列车轴控防滑制动系统试验平台设计

姚恩涛， 赵文文， 游有鹏， 赵 杰

（1.南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 210016； 2.南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016）

列车轴控防滑制动系统试验平台设计

姚恩涛1， 赵文文1， 游有鹏2， 赵 杰2

（1.南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 210016； 2.南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016）

介绍了基于压电阀的列车轴控防滑制动系统的组成及其试验平台。研究了硅压阻式压力传感器的温度补偿技术，以满足室外长期稳定工作的需求。选择了基于霍尔效应的速度传感器并研究了传感器性能测试方法，提出了多特征参数的指纹识别方法，并应用于速度传感器的故障在线诊断。以压电阀为新型气压控制部件并实验验证了压电阀较宽的工作环境温度范围；调速系统使试验平台可以在实验室环境中模拟列车运行状态，实现了列车常用制动、紧急制动、防滑保护、故障诊断等试验功能。

计量学；轴控制动；压力传感器；速度传感器；压电阀；试验平台

1 引 言

列车制动技术是保障列车安全运行的关键技术。减小列车的制动冲动，缩短制动距离，充分利用动力制动与空气制动构成复合制动系统，提高制动系统可靠性和安全性，实现制动系统的故障检测、诊断与报警等功能，已成为现代高速列车制动系统的发展方向。轴控式制动系统中，每根车轴均设置了各自的制动控制单元，可以独立地接受和解析指令，使得制动力的控制更加精细化、合理化，提高制动指令响应速度，减少空走时间。

2 列车轴控防滑制动系统的组成

本系统采用模块化、分层结构设计，主要由供风系统、微机制动控制单元（Micro Brack Control Unit，MBCU）、气制动控制单元（Pneumatic Brack Control Unit，PBCU）、速度控制系统、智能监控系统等组成。

供风系统向气制动单元提供风源，MBCU是系统控制的核心，每个转向架上均设置了各自的制动控制单元，可以独立地接收和解析来自制动控制硬线的制动指令信号。PBCU由气动阀、压力传感器以及沟通各个气动元件的气路集成块组成，根据制动控制系统要求，由气路集成块内的各个通道将各个气动元件彼此沟通［1］；智能监控系统给制动单元指令信号，控制列车的状态，监控列车的实时状态。

3 试验平台设计

3.1 压力传感器及试验平台

在车辆制动控制过程中，制动控制系统为了能够正确地判断系统的工作状态，以及准确地控制制动力，必须要及时获知车辆的空气弹簧压力值和PBCU内部气路中关键点处的实际压力值。

系统使用硅压阻式压力传感器，压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应制成，但压阻式压力传感器性能易受温度变化的影响，压阻效应的大温度系数及传统方法制作电阻失配较大，使得传感器往往具有大的灵敏度温漂、零点输出及零点温漂［2］。系统所用带有温度补偿的压力传感器的应用电路如图1所示［3］。

图1 压力传感器调理电路

为了提高调理电路的线性度和实现理想的温度补偿，选用恒流源供电［4］，由A1和稳压管等组成。设稳压管的工作电压为Ur，则提供给电桥的恒定电流的大小为：

式中：r为压力传感器的增益设置电阻，U1、U2为压力传感器的输出。电路具有放大倍数调节方便、输入电阻大、共模抑制比高和输出电压漂移小的特点。选用的硅压阻式压力传感器通过激光修正的电阻实现了0～50℃的温度补偿，激光修正的增益调节电阻对压阻传感器压阻系数的温度特性进行补偿，调节差动放大器的增益来校正传感器的压力灵敏度变化［4］。

系统对压力传感器的测试主要是指温度输出特

A2、A3和A4组成三运放差分放大电路，设R6＝R7＝R8＝R9＝R10＝R11，则压力传感器调理电路输出为：性即压力传感器在不同的温度条件下对传感器输出的影响，主要是指零点温漂和灵敏度温漂［5］。压力传感器测量系统主要由压力源、被测试压力传感器、测量电路3部分组成，它们的关系如图2所示，传感器的输出幅值为1～5 V。测试点从室温20～50℃的温度范围内取7个温度点：20、25、30、35、40、45、50，℃。每个温度点下都停留约30min之后对压力传感器进行测试，因此可以认为压力传感器的环境温度一致，其测量值可以反应当前传感器下的温度漂移情况。

图2 压力传感器温漂测试系统

经过对压力传感器的温度输出特性的试验，根据传感器温漂计算方法，以20℃为参考点。测得的结果如表1所示。可见，压力传感器的零点和灵敏度的温度漂移较小，在列车制动的允许范围内。

表1 压力传感器温度漂移测试结果

3.2 速度传感器及试验平台

速度传感器是列车防滑、正常制动的关键部件，测速装置在机车控制系统中占有非常重要的地位，是否能准确地检测车轮速度和减速度，将直接关系到MBCU能否对滑行进行正确地判定，从而进行可靠地制动。本系统采用基于动态差分霍尔效应的齿轮速度传感器，是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器［6］。传感器输出信号的频率和齿轮转速的关系为［7］：

列车的运行速度：

式中：z为齿轮齿数；n为齿轮转速，r／min；r为车轮的半径。

甄别传感器故障的最基本的方法就是人工定期校准的方法，但人工定期校准不但浪费人力、物力，而且在绝大多数情况下根本无法进行［8］。本文针对列车转速传感器的故障诊断现状，结合国内外先进的诊断方法，在轴控列车制动系统中运用“指纹识别技术”对速度传感器进行故障检测。列车速度传感器在故障检测模式下所输出的波形即为具有多个特征参数的“指纹”，通过对“指纹”的识别判断其处于的故障状态即“指纹识别技术”，是用于传感器的隐性故障的主动识别。

给列车速度传感器不同的电源信号，其输出的信号值作为故障识别的特征信号。通过对所输出的信号进行特征参数值域判别，即可判别指纹是否合格，从而诊断传感器的故障模式。速度传感器有两种检测模式：转动检测模式和自检模式。对应有3种故障模式：转检高电平故障，转检低电平故障，自检故障，其输出是电压信号。对传感器的输出进行采集，应用指纹分析判断故障模式。

当传感器处于转动故障检测模式下，输入电源电压VCC为速度传感器的电源电压为直流＋15 V，利用采集卡采集指纹得到图3所示的结果。在低速运行或列车停止时给速度传感器输入电源激励频率为14 Hz、幅值为15 V的方波，智能监控系统对传感器进行在线故障诊断，通过采集得到的指纹如图4所示的结果。

图3 转检故障特征与正常传感器特征对比

图4 自检故障特征与正常特征对比

根据图3和图4可知：

（a）转检情况下，正常传感器的输出高电平值为（VCC－1.5）±5%，低电平值为0.6～0.8 V即为合格。而当输出的高电平值不在14.175～12.285 V，输出不合格，即传转速感器出现高电平故障或低电平的值不在0.6～0.8 V之间，转速传感器出现低电平故障。

（b）自检情况下，正常传感器无故障输出的信号上升沿和下跳沿都有一个下尖峰，如果这个下尖峰值和高电平的差值大于8 V，自检才能通过，否则自检不合格。故障时的输出的波形高电平为12.31V，下尖峰值为4.634 V，差值为7.367 V，指纹识别为故障。

由上分析可知，利用传感器的指纹识别技术检测速度传感器的性能好坏，及时找出存在故障隐患的传感器，可以有效提高制动系统的可靠性。

3.3 压电阀及试验平台

压电比例阀是气制动单元的核心，制动控制系统通过压电主控单元实现电-气命令的转换，以及气流量的放大。选择压电阀作为电气转换单元，相比于电磁阀反应更灵敏，能够避免电磁干扰的影响，极大地提高了系统的性能，从而保证了控制系统的可靠性。按照MBCU制动命令要求，在常用制动模式下，压电比例阀输出可调的制动压力；在紧急模式下，压电比例阀以其高速响应能力［9］，在最短的时间内，向基础制动单元输出所需的最大制动压力；在车辆出现滑行状态时，压电比例阀也能够对制动压力做出快速地调整，使车辆粘着得到及时恢复。

由于列车制动系统工作在室外环境下，环境温度变化较大，而压电阀又为制动系统的控制核心，外界环境温度是否会对压电晶片的性能产生影响使其失效，所以有必要对其进行环境温度试验。

本文把压电比例阀放入环境试验箱中控制模拟环境温度，空压泵提供给压电阀气源，经过滤、稳压处理后接入进气口，出气口接制动缸，通过数据采集卡采集压电比例阀的输出，如图5所示。控制温度分别在－50℃、－40℃、－30℃、－20℃、10℃、0℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃。当达到预定温度时停留30 min时以保证压力阀内部与外界温度一致再进行实验。输入2 V的阶跃信号，观察压电比例阀的阶跃响应，试验结果如图6所示。

图5 压电阀的环境温度试验装置系统

经过温度实验测试可以发现，低温或高温，压电阀的时间常数，以及进入控制误差范围的响应时间略有增加，但是仍然可以满足控制系统的要求，验证了压电比例阀具有较宽的工作环境温度范围。

图6 压电阀在不同环境温度下的响应曲线

3.4 模拟速度试验平台

由于受实验条件所限，不能将制动系统进行装车测试，需要模拟一个列车运行的虚拟环境，实时地将列车运行时的各个参数发送给制动系统，令其根据具体车况及操作指令进行相应的操作。本模块负责模拟列车运行的速度环境，采用西门子变频器基于RS485接口的USS协议驱动电机齿轮，模拟实际车轮转动［10］，采用速度传感器测速，MBCU单元采集并进行速度判断，如图7示。

图7 模拟速度试验平台结构图

图8 制动曲线

在实际测试过程中，模拟了如图8所示这样一条在紧急制动情况下的车轮速度作为测试依据的制动曲线，测试实际速度是否和该曲线一致。根据列车在线运行的情况，当加速度a大于1.2 m／s2时出现滑动，需要降低制动力；0.8～1.2 m／s2为正常紧急制动区间，需要维持制动力；小于0.8 m／s2则制动力过小，需要增加制动力，防止车辆出现滑行。

4 总 结

整个系统可以完成的基本功能：常用制动控制、电空联合制动控制、紧急制动控制、防滑保护等。选择高性能的压电阀，对压力传感器温度漂移测试，对速度传感器提出基于多特征参数的“指纹识别”技术的故障诊断方法等，都可以有效地避免灾难性事故的发生，提高设备利用率，使设备由被动维修向预知性维修发展，证明了设计的轴控系统的高可靠性。

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Design on Experimental Platform of the Brake and
Anti-skid Braking System for Metro Based on Single Axle Control

YAO En-tao1， ZHAOWen-wen1， YOU You-peng2， ZHAO Jie2
（1.College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics＆Astronautics，Nanjing，Jiangsu 210016，China；
2.CMEE，Nanjing University of Aeronautics＆Astronautics，Nanjing，Jiangsu 210016，China）

The anti-skid braking system components based on the piezoelectric valve and train axle control is introduced，and the testing platform of the anti-skid braking system is designed.The temperature compensation of the silicon piezoresistive pressure sensor are researched，in order tomeet the needs of stable long-term of outdoor.The velocity sensor based on Hall effect is chosen tomeasure the speed of the train.Themethod of characteristic parameters of the fingerprint identification is put forward，and applied to speed sensor of the online fault diagnosis.The piezoelectric valve is also used as the new pneumatic control components and wide ambient temperature applicability of the piezoelectric valve is verified.The speed control system of the gearmade it possible for the simulation testing platform to simulate the status of a train.It can simulate train braking，emergency braking，anti-slip protection，fault diagnostics and other functions.

Metrology；Brake system based on axle control；Pressure sensor；Velocity sensor；Piezoelectric valve；Test platform

TB93

A

1000-1158（2014）05-0474-05

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．05．14

2012-07-24；

2012-11-23

江苏省科技支撑计划资助项目（BE2010191）

姚恩涛（1965－），男，浙江鄞县人，南京航空航天大学教授，主要研究方向为计算机测控和传感器技术。entaoyao＠nuaa.edu.cn