智轨电车新一代电空制动控制技术研究

梁 鹏，余接任，罗晓峰，李太鹏

（1. 株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001；2. 湖南中车智行科技有限公司，湖南 长沙 410006；3. 湖南中车西屋轨道交通技术有限公司，湖南 长沙 410006）

0 引言

智能轨道快运电车［1-2］（简称“智轨电车”），是一种采用全轴转向、轨迹跟随控制技术，通过主动安全、车载信号、机器视觉控制等对车辆行驶进行电子约束的全电力驱动、沿虚拟轨道运行的铰接式胶轮车辆。智轨电车自首次发布以来，为适应市场发展的需要，开展了多轮迭代设计［3-5］，从初代的工程化样车，到“初心号”、“使命号”，再到如今的氢能智轨，应用了越来越多的前沿技术，车辆的品质不断提升。而传统电空制动控制系统呈现出集成度不高、调压精度低、网络通信性能差和可维护性不足等现状［6-8］。基于这些现状，有必要开展新一代电空制动控制技术的研发。本文提出了电控和气控高度集成化，双以太网通信架构的设计方案，并开展了系统设计、测试及与传统制动控制系统的对比分析。

1 智轨电车新一代电空制动控制系统

基于轨道交通应用多年的控制技术［9-10］，智轨电车新一代电空制动控制技术对原智轨电车制动控制系统进行了整合，形成了集成电控单元和调压集成模块（图1）。集成电控单元将制动控制和压力调节模块合二为一；调压集成模块将压力调节阀、应急电磁阀、中继阀、远程缓解阀及限压阀等多个功能阀集成到一个模块中。整套系统集成度高，功能强大，呈现出优异的性能。

图1 集成电控单元和调压集成模块示意Fig.1 Integrated electronic control unit and pressure regulation integrated module

1.1 集成电控单元

传统智轨电车制动控制系统的制动控制和压力调节为2个独立模块，如图2所示。制动控制模块计算出目标压力值，发送给压力调节模块去执行压力调节功能［11］。该系统存在传输延时，响应不及时，功能分散等缺点。而新电空制动控制系统的集成电控单元，将传统的制动控制和压力调节功能合二为一，实现了集成，消除了传统系统存在的缺点，如图3所示。

图2 传统制动控制和压力调节关系Fig.2 Relationship between traditional brake control and pressure regulation

图3 采用集成电控单元的新电空制动控制系统Fig.3 New electro-pneumatic braking control system using integrated electronic control unit

集成电控单元的外形尺寸为21.7 cm × 13.5 cm ×5.0 cm，满足IP67 防护等级的封闭模块，其防护等级高，利于在车辆上进行安装布局和维护，如图4所示。

图4 集成电控单元Fig.4 Integrated electronic control unit

集成电控单元的电路板包含控制和驱动两块板子，采用叠板设计。其主要硬件接口包含7路DI输入，3路DO输出，6路AD采样，2路速度采集，6路阀驱动，2 路以太网通信，4 根地址跳线等。控制电路板的主控芯片采用32 位ARM 处理器，由1 024 KiB 大小的NVSRAM进行关键数据存储。阀驱动电路具有过流保护和输出反馈等防护和检测功能。AD 采样电路具有传感器电源监视和保护功能。

控制软件采用模块化设计，驱动和应用分层，各功能模块化，实现了常用制动、安全制动、应急制动、紧急制动和保持制动等多种制动工况下的制动力计算和管理，压力调节、故障诊断等多种功能，同时实现了踏板迟滞、踏板感觉选择、空重车制动力调整和远程缓解等功能。

1.2 调压集成模块

调压集成模块将多个模块化功能阀集成在一起，结构紧凑、功能聚合，简化了气路布局，节省了管路空间，如图5所示。其采用经过轨道交通充分验证使用过的压力调节阀，压力调节稳定且调节精度高，并可以长时间得电［12-13］。应急电磁阀和压力调节阀的两路压力经过取大阀处理后，进入中继阀，实现应急压力与常规压力独立施加和防叠加功能。通过远程缓解阀，可在驾驶室远程隔离指定轴的基础制动功能。

图5 调压集成模块Fig.5 Pressure regulation integrated module

2 系统测试

为了验证智轨电车新一代制动控制系统的功能和性能，本文采用湖南中车智行科技有限公司依据企业标准《智能轨道快运电车制动系统试验规范》编制的用于智能轨道快运电车制动系统测试的《地面联合测试试验大纲》和《智轨电车制动系统试验大纲》，分别开展了地面联合测试和整车制动测试。

2.1 地面联合测试

地面测试台如图6所示，通过外接气路和电路，将电控单元和调压集成模块联合起来，依据《地面联合测试试验大纲》，开展多项试验，包含：常用调压、阶跃调压、应急制动和远程缓解、背压制动、中继阀静态特性、气密性试验、高低温性能测试及疲劳耐久测试等。

图6 地面测试台示意Fig.6 Schematic of ground test bench

联合测试结果如表1 所示，各项点均满足试验大纲要求，可以开展后续的整车制动测试。

表1 联合测试结果Tab.1 The results of combined test

2.2 整车制动测试

邀请专业的第三方检测公司，按照《智轨电车制动系统试验大纲》，开展了氢能智轨电车整车制动测试。测试结果如表2所示。

表2 整车制动测试结果Tab.2 The results of vehicle braking test

由第三方测试结果可知，氢能智轨电车的踏板背压制动试验、踏板常用制动试验、电制动切除踏板常用制动试验、踏板紧急制动试验、应急制动试验、安全制动试验的结果均符合试验大纲要求。这表明新一代制动控制系统的功能和性能满足装车要求。

3 与传统智轨电车制动控制系统的对比分析

3.1 系统集成

传统智轨电车制动控制系统采用独立的制动控制模块、压力调节模块、应急电磁阀和限压阀，分布式布局，功能分散，气路复杂。智轨电车新一代制动控制系统使用集成电控单元替换了制动控制模块及压力调节模块，使用调压集成模块替换了压力调节阀、应急电磁阀及限压阀，同时新增了远程缓解阀，系统功能聚合、集成度高，气路得以简化，如图7所示。

图7 智轨电车新一代制动控制系统集成Fig.7 Integration of new generation of braking control system of autonomous-rail rapid tram

3.2 压力调节

传统智轨制动控制系统的压力调节，存在以下功能和性能缺点：低压区间易长期振荡；不支持长时间得电，阀容易烧损；单次阶跃调压阀动作次数平均在6次左右，阀使用寿命难以有效保障；高压区间控制精度低，调压误差达到±40 kPa。

新一代制动控制系统采用全新一代调压算法，配套经轨道交通充分验证过的压力调节阀。图8 示出压力调节及阀动作信号，从图中可以看出，压力值在低压区稳定不振荡；支持长时间得电，无烧损顾虑；阀动作次数少（AMV：施加电磁阀；RMV：缓解电磁阀），单次阶跃调压阀动作次数平均在3 次左右，较传统压力调节模块的减少了约50%，阀使用寿命从而得以保障；整体调压精度高，调压误差能控制在±10 kPa以内。

图8 压力调节及阀动作信号Fig.8 Pressure regulation and valve action signals

3.3 网络通信和维护软件

传统智轨电车制动控制系统采用CAN通信，数据传输量少、速度慢、冗余度低。每个模块都需要一个独立的控制软件和维护软件，且只能分别到各个模块进行单点维护，特别是压力调节模块需要通过仿真器烧写程序，维护十分不便。

新一代制动控制系统采用双以太网进行通信，数据传输量大增，速度变快，双路数据互为备份，提高了通信 冗余性。随着电控单元的集成，制动控制系统仅需一个控制软件和一个维护软件，并可通过交换机对所有集成电控单元进行维护，维护十分便利。图9是新一代集成电控单元配套的上位机维护软件，其具有变量监视（含在线数据监视、实时数据采集、数据回放、参数在线更改）、程序更新、故障分析及故障配置等多种功能，还可以根据不同的需求进行参数的修改和配置，功能强大，操作灵活。

图9 上位机维护软件Fig.9 Portable test unit

目前，新一代电空制动控制系统已经在出口马来西亚的首列氢能智轨样车上完成了装车调试，在系统集成，压力调节，网络通信和维护水平等多方面均比传统智轨制动系统表现更加优异。

4 结束语

本文针对智轨电车传统制动控制系统集成度不高、调压精度低、网络通信和维护性不足等现状，研发了新一代电空制动控制系统。该系统将制动控制和压力调节模块合二为一，同时将压力调节阀、应急电磁阀、远程缓解阀等多个模块化功能阀集成在一起，极大提升了系统集成性；并采用经轨道交通验证使用过的压力调节阀，压力调节稳定，且调节精度高；同时，采用双以太网通信架构，提升了网络通信和维护水平。

本文对氢能源整车能源管理配合和PHM（故障预测和健康管理）研究还比较有限，后续将在这两个方面作进一步研究。