有轨电车电子机械制动系统设计

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

制动系统作为轨道交通车辆的核心关键系统之一，是列车安全运营的基本保障。在轨道车辆行业众多制动方式中，机械摩擦制动仍是广泛使用且最为安全的制动方式[1]，空气制动、液压制动系统作为现有的机械摩擦制动系统已发展多年，积累了成熟的技术方案并实现了广泛应用。随着工业控制技术的革新和轨道交通整体性能的不断提高，对制动系统电气化、智能化的要求也不断提高。目前，轨道交通制动系统制动指令已经实现电气化转变，但在将制动指令转换为制动力的实现环节仍然无法摆脱对空气或液压介质的依赖，限制了制动系统的进一步发展。

电子机械制动(electromechanical braking,EMB)技术是一种利用电能直接驱动基础制动中的摩擦副产生摩擦力，从而使得运动减缓或停止的制动技术。该技术不仅使制动系统真正地实现全电气化，具备高集成、快响应、高精度的特点，也为制动系统的智能化控制及智能化维护提供了发展空间，成为新一代制动系统的发展方向，有替代轨道交通车辆空气、液压制动系统的趋势[2-4]。

在轨道交通行业，国内外科研人员针对电子机械制动技术进行了相关研究。德国Raco公司在1979年公布了世界上首例轨道车辆的EMB专利[5]。2002—2007年之间，日本鹿儿岛市的1000型和长崎3000型低地板有轨电车车型采用电子机械制动系统替换原车的液压制动系统进行了相关试验研究[6]。2018年，韩国未来铁路研究中心开始高速列车EMB的研发设计，包括建模仿真验证基于电流闭环的夹紧力控制方法的有效性[7]、完成样机试制并进行了性能测试[8]，通过1∶1制动试验及疲劳特性试验，证明电子机械制动系统可以在高速列车上替代空气、液压制动[9-10]。轨道车辆制动系统的世界主流供应商达卡公司研发了电子机械制动系统，于2019年在波兰Modertrans Poznań有轨电车上进行了批量装车运用[11]。德国克诺尔公司于2019年公布了电子机械制动样机成果[12]。国内方面，相关技术还停留在理论研究和试验样机阶段，同济大学吴萌岭等[13-14]运用电气技术的最新成果设计了适用于轨道车辆的新型电子机械制动系统；西北工业大学林辉等[15-16]借鉴其在无人机领域中全电刹车技术的经验，针对轨道车辆电子制动系统设计了原理样机，并进行了地面试验。

本研究针对轨道车辆电子机械制动系统开展了研发工作，目前已完成基于低地板有轨电车平台的电子机械制动系统设计和样机试制，搭建测试平台验证了电子机械制动系统的功能和性能，为电子机械制动系统在轨道交通领域的应用提供理论基础。

1 基于有轨电车制动系统架构

基于有轨电车的电子机械制动系统构架如图1所示，目标有轨电车车型为两动车一拖车“Mc1-Tp-Mc2”的编组型式。整车系统采用两级架控的系统架构，以一个转向架的制动系统为一个配置单元，独立执行控制逻辑，各转向架间预留系统内网接口，可实现协同工作机制。动车Mc1、Mc2车分别配置一套动车电子机械制动系统，包括安装于车内司机室的一台动车电子制动控制单元、转向架吊挂的一台电机控制器、安装于转向架的两套基础制动装置等部件。拖车Tp车配置一套拖车电子机械制动系统，包括安装于车内顶板的一台拖车电子制动控制单元、分别在转向架下方和侧方吊挂的两台电机控制器、安装于转向架的四套基础制动装置、轴端轴速传感器等部件。整列制动系统配置如表1。

图1 基于有轨电车的电子机械制动系统构架图Fig. 1 Architecture diagram of electromechanical braking system based on tram

表1 整列电子机械制动系统配置Tab. 1 Entire train′s electromechanical braking system configuration 套

2 系统组成及工作原理

由上述整车制动系统架构可知，电子机械制动系统主要包括三大部分，分别为制动控制单元、电机控制器以及基础制动装置，如图2所示。

制动控制单元是制动系统的控制核心，承担制动控制、防滑控制等功能，具体包括接收处理司机室不同类型、级位制动指令，采集及处理车辆载重、速度信号，对接车辆网络完成与车辆各子系统间通信，完成制动力计算并协调多种制动方式进行混合制动，以及完成制动状态监测、诊断、故障处理及数据存储等功能。

图2 电子机械制动系统组成及工作原理图Fig. 2 Composition and working principle diagram of electromechanical braking system

电机控制器由供电模块、控制模块、驱动模块等部分组成。控制模块、驱动模块主要功能是接收制动控制单元发出的制动指令驱动基础制动装置输出目标制动力，并实时反馈自身及基础制动装置的运行、故障状态。供电模块并联在列车低压供电线路上，主要功能是在列车低压供电线路正常时，电机控制器从列车低压供电线路获取电能，此时供电模块仅起到状态监控和自身充电管理、健康状态管理的功能；当列车低压供电异常时(如电压过低或断开)，则由供电模块自身电源模组为电机控制器、基础制动装置供电，使电子机械制动系统在车上电源异常或断开时仍具备以下工作能力：一是在列车停车蓄电池断电后具备施加停车制动功能；二是在列车发生解编等极限工况导致车辆蓄电池断电时，保证电子机械制动仍可施加紧急制动力。

基础制动装置主要由电机、减速机构、闸片、运动转换机构等部件组成。电机接收到电机控制器的驱动信号后旋转，通过运动转换机构将转矩转换成输出轴的推力，推动制动杠杆作用于闸片，使得活动爪侧的闸片先接触制动盘；随着接触力的增大，夹钳钳体沿着安装轴的轴向移动使得另一侧的闸片接触到制动盘，实现夹紧动作，最终达到所需的夹紧力。基础制动装置中设置力反馈元件，能实时反馈夹紧力值，实现夹紧力的精确控制。缓解时电机旋转，通过运动转换机构使输出轴退回。电机中设置霍尔元件，能够实时反馈位置信息，从而确保缓解间隙的准确。

制动系统具体工作原理为：制动控制单元接收到车辆目标制动指令后，考虑黏着、防滑、冲动限制等参数，实时动态计算出车辆目标制动力并转换为各基础制动装置的目标夹紧力，通过制动系统内网络和模拟量分别下发指令给本车各个电机控制器；各电机控制器接收到制动力指令后，通过驱动模块输出驱动电流控制基础制动装置内的电机旋转，通过内部的减速机构及传动机构将转矩转换成输出轴的推力，推动制动杠杆作用于闸片实现夹紧动作，并实时采集布置于输出轴后端的力反馈元件力值信息进行制动夹紧力闭环控制。

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以力反馈元件获得的力值信息作为唯一反馈，进行单闭环比例积分(proportion intergration,PI)控制的方式是最直接和常用的方式。但这种控制方法对传感器的稳定性、可靠性要求极高，在实际工程应用中，尤其是在极端恶劣工况下，传感器的漂移、失效都会对制动系统制动力损失造成风险。为了摆脱单点失效造成系统功能丧失的风险，保障轨道车辆的安全平稳运行，本研究提出基于卡尔曼滤波的融合力闭环控制方法，利用电机堵转时的电流推算力值，结合传感器采集的反馈力值，选取适当的卡尔曼增益，得到融合后的力值Fm，以融合力值作为系统闭环控制对象。

计算堵转时的力值，有电机转矩平衡公式

(1)

(2)

由于摩擦转矩Tf在电机转矩Tm中占得比例较小，可忽略摩擦转矩，有

(3)

即电机堵转时，夹紧力与电流近似成线性关系。

卡尔曼滤波方程

(4)

为求解卡尔曼增益Kk，有

(5)

(6)

图3 电子机械制动综合性能试验台Fig. 3 Electronic mechanical brake comprehensive performance test bench

3 试验及结果分析

为了对电子机械制动系统的特性进行全方面研究，搭建了电子机械制动综合性能试验台，如图3所示。该平台由制动控制单元、电机控制器、基础制动装置、直流稳压电源及试验控制平台等组成。

试验控制平台集成S7-1200PLC、PCI-1780U、PCL-720+、PCI-6225、USBCAN等模块并配备测试用压力、电流、位移等传感器，配备上位机软件，具备夹紧力、电流、位移等试验数据的采集、存储功能，可模拟车辆各种制式指令信号，如硬线、模拟量、网络指令，实现对电子机械制动系统的功能及性能测试和分析。具体试验方法为：通过上位机给制动控制单元下发制动指令，制动控制单元将制动指令转化为具体夹紧力指令下发给电机控制器，电机控制器接收到指令后驱动基础制动装置输出夹紧力，上位机软件将试验过程中的试验数据保存进行分析。

表2 间隙调整结果Tab. 2 Gap adjustment results

图4 目标指令0→20 kN阶跃曲线Fig.4 Target command 0→20 kN step curve

3.1 间隙调整试验

制动系统在非制动情况下需保证闸片与制动盘具备间隙，而制动系统在使用过程中，由于闸片与制动盘产生磨损而使制动间隙增大，将导致电子机械制动系统响应改变。为解决这种问题，本研究制定了间隙调整策略，自动补偿磨损间隙，使其在整个寿命周期始终保持为初始设定间隙值。通过试验控制台发送间隙调整指令，电机控制器控制基础制动装置调整间隙值，更改两闸片之间模拟制动盘的厚度模拟磨损情况，试验过程通过位移传感器记录间隙值。由表2可知，在不同模拟制动盘厚度情况下，回退间隙始终为2 mm左右，表明系统具备自动精确补偿磨损间隙的功能。

3.2 静态阶跃试验

试验控制台通过CAN(controller area network)通信发送目标夹紧力指令，电机控制器接收指令并控制输出夹紧力，试验控制台记录目标夹紧力指令并通过网络接收电机控制器采集的实际夹紧力波形，采样时间为10 ms。

1) 在初始状态为2 mm间隙时给定目标夹紧力指令0→20 kN。试验结果如图4所示，系统从接收制动指令开始到90%目标夹紧力时间约为300 ms，系统稳态误差为±0.3 kN，体现了电子机械制动系统在响应和稳态误差控制上具有良好效果。

2) 在初始状态为2 mm间隙情况下连续给定目标级位夹紧力指令4→12→20→28→20→12→4 kN，将每个级位保持一定时间。试验结果如图5所示，夹紧力从0→4 kN阶跃时，因需要消除2 mm空行程具有相对长的响应时间，约300 ms。其余级位的阶跃因无空行程响应时间较快，平均约110 ms。结果表明，电子机械制动系统能够快速响应各制动级位的切换，可快速稳定施加和缓解夹紧力。

图5 变级位阶跃曲线Fig. 5 Variable level step curve

3.3 频响试验

为验证电子机械制动系统的静态频响特性，分别进行夹紧力为4→28 kN的1 Hz正弦波与三角波目标指令跟随试验，结果如图6所示。

图6 静态频响曲线Fig.6 Static frequency response curve

试验结果表明：正弦波跟随拟合度较好，有一定相位延迟，在波峰和波谷处出现约25 ms的滞后，幅值衰减小于1.5%；三角波跟随无明显相位延迟，在波峰和波谷处出现约20 ms的滞后，无明显幅值衰减情况，体现了电子机械制动系统具有良好的指令跟随性能。

3.4 多机一致性试验

由于电子机械制动系统在使用时为多台配合使用，当制动控制单元同时给多个电机控制器下发指令时，若基础制动装置的执行一致性较差会导致车辆出现潜在的安全风险，因此本研究进行了多机一致性试验。通过试验控制平台模拟硬线指令，为两台电子机械制动系统同时下发紧急制动控制指令，记录各夹钳外测传感器采集的实时夹紧力、目标指令等数据，通过试验数据分析电子机械制动系统的一致性。硬线指令(紧急制动)多机一致性试验曲线如图7所示，各夹钳响应时间差值小于100 ms，稳态时力误差小于0.5 kN，表明多机施加制动时系统具有较好的一致性。

图7 多机一致性曲线Fig.7 Multi-machine consistency curve

4 结论

基于有轨电车车型对电子机械制动系统开展研究，针对有轨电车车型构建了电子机械制动的整车系统架构，并完成制动控制单元、电机控制器、基础制动装置样机的设计及生产，搭建了整套电子机械制动系统。提出基于卡尔曼滤波的融合力闭环控制方法，利用搭建的综合性能测试试验台，对电子机械制动系统的功能和性能进行地面试验，得出以下结论。

1) 通过不同厚度制动盘进行的模拟间隙调整试验，表明本电子机械制动系统具备自动精确补偿磨损间隙的功能。

2) 静态阶跃试验表明，电子机械制动系统从指令接收到达到90%目标夹紧力的响应时间约为300 ms，无空行程响应时间约为110 ms，稳态误差为±0.3 kN，具有快速响应能力及良好的稳态控制精度。

3) 1 Hz正弦波与三角波目标指令跟随试验结果表明，跟随曲线无明显相位延迟，幅值衰减小于1.5%，实际力值可稳定精确跟随目标力值，具备良好的动态性能。

4) 多机一致性试验表明，电子机械制动系统多机响应时间小于100 ms，具有较好的一致性。

本电子机械制动系统是基于现有低地板有轨电车平台所需功能和实际接口设计的，并针对实际需求进行了功能及性能试验，为后续装车试验奠定基础，为电子机械制动系统应用于轨道交通领域提供参考。