采用引进技术，制动系统丈都采用同本n a b c o 公司 的数字式微机制动控制系统。该系统在日本旧内运用时，还附有备用制动控制系统。但引入 北京时由于价格原因和国内对制动故障引起救援的重视程度较弱，所以取消了备用制动控制 第一章绪论 系统。目前该制动控制系统己成为北京、天津等北方广大地区b 型车的主型制动系统。 1 2 2 上海地铁 上海地铁一、二号线是直接从国外引进的，采用的是k n o t t 公司的微机控制模拟式直通 电空制动系统。一号线和二号线制动系统的差别在于系统的集成度有所差别。 三号线和五号线采用的是w e s t i n g h o u s e 的微机控制模拟式直通电空制动系统( 由于 w e s t i n g h o u s e 公司被k n o t t 公司收购，所以目前该制动系统也归入k n o t t 公司的产品目录) 。 该系统在原理上与一、二号线的制动系统相同，但由于由不同的公司设计和生产，其零部件 的原理有一定的区别。三号线与五号线制动系统在基础制动上差别较大。三号线采用踏面制 动，五号线采用盘型制动。 1 2 3 其他地区的地铁 广州地铁一号线制动系统与上海地铁二号线的制动系统相同，二号线在一号线基础上增 加了与列车网络的联系。 深圳、南京的地铁均采用k n o t t 公司的微机控制模拟式直通电空制动系统。 1 2 4 制动系统现状小结 制动系统是城市轨道交通车辆的关键技术之一，制动系统性能的好坏直接影响着轨道交 通的运行安全和运行质量，随着科技进步，轨道交通制动系统经历了纯空气制动、空气制动 为主电制动为辅、电制动为主空气制动为辅三个发展历程，制动控制技术也经历了气动控制、 电气控制，直到今天的计算机网络控制。 欧美、日本等发达固家城市轨道交通车辆均采用微机控制的电空制动，微机网络控制的 电空制动系统其有以下特点： 反馈式控制，制动、缓解灵敏度高，稳定性豪，可实现多级控制。 制动缸增压、减压速度快，滞后时间短 空走时问短，冲击小。制动距离短。 电制动与空气制动转换平稳，转换过程中制动力大小不变。 能根据冲击限制和车辆载荷变化自动调整制动力。 具有防滑控制功能。 具有自检和故障显示功能。 具有智能化故障处理和故障对策提示功能，保证列车运行安全。 能对制动力和停车位置精确控制，适用于列车自动驾驶。 以再生制动为主，节约能源，有利环保。 我国城市轨道交通运输还很不发达，高速列车制动系统也拥对落后。但近几年来，随着 我国铁路运输事业的发展，“先锋号”、“中华之星”等高速电动车组的研制和试验运行，制 动系统也取得了巨大进步，实现了跨越式发展。“先锋号”高速电动车组的制动系统就是仿 日本和克诺尔( 德国) 的制动系统设计的，就控制技术而言，集两者优点于一身，具有国际 先进水平。 1 3 国内电动车组介绍 1 3 i “先锋”号动车组 国内目前最快的新型列车“先锋号”为我国首列时速超过2 0 0 公里的列车。“先锋号”列车 是国家“九五”重点科技攻关项目，它是国内首列动力分散型交流传动电动车组，牵引动力分 2 东南大学硕士学位论文 散在单节车厢，安全性更高，同时也大大节约能源。该列车由两个单元组成。每个单元3 节车厢，其中两节自带动力。另一节为拖车。有关人士介绍，“先锋号”列车采用目前国内数 十项最先进的技术，整体性能已经达到国外同类产品的水平。“先锋号，电动车组设有一等 软座车1 节，二等软座车5 节，全列总定员4 2 4 人，车内还有乘务室、播音室、小卖部、电 话问等设施。 1 3 2 “大白鲨”高速电动车组 株洲电力机车厂研制的中国第一台正式进入高速领域的动力集中式高速动车组，是我国 强大机车家族的又一精心完美之作。动车组司机摩应用人机工程学原理进行设计，所有操作 及显示装置成弧形分布在正司机周围，管道式空调、可调节软椅、电加热玻璃，营造了舒适 安全的驾驶环境。采用流线形头形，车头盖用复合材料制作，前窗玻璃采用双层防爆电热玻 璃，车顶装有气流导流罩，气动阻力系数小于0 3 0 。动车组编组为1 节动车6 节拖车 ( m + t 2 2 + t li + 3 t 1 2 + t c ) ，6 节拖车中有l 节双层二等座车、1 节单层一等座车、3 节单层 二等座车和1 节带司机室的二等座车。持续功率4 0 0 0k w ，最大速度2 0 0 k m h 。 1 3 3 “中华之星”高速电动车组 该电动车组将成为我国京沈快速客运通道的主型列车及未来高速铁路的中短途高速列 车和跨线快速列车。列车最高运营速度可达2 7 0 k m h ，是目前我困商业运行时速最快的电动 车组。2 0 0 2 年1 1 月2 7 日，“中华之星”在秦沈客运专线综合试验中，成功创造了中国铁路 的最高速度3 2 1 5 k m h 。牵引“中华之星”的d d j 2 型是中国具有全部知识产权的动力集中式 高速动力车，首次采用双拱流线头形。整列车由2 节动车和9 节拖车组成。9 节拖车包括： 2 节一等车，6 节二等车和i 节酒吧车，拖车为国内首次采用铝合金制造的宽车体鼓形断面 客车。综合试验表明，“中华之星”在高速运行时，列车平稳性、舒适性、安全性和可靠性良 好。动车组采用先进的交直，交流电力牵引方式，由分别编组在头部和尾部的两个动力车以 前拉、后推的方式推挽运行。该动车组广泛地采用了国内、外的先进技术，列车的整体技术 性能达到国外同类产品的先进水平。 1 3 4 “蓝箭”交流传动高速电动车组 由株洲电力机车厂、株洲电力机车研究所、长春客车厂和广铁集团于2 0 0 0 年- 共同研制 的新一代交流传动高速电动旅客列车组，牵引“蓝箭”的d j j l 型是中闺第一台动力集中式 交流传动高速动力车。该车电倡动系统采用了先进的i p m 水冷机组、1 2 2 5 k w 异步牵引电动 机和分布式微机嘲络控制系统。电路设计采用了模块化结构，允许隔离故障部分维持动车组 运行。控制系统采用两级分层的列车通讯网络，运用可靠性高。基础制动采用轴盘制动装置， 具备a b s 防滑行保护功能。制动机采用d k 一1 b 型，具有空电联合制动功能和列车电空制动 功能，具有与安全装置配合自动常用制动功能。编组形式中基本编组为1 动5 拖l 控制车 ( g + s t + t c ) ，两列连挂编组为2 动1 0 拖( m + 1 0 t + m ) ，基本编组定员为4 2 1 人，连挂编组定 员约8 0 0 人。持续功率4 8 0 0 k w ，最大速度2 2 0 k m h 。 1 4 微机控制直通电空制动系统简介 1 4 1 系统的主要组成部分及其功能 1 4 1 1司机制动控制器 司机制动控制器安装在司机台上，司机转动控制器手柄发出制动指令。 1 4 1 2p w m 脉宽调制器 p w m 脉宽调制器接受来自司机制动控制器或a t p 的制动指令( 0 1 2 v 的电压信号) ，将 其调制成幅度一定、宽度与输入电压成正比的矩形波，以提高信号传输过程中的抗干扰能力。 1 4 1 3逻辑控制单元 逻辑控制单元根据司机或a t p 发出的控制指令和列车的运行工况，产生相应的控制信号 3 第一章绪论 ( 1 1 0 v 开关信号) 。 14 1 4微机制动控制单元m b c u m b c u 根据司机或a t p 发出的控制指令，列车的载荷，列车的运行速度等有关的参数 实施下列控制： 制动力的计算与分配。 粘着控制。 防滑控制。 1 4 1 5气控制单元p b c u p b c u 将m b c u 输出电压或电流信号，经电空转换阀转换成相应的压力信号，再经中 继阀流量放大后，进入制动缸，实施空气制动。 1 4 1 6 基础制动部分 基础制动部分包括制动缸、制动盘、闸片等。 4 东南大学硕士学位论文 第2 章仿真计算m ( 按照4 动2 拖计算) ( 重车) 编组进行计算。 2 1 设计的基本参数 制动初速v h 2 5 0 k m h 轴重q 1 5 t 全列车重q z = ( 4 + 2 ) 4 1 5 3 6 0 t 轮径d9 1 5 m m 单元制动传动效率n 0 8 5 制动缸直径d 0 2 0 3 m 列车空走时问 l s 制动缸最高压力p z 4 5 0 k p 4 拖车每轴制动缸个数g t 3 动车每轴制动缸个数g d2 制动缸复原弹簧力f i s k n 拖车制动盘摩擦半径r t 2 4 7 m m 动车制动盘摩擦半径r d 3 0 5 r a m 拖车制动倍率n t2 1 6 动车制动倍率l l d 2 7 0 动车编组数d d 4 拖车编组树d “2 2 2 计算公式 2 2 1 动车组空气制动力 b m = b m d + b m t( k n ) b m d = ( n d 2 ，口，4 一g 7 ) ，d g dq m 8 以d b 对，d ( k n ) b m r = ( d 2 p 4 ，4 一g ，) n g 。n 由8 ，。，b 。，d ( k n ) 2 2 2 动车组再生制动力 v 1 0 0 k m h 时 2 5 k m h v 1 0 0 k m h 1 5 k m h v 2 5 k m h b 。：3 6 p 易耐，v ( k n ) b 。：3 6 p b d 1 0 0( k n ) b “：3 6 p b a ( v 1 0 3 2 ) l o o ( k n ) ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 5 第二章仿真计算 v 1 5 k n l ，hb 。；o s 。= s 。+ & s 。：v h t 。，3 6 。v 7 h 鼢蕊琢vdvl296 o p 翼+ m 厶 口：丛丝+ 监 2 2 5 列车单位基本阻力w o ( m ) ( m s 2 ) w ：1 2 6 5 + o 0 4 8 6 v + o o o l 2 5y2(nm 2 2 6 粘着系数 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - l o ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 哪= 9 8 ( o 0 4 8 6 + 1 6 2 6 ( v + 1 2 0 ) ) ( m s 2 ) ( 2 - 1 3 ) 2 2 7 摩擦系数 o = a ( 2 v + 1 5 0 ) ( 3 v + 1 5 0 ) a 取0 3 9 2 3 ( 2 0 0 k m h 的参数) ( 2 - 1 4 ) 2 3 直通电空制动计算 直通电空制动由于有再牛制动，因此在制动过程中，制动缸压力足有变化的。在再生制 动作用正常时( 即根据需求制动力的大小，再生制动力发挥最大设计能力，不够部分先由拖 车提供空气制动力，仍不够再由动车一起提供空气制动力) 。 有两种情况需要考虑： 一是所需要的制动力小于再生制动能力( i - 5 级常用制动) ，速度在大于2 5 k m h 时空气 制动力p 1 ( 对应的拖、动车制动缸压力p l l ，p d - 1 ) 基本等于o ：速度小于2 5 k n d h ，随着再生 制动力的下降，空气制动力逐渐上升，此时总的制动力即再生制动与空气制动力之和为一常 量：速度小于1 5 k m h ，再生制动力为0 时，空气制动力达到p 2 ( 对应的拖、动车制动缸压力 p t - 2 ，p d 2 ) 。如图2 一i ( a ) 所示。 二是所需的制动力大于再生制动力( 6 1 0 级常用制动及紧急制动) ，主要区别就是在大 于2 5 k m h 时空气制动力p l 不为0 ，对应的拖、动车制动缸压力p t 1 ，p d j 也不为0 。具体 数值参考 2 0 0 k m h 电动车组制动系统许审材料之1 ，变化如图2 - i ( b ) 所示 空气制动的制动缸压力最大不超过4 8 0 k p a 。非常制动的制动缸压力为4 8 0 k p a 。 6 东南大学硕士学位论文 - r 嚣 瑶 r 需 蘑 1 52 5 速度( 1 a w h ) 1 5 再生制动力所需制动力 2 5 速度0 n 舯 再生矗j r - c j 力( 所需制动力 ( ” 图2 - 1 直通电空常用和紧急制动过程中制动力的变化 拟采用m a t l a b 进行制动计算和减速度曲线的绘制。程序见附录，计算过程如下： 首先确定制动等级，即曲线数( 常用制动l - l o 级，紧急制动，非常制动另外还有一条是枯 着曲线用于参考) 。 常用制动及紧急制动对应的再生制动功率的数值参考2 0 0 k m h 电动车组制动系统技术 设计“j 。对应的动、拖车制动缸压力数值参考t 2 0 0 k m ，h 电动车组制动系统评审材料之1 ， 并结合计算出的平均减速度曲线进行调整。 经过计算，制动初速2 0 0 k m h 时对应各制动级别的计算结果见表2 1 ，列车的减速度曲 线见圈2 2 ；制动处速2 5 0 k m h 时，各制动级别的计算结果见2 2 训算减速度曲线如图2 ，3 所示 2 4 备用制动计算 备用制动为纯空气制动，采用f 8 型制动机”j 。常用制动减压璺为5 0 k p a 一1 7 0 k p a ，对应 的制动缸压力为1 1 0 k p a “0 l 曲。紧急制动的制动缸压力为4 8 0 k p a 。 经过编程计算，2 0 0 k 耐h 和2 5 0 k m h 的制动初速时的减速度曲线分别如图4 、图5 所示。 计算结果分别见表2 3 、表2 4 所示。 表2 1 直通电控制动计算结果( 制动初速2 0 0 k m h ) ( ，) ( 考虑5 裕量，考虑1 0 裕量) 制动再生制p 1 对应动p 1 对戊拖p 2 对应动车p 2 对应拖制动距离( m )实平均减速 级别动功率车制动缸车制动缸制动缸压力车制动缸压度( m s 2 ) ( k w )压力( k p a )压力( k e a )( k p a )力( k p a ) l 1 3 0 6 0 0 1 0 1l o l 1 1 0 d lo 1 4 22 1 2 6001 3 61 3 6 7 9 0 80 2 l 32 9 4 6oo1 7 11 7 i6 1 8 80 2 7 43 7 6 5002 0 52 0 55 0 9 40 3 4 54 5 8 5 o 02 4 02 4 04 3 3 40 d o 64 8 0 00 8 0 2 6 02 6 0 3 9 5 90 4 4 74 8 0 0o2 0 63 0 03 0 0 3 3 2 8 0 5 2 84 8 0 003 2 43 3 93 3 92 9 0 0o ，5 9 94 8 0 07 83 7 9 3 7 93 7 9 2 5 6 60 6 7 1 04 8 0 01 1 84 1 84 1 8 4 1 8 2 3 0 1o ，7 5 紧急 4 8 0 03 3 04 4 84 8 04 8 0 1 6 3 3 ( 1 7 1 4 1 0 4 1 7 9 6 ) 非常 4 8 0 4 8 0 4 8 04 8 0 1 8 8 8 ( 1 9 8 2 0 8 8 2 0 7 6 8 ) 7 第二章仿真计算 表2 2 直通电控制动计算结果( 制动初速2 5 0 k r a h ) 制动级别再生制动p l 对应动p 1 对应拖p 2 对应动p 2 对应拖制动距离实平均 功率( k w )车制动缸车制动缸车制动缸车制动缸( m ) 减速度 压力( i d a )压力( i d a )压力( i d a )压力( i d a )( m s 2 ) 11 3 0 6001 0 11 0 11 6 6 4 70 1 4 22 1 2 600 1 3 61 3 61 2 4 9 40 2 0 32 9 4 6001 7 11 7 l1 0 0 7 0o 2 6 43 7 6 50o2 0 52 0 58 4 6 2o 3 2 54 5 8 5o 0 2 4 02 4 07 3 0 70 3 8 64 8 0 0o8 02 6 02 6 06 6 6 9 0 4 2 74 8 0 002 0 63 0 03 0 05 5 3 9 o 5 0 8 4 8 0 0 0 3 2 43 3 93 3 94 7 8 50 5 7 94 8 0 07 83 7 93 7 93 7 94 2 0 60 6 4 1 04 8 0 01 1 84 1 84 1 84 1 83 7 5 00 7 2 紧急 4 8 0 03 3 04 4 84 8 04 8 0 2 6 1 9 ( 2 7 4 9 2 8 8 1 ) l0 l 非常 4 8 04 8 04 8 04 8 0 2 8 9 5 ( 3 0 4 0 3 1 8 5 )0 8 7 g 东南大学硕士学位论文 图2 - 22 5 0 k m h 制动初速时直通电空制动减速度曲线 9 第二章仿真计算 表2 32 0 0 k m h 备用制动计算结果 制动级别动4 制动缸压力 拖车制动缸压力 实制动距离 甲均减速度 ( k p a ) ( k p a )( m )( m s 2 ) l1 2 41 2 48 1 3 60 1 9 21 5 7 1 5 7 6 1 7 80 2 5 31 9 0 1 9 04 9 8 8 0 3 2 42 2 62 2 64 1 2 80 3 9 52 6 02 6 0 3 5 5 3 o 4 5 62 9 32 9 33 1 3 20 5 2 7 3 2 93 2 92 7 7 5 o 5 9 8 3 6 33 6 32 5 0 7 0 6 5 93 9 63 9 62 2 9 40 7 1 1 04 3 24 3 22 1 0 00 7 8 紧急非常 4 8 04 8 01 8 8 80 8 8 表2 42 5 0 k m h 备用制动计算结果 制动级别 动车制动缸压力拖车制动缸压力实制动距离 平均减速度 ( k p a )( k e a )抽)( m s 2 ) l1 2 41 2 41 1 8 0 50 2 0 21 5 7 1 5 79 1 2 40 2 6 31 9 0 1 9 07 4 4 9 0 3 2 42 2 62 2 66 2 1 40 ，3 9 52 6 02 6 05 3 7 70 4 5 62 9 32 9 34 7 5 80 5 2 73 2 9 3 2 9d 2 2 90 5 9 8 3 6 3 3 6 33 8 2 90 6 5 93 9 63 9 6 3 5 0 8 0 7 2 1 04 3 24 3 23 2 1 50 7 8 紧急非常 4 8 04 8 02 8 9 50 8 8 东南大学硕士学位论文 图2 32 5 0 k m l a 备用制动减速度曲线 第二章仿真计算 2 。5 制动计算小结 计算机仿真计算由于可以在计算机上反复修改演算，所以具有投资成本低，风险小，可 修改和移植性高等优点。本章以“2 5 0 k m h ”电动车组制动系统为基础，进行了电空制动和 备用制动的仿真计算，对于高速列车的制动系统研制具有一定的指导意义。由于客观条件限 制和时间仓促的缘故，本制动计算朱能全面地进行基础制动以及微机控制制动过程的全由i 仿 真。另外动力制动以及备用制动计算的参数选取主要也是借鉴了上海铁道大学和同济大学教 授在“先锋”号电动车组制动计算时所采用的参数进行了曲线的拟和，在现场应用方面还有 很大的不足。本章采用m a t l a b 进行程序的编写和曲线的拟和，开发时间短，可读性和可 修改性较强。 东南大学硕上学位论文 第3 章制动信号发生与传输部分 制动系统信号装置的功能是将司机给出的制动信号或a t p 给出的制动信号准确、快速、 可靠地传递到各车辆的微机制动控制单元( m b c u ) 及列车计算机网络，其系统构成框i 警j 见 图3 - 1 。 图3 - 1 电空制动信号装置构成框图 3 。1 制动信号 2 5 0 k m h 电动车组制动系统采用电气信号传送制动指令，要传送的指令包括：常用制动、 紧急制动、非常制动、强迫缓解、停放制动，以及空电切换的信号，其中非常制动信号用一 根常时带电的往返贯通引线传送，其地线单独用一根：4 根强迫缓解和停放制动信号各用一 根常时非带电的贯通线传送，而空电切换信号用一根常时带电的贯通线传送。它们采用公共 地线。常用制动、紧急制动、运行状态和手把取出状态的电气信号是从头车或尾车的制动控 制器产生，其形式可分为模拟式和数字式两大类，传送方式分为模拟式、数字式和计算机网 络三大类1 4 1 。 司机制动控制器产生的数字式的制动信号可直接传送给各车j | i i 的微机制动控制单元 ( m b c u ) 实现制动控制，如日本的j r 四围1 2 l 系列电车的制动控制器1 4 1 发出的就是数字 式制动信号，用叫根指令线，分别控制四个电磁阀，实现制动控制。当然也可用模拟方式和 计算机网传送制动设定器产生的数字式制动信号。 制动控制器产生的模拟制动信号既可以用数字式传送，也可以用模拟式传送，还可以用 计算机网传送。无论数字式还是计算机网传送模拟制动信号都要先进行模数转换，计算机网 传送直接把转换的数扣，送给各车厢的m b c u ；数字式传送还要用几位二进制数对转换的数 据编码，每位二进制数都要用一根导线倡送，导线上可用1 1 0 v d c 表示数宁l ，0 v d c 表示 数字0 ，每根导线控制十兀应的制动电磁阀，从向实现制动控制。目前可以不用传送导线直接 控制制动电磁阀，而把它们传送的二进制数通过一定的转换直接传送给由微处理器构成的 m b c u 实现制动控制。 模拟式传送就是用模拟量传送制动信号，常用的模拟量有直流电压、频率、脉宽等，有 的还用模拟电流和交流位相。频率传送就是通过调频器把制动指令信号转变成频率信号，不 同的频率对应不列制动等级，然后用一对舣绞屏蔽线把频率信号送到各节车厢的接收器，接 受器把频率信号再转换成制动等级送给m b c u ：脉宽传送通过脉宽调制器把制动等级转换 成频率不变而脉宽发，l 三改变的信号，不同的脉宽代表不同的制动等级，然后用一对双绞屏蔽 线把该信号传送到各级车厢的接受器，接受器把脉宽转变成以下三种物理量：电流、电压和 光；光一般用在脉冲( 如脉宽信号、频率信号) 信号和数字信号的传送上；电流和电压可用 在各种信号的传送上。 第三章制动信号发生与传输部分 常用制动指令的电气传送常用模拟式和数字式两种形式，数字式制动指令传送可进一步 分成三种：纯二进制、交替二进制和一把线。7 级常用制动这三种方式的含义见表3 1 、3 2 和3 3 。 表3 1 纯二进制指令表 1234567e b 10000 20o00 30000 e b0 00 o0 oo j 表3 2 交替二进制指令表 l 1234567e b i1 000o 2 0 。0 oo 3 00 00 e bo0 00 00 o 表3 3 一把线指令表 1234567e b l000o000 2 000000 3 00o00 40 0 00 500o 600 7 o e b00 0o0 o 0 表3 t 是纯二进制数，表3 2 是交替二迸制数，表3 3 是一把线。表3 1 中制动级别发生 改变时中问有一个过度区，且传送线断一根，对制动级别影响较大。表3 2 制动级别发生改 变时中问无过度区，但传送线断一根，对制动级别影响较大。表3 3 是把线，其制动级别 发生时无过度区，且发生断线时对制动级别影响不大，仪影响一级。用数字信号传送制动级 别不连续，难以与自动钙驶设备配套。早期使用这种方法较多是因为可用他直接控制对血的 电磁阀，由于有使用经验工作可靠，日本国内新干线现在仍用此种形式”j 。 模拟式制动指令传送常用的有四种：直流电压、模拟电压交流相位控制、p w m 以及直 流电流值等，日本生产成套用p w m 方式的制动系统出口国外”l 。 本系统2 5 0 k m h 电动车组制动指令使用p w m 传送方式【6 1 ，通过一对屏蔽双绞线以 6 0 v d c 电压物理量传送信号，调制信号频率4 0 0 l - i z 占空比2 0 - 8 0 。解调器把模拟制动信 号分成常用制动、紧急制动、运行状态和手把取出状态四种信号，不同的状态对应不同的占 空比。其含义见表3 4 。 表3 4 p w m 信号对照表 o i 常用制动区l 手把取出位i 紧急制动 q2 0 2 5 l 2 5 7 0 7 0 7 5 i7 5 8 0 e b01 表3 4 中制动级别实际b l 两个信号同时传送，即e b 和q 。e b 是单独一根线，q 则是 p w m 信号的占空比。当( ( e b = 0 v ) ( 2 0 q 2 5 ) 时，是运转位：当( ( e b = i l o v ) & ( 2 5 q 7 0 ) 时，是运转位；当( ( e b l i o v ) & ( 7 0 q 7 5 ) ) 时，是手把取出位；当( ( e b = l l o v ) & ( 7 5 3 0 0 u s 的一个信号， 这几乎是不可能的。所以这个电平转换电路既可靠的实现了一个电平转换并滤除了几乎所有 可能的干扰信号。并且实现了电路前后两侧的隔离。 图4 1 电平转换电路降压电路图 4 5 信号调理电路 这部分的电路用于实现逻辑信号的联锁功能，共1 5 个输入量( 进c p l d l 3 个输入量) ， 9 个输出量。 东南大学硕士学位论文 图4 - 2 信号调理电路i o 示意图 4 5 1 方案选择 这部分电路可以采用p l c 实现，也可采用c p l d 实现，p l c 的优点足工业现场使用广 泛，可靠性高，并且便于维护和修改。c p l d 的优点在于体秘小，成本低。可靠性较高。综 合考虑，本系统决定采用c p l d 来实现。使用芯片是a l t c r a 公司的e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 1 5 ，该 芯片属于m a x 7 0 0 0 s 系列，它采用c m o s 工艺，并以第二代矩阵结构为基础，实际上也是一种 基于e 2 p r o m 的器件，其中5 根用于i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e ) 下载，可方便地对其进 行在系统编程。此器件内集成了6 0 0 0 门，其中典型可用fj 为2 5 0 0 个，有1 2 8 个逻辑单元， 8 4 个i o ，其中6 0 个可用i o 口，可单独配置为输入、输出及双向工作方式，2 个全局时 钟及一个全局使能端和一个全局清除端。e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 1 5 支持多电压工作，其传输延时 为7 5 n s ，最高工作频率商达1 2 5 m h z ，并支持多种编群方式。这些资源足够能满足整列车的 逻辑联锁需求。用计算机和a l t e r a 专用编程电缆配置。编译生成的配置文件经计算机并行通 信口接到a r e m 专用编程电缆上，再接到器件的j t a g 编程接口，利用软件提供的编程软件 即可配置器件。 4 5 2 软件设计9 1 1 1 0 】f i l l 1 刁 使用软件q u a r t u si i 进行c p l d 的编狸设计，并进行仿真和实验板调试。其中值得注意 的足对于强迫缓解信号在h 现非常制功状态信号后9 0 秒中被屏蔽，也就是说必须在非常 制动状态出现9 0 秒后强迫缓解信号才有效。而对于紧急制动信号，出现失电的紧急制动信 号输入后，输出的紧急制动信号将保持到紧急制动信号结束后1 5 秒结束。其余的信号联锁 根据实际情况进行逻辑运算。图4 - 3 是由q u a n u si i 编写的c p l d 框架图 第四章逻辑控制单元l c u 礁筮纩c 塑璧要豳 燃礓豳 罂錾嚣就7 - 2 2 匿藿篓r 缴j 雹重罾饿= 毽霍雪能= 一 避塞璧r 二= j ? 鬯篓一谨雾豳 j ! ：- 谨鍪爱 图垂3 c p l d 框架图 下面给出由v h d l 语言写的一段关于9 0 s 延时的部分源代码。 l i b r a r yi e e e ； u s ei e e e s t dl o g i c 。1 1 6 4 a l l ； u s e1 e e e s t d l o g i ca r i t h a l l ； u s ei e e e s t d _ l o g i cu n s i g n e d a l l ； e n t i t yd e l a y 9 0i s p o r t ( c l k i n s i g _ i n t e s t _ o u t ) ； e n dd e l a y 9 0 ； ：i n s t d j o g i c ； ：i n s t d _ l o g i c ： o u t s t d j o g i e a r c h i t e c t u r eb e h a v eo f d e l a y 9 0i s s i g n a ls i g _ t c m p l ：s t d _ l o g i c ； s i g n a ls i g _ t e m p 2 ：s t d _ j o g i e ； c o n s t a n tm a x _ c n t ：i n t e g e r ：= 1 2 0 0 0 0 , s i g n a lc l k _ c n t ：i n t e g e rr a n g em a x _ c n td o w n t oo ： ，2 4 m h z s i g n a li n p u t 东南大学硕士学位论文 s i g n a lc l kt c m p ：s t d _ l o g i c ； c o n s t a n tm a x _ c m9 0 ：i n t e g e r ：29 0 0 0 ； s i g n a lc l kt e m p _ c n t ：i n t e g e rr a n g em a x _ c n t _ 9 0d o w n t oo ： b e g i n p r o c e s s ( c l k i n ) b c g i n f f r i s i n g _ e d g e ( c l k i n ) t h e n i f c l k _ c n t2m a xc n tt h e n c l kc n t = 1 ； e l s e c l k _ c n t = c l kc n t + l ； e n d i f ： e n d i f ： e n dp r o c e s s ； p r o c e s s ( c l k i n , c l k _ c n t ) b e g i n i f r i s i n g _ e d g e ( c l k i n ) t h e n i f c l k c n t = m a xc n tt h e n c l k j e m p 。n o tc l k _ _ t e m p ；e l k _ t e m pp e r i o d