关于地铁列车电空制动系统控制单元的研制和设计研究

陈云　饶宏滨

摘 要 地铁列车电空制动系统控制单元是地铁车辆制动性能的主要影响因素。PID技术、模糊技术和Bang-Bang技术等技术在地铁列车电空制动系统控制单元中的应用，可以让电空制动系统经控制单元更好地满足地铁车辆的运行需求。本文对地铁列车电空制动系统控制单元的软件设计、硬件设计，电空制动系统控制单元的控制策略及控制单元的设计效果等内容进行了探究。

关键词 地铁车辆 电空制动系统 控制单元设计

中图分类号：TH873.7 文献标识码：A

0前言

随着社会经济的不断发展，以地铁为代表的城市轨道交通系统成为了城市公共交通系统中的重要组成部分。电空制动技术在地铁列车研发过程中的应用，可以为地铁车辆的安全运行提供保障。所谓电空制动系统是一种以电制动为主、空气制动为辅的联合制动方式。在电制动系统出现故障以后，空气制动系统可以独立完成车辆制动任务。在电制动力不足的情况下，空气制动系统也可以为车辆制动力的提升提供支持。防滑功能与防冲动功能也是电空制动系统的主要功能。电控系统和气制动系统是电空制动系统中的核心要素。地铁列车电空制动系统经控制单元研制工作的开展，也可以为轨道交通技术的优化提供一定的技术支持。

1地铁列车电空制动系统控制单元的软硬件设计

1.1地铁列车电空制动系统硬件结构设计

一般情况下，地铁列车电空制动系统的硬件结构主要包含有以下因素：一是，电源模块；二是，CPU系统；三是，模拟量输入预处理模块；四是，功率驱动模块；五是，CAN驱动模块与调理电路系统。在电空制动系统设计过程中，控制单元CPU系统所使用的单片机系统为Freescale16位高性能单片机。此种单片机具有性能良好、资源丰富的特点。此种单片机为飞思卡尔HCS12系列芯片的重要组成部分，芯片制造标准为军用级标准，故而其在应用于地铁列车制动系统以后，也会表现出抗干扰能力强的特点。硬件系统中的模拟量输入预处理模块可以将制动缸中的压力值转换为电信号，也可以借助采样电阻转化为电压信号。驱动芯片可以将TTL电平开关量信号转变为24VDC驱动信号。它可以让制动系统更好地滿足地铁列车充放气电磁阀与防滑阀的驱动要求。

1.2地铁列车电空制动系统软件结构应用

在软件结构方面，电空制动系统控制单元所使用的控制程序为Cadewarrior程序，其主要模块包含有主程序、中断子程序和模糊PID程序等多种程序。此系统的主程序以每10次中断为一个控制周期，在每一个控制周期内，系统需要读取当前制动缸及预控压力的压力采样值，并要借助模糊PID子程序控制制动缸压力。

2地铁列车电空制动系统控制单元的控制策略

2.1 Bang-Bang控制器的应用

Bang-Bang控制器在输出响应驱动方面具有一定的优势。受这一控制器的控制性能的影响。相关人员在设计控制单元过程中，需要对不同控制方法切换的阈值进行明确。因为地铁列车制动气源压力与电磁阀的充放气特性是确定阈值的重要因素。

2.2自适应模糊PID控制器的应用

控制工程中应用的PID技术具有稳态精度高的特点。PID控制器参数模型的构建，是自适应模糊PID控制器应用于地铁列车电空制动系统控制单元设计的主要因素。与地铁列车制动系统有关的EP转换控制模式为时变系统，在与之相关的数学模型的建构过程中，相关人员不仅需要对气温、大气压及温度等因素进行分析，也需要对再生制动方式在负载因素、电网因素影响下产生的波动与列车负载的不确定性进行分析。Fuzzy-PID控制器在电空制动系统控制单元设计过程中的应用，可以发挥出提升控制效果的作用。现阶段PID控制器主要由模糊推理系统与PID调节器等多种系统构成。它可以根据以下因素确定控制量的大小：（1）压力目标值与实际值之差的比例值；（2）二者之差的积分值与微分值。为实现压力的有效控制，二元连续函数关系可以应用于电空制动系统控制单元之中。此时模糊器的选择误差与误差变化均为输入参数，整个系统需要以容积室压力为输出，充气阀与放气阀之间的PWM输出为系统的实际控制量。在与之相关的数学模型建构完成以后，自整定PID参数控制算法可以分为以下内容：一是，模糊化算法；二是，模糊推理算法；三是，解模糊算法。

3地铁列车电空制动系统控制单元的设计效果

地铁列车全制动试验是检验电空制动系统控制单元设计效果的重要方式。在全制动试验进行规程中，车辆的制动强度需要由0上升至95%，会由全制动状态瞬间归零。检验控制单元设计效果的指标主要包含有以下内容：（1）容积室压力的变化情况；（2）电空置换装置对指令的响应情况；（3）电空制动系统保持制动力的能力。在试验进行过程中，制动系统制动强度由0上升至95%的时间约为1.3s。根据国家相关标准的内容，地铁车辆制动系统强度由0上升至95%的时间需在1.2-1.8s之间，故而此系统符合国家相关标准的要求，除此以外，该系统内在气压稳定以后的波动值约为0.008MPa，也符合国家相关标准的要求。

4结语

模糊自整定算法在地铁列车电空制动系统控制单元设计过程中发挥着重要的作用。它可以在对芯片上的资源进行充分运用的基础上，强化制动系统的控制效果。对模糊自整定算法的作用进行有效发挥，有助于电空制动系统控制单元的实用性的提升。

参考文献

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