陸悅超 左建勇 吳萌嶺

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海∥第一作者,碩士研究生)

當(dāng)前,制動(dòng)電子控制單元(BECU)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地鐵車輛的制動(dòng)系統(tǒng)中。作為車輛制動(dòng)的控制核心,其可靠性及安全性對(duì)行車安全有著巨大的影響。因此必須要設(shè)計(jì)一套有較高精度和準(zhǔn)確性的測(cè)試儀器來對(duì)BECU進(jìn)行檢測(cè)和試驗(yàn)。

1 設(shè)計(jì)方案

本BECU試驗(yàn)臺(tái)利用工控機(jī)為核心,通過數(shù)據(jù)采集卡、PLC(可編程邏輯控制器)、繼電器等外圍器件,對(duì)BECU進(jìn)行檢測(cè)及試驗(yàn)。由于車輛制動(dòng)系統(tǒng)中包含有各種形式的大量信號(hào),如氣壓、載重等,所以要求本試驗(yàn)臺(tái)具有較高的集成度、兼容性及準(zhǔn)確性。

1.1 試驗(yàn)臺(tái)硬件

試驗(yàn)臺(tái)硬件主要實(shí)現(xiàn)控制功能和檢測(cè)功能。其控制功能由工控機(jī)、PLC、執(zhí)行器件、信號(hào)調(diào)理器等實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)功能由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理器、壓力傳感器等部分組成。

在試驗(yàn)臺(tái)電源的各個(gè)部件中,220 V的交流電直接由市電提供,其它部件需要的110 V和24 V直流電信號(hào)由變壓器提供,被測(cè)微機(jī)制動(dòng)單元同樣由試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)變壓器提供110 V交流電。

除了如圖1所示結(jié)構(gòu)外,試驗(yàn)臺(tái)還包括各個(gè)部件的電源、繼電器、緊急停止按鈕、顯示器等。

由以上的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了BECU試驗(yàn)臺(tái)的制作。考慮到模擬實(shí)際車輛環(huán)境,BECU的信號(hào)分為三路輸入輸出,因此本試驗(yàn)臺(tái)采用車輛上標(biāo)準(zhǔn)的接插件與微機(jī)制動(dòng)單元相連接。第一路為制動(dòng)控制,包括制動(dòng)級(jí)位、速度輸出、載重輸出、容積室壓力傳感器、載重壓力傳感器、制動(dòng)電磁閥、緩解、快速制動(dòng)、速度限制觸點(diǎn)輸出及5路輸出備用。第二路為I/O,包括緊急制動(dòng)、快速制動(dòng)、制動(dòng)信號(hào)、保持制動(dòng)、停放制動(dòng)、電制動(dòng)失效、車型選擇、容積室壓力開關(guān)、編組選擇、摩擦制動(dòng)已施加、公里信號(hào)、摩擦制動(dòng)觸點(diǎn)輸出、速度限制觸點(diǎn)輸出及備用輸入輸出。第三路為防滑控制,包括4個(gè)速度傳感器輸入、4個(gè)防滑電磁閥保壓和排風(fēng)。

1.2 部件組成

圖2為本試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)物圖。整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)箱、工控機(jī)、電氣單元等組成。

1.2.1 工控機(jī)

工控機(jī)為此試驗(yàn)臺(tái)的核心,其硬件上通過PCI總線與三塊數(shù)據(jù)采集卡連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。通過PC-PPI連接線將 USB(通用串行總線)與PLC的RS-485口連接,向PLC輸出試驗(yàn)參數(shù)以及指令,并接收PLC輸入的來自BECU的信號(hào)。工控機(jī)軟件上使用Labview作數(shù)據(jù)采集和控制的核心。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 試驗(yàn)臺(tái)及BECU

1.2.2 PLC單元

在本試驗(yàn)臺(tái)中,采用PLC對(duì)部分的模擬量和數(shù)字量進(jìn)行輸入和輸出。PLC的CPU模塊采用西門子公司的產(chǎn)品,并添加2塊模擬量模塊和1塊數(shù)字量模塊作為擴(kuò)展。

其中PLC數(shù)字量輸出包括編組選擇、保持制動(dòng)、快速制動(dòng)、非制動(dòng)信號(hào)、停放制動(dòng)施加、摩擦制動(dòng)施加、速度限制信號(hào)等。數(shù)字量出入包括三組故障信號(hào)、摩擦信號(hào)、緊急閥、緊急保護(hù)閥、公里信號(hào)、CV壓力開關(guān)等。模擬量輸出包括模擬載重傳感器信號(hào),模擬量輸入包括容積室傳感器信號(hào)、速度信號(hào)、載重信號(hào)等。圖3為本試驗(yàn)臺(tái)PLC安裝實(shí)物。PLC主機(jī)與3個(gè)擴(kuò)展間用擴(kuò)展電纜連接。PLC與工控機(jī)間用PC-PPI電纜連接。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)安裝的PLC

1.2.3 數(shù)據(jù)采集及控制單元

在制動(dòng)系統(tǒng)中,有部分信號(hào)的采集與控制必須要有極高的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。例如BECU對(duì)于車輛軸速的采集,必須能精確檢測(cè)到軸速信號(hào),并及時(shí)判斷輪對(duì)是否被抱死,快速進(jìn)行防滑控制。因此,本試驗(yàn)臺(tái)為盡量降低數(shù)據(jù)讀入的延時(shí),提高檢測(cè)精度,使用了NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡。本試驗(yàn)臺(tái)將數(shù)據(jù)采集卡1輸出4路脈沖信號(hào)來模擬車輛上的4個(gè)輪對(duì)的軸速。此卡最高電壓輸出為5 V,車輛上的軸速信號(hào)為±15 V,所以通用信號(hào)調(diào)理板將信號(hào)轉(zhuǎn)換隔離后傳輸給BECU。數(shù)據(jù)采集卡2采集防滑閥反饋信號(hào)。數(shù)據(jù)采集卡3負(fù)責(zé)采集來自電流型氣壓傳感器的信號(hào)。采用電流型氣壓傳感器有利于提高抗干擾能力,增強(qiáng)信號(hào)精度。數(shù)據(jù)采集卡3帶有A/D轉(zhuǎn)換,并將經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳向工控機(jī)。2塊數(shù)字量信號(hào)采集卡和1塊模擬量信號(hào)采集卡采樣頻率都達(dá)到了 80 MHz,具有很高的采樣速度和精度。

1.2.4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)來說,各個(gè)信號(hào)的采樣頻率對(duì)于試驗(yàn)的準(zhǔn)確性有著至關(guān)重要的意義。要確定適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率,需要綜合考慮被測(cè)信號(hào)的最好頻率成分,以及試驗(yàn)系統(tǒng)所要求達(dá)到的精度、系統(tǒng)的噪聲和信號(hào)調(diào)理板的性能。

信號(hào)干擾試驗(yàn)系統(tǒng)主要有電磁干擾、信道干擾、電源干擾等3個(gè)方面。根據(jù)本試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際情況,采取的抗干擾方法主要有:①采用差分信號(hào)。由于差分電路的工作取決于兩個(gè)信號(hào)線上信號(hào)之間的差值,同周圍的噪聲相比,得到的信號(hào)就是任何一個(gè)單端信號(hào)的兩倍大小。所以,在其它所有情況都一樣的條件下,差分信號(hào)總是具有更高的信噪比,因而提供更高的性能。②屏蔽設(shè)計(jì)。由于BECU在較密集的空間內(nèi)輸入輸出多種不同形式的信號(hào),這些信號(hào)會(huì)互相干擾、劣化。因此試驗(yàn)臺(tái)與微機(jī)制動(dòng)控制單元間的連接都采用了屏蔽線等方法來降低電磁干擾。

2 測(cè)控及試驗(yàn)

2.1 控制軟件及流程

試驗(yàn)臺(tái)軟件核心使用labview實(shí)現(xiàn),包括數(shù)據(jù)采集、處理及控制程序。

人機(jī)界面和控制算法基于labview軟件,可以對(duì)BECU電源、直連、電制動(dòng)失效、數(shù)字量輸入、6/8編組數(shù)量、動(dòng)車或拖車等選擇,可以模擬包括保持制動(dòng)、快速制動(dòng)、摩擦制動(dòng)已施加、停放制動(dòng)已施加、非制動(dòng)信號(hào)、CV壓力開關(guān)、緊急制動(dòng)等信號(hào),能對(duì)載重傳感器、容積室傳感器輸出值進(jìn)行調(diào)整。圖4為軟件控制界面,相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的控制面板和顯示面板。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)人機(jī)交互界面

圖5為控制程序的簡化流程圖。該程序的功能是接受參數(shù)設(shè)定,并按照這些參數(shù)對(duì)BECU進(jìn)行試驗(yàn)。程序啟動(dòng)后,上位機(jī)啟動(dòng)與PLC、數(shù)據(jù)采集的通信。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)

本試驗(yàn)臺(tái)有多種試驗(yàn)功能,此處選取緊急制動(dòng)試驗(yàn)、防滑試驗(yàn)、階段制動(dòng)試驗(yàn)和階段緩解試驗(yàn)等進(jìn) 行說明。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)控制程序流程圖

由圖6可知:

(1)4個(gè)制動(dòng)缸壓力由250 kPa上升到目標(biāo)壓力820 kPa的平均時(shí)間為3.1 s,制動(dòng)缸達(dá)到90%滿負(fù)載壓力的緊急制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間為2.1 s左右,基本滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)4個(gè)制動(dòng)缸壓力重合度略有偏差,這是由于充氣管路長短、彎折情況不同而影響了氣壓變化的時(shí)間。

(3)制動(dòng)缸緩解時(shí),壓力從最大下降到250 kPa需要5.5 s。

圖6 緊急制動(dòng)制動(dòng)缸壓力上升及下降曲線

圖7和圖8為本試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的BECU防滑控制試驗(yàn),由上位機(jī)模擬車輛4個(gè)軸的軸速信號(hào)。試驗(yàn)開始時(shí),將4個(gè)軸速設(shè)定為相同值,并開始制動(dòng),可以看到最初4個(gè)制動(dòng)缸壓力基本相同;此時(shí),降低1個(gè)軸的軸速,模擬此軸上的輪對(duì)打滑。試驗(yàn)結(jié)果證明,此時(shí)BECU能夠準(zhǔn)確做出判斷,并降低此軸上的制動(dòng)缸壓力,緩解制動(dòng)力。

圖9為本試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的階段制動(dòng)及階段緩解試驗(yàn)圖,可以看到試驗(yàn)臺(tái)發(fā)出DC 60 V 400 Hz的PWM(脈寬調(diào)制)制動(dòng)級(jí)位信號(hào)對(duì)制動(dòng)級(jí)位進(jìn)行控制。由圖上試驗(yàn)結(jié)果可以看到,本試驗(yàn)制動(dòng)級(jí)位清晰、信號(hào)穩(wěn)定、無較大失真,可較好模擬列車的司機(jī)制動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)階段制動(dòng)和階段緩解試驗(yàn)。此外,本試驗(yàn)臺(tái)還能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

圖7 模擬滑行

圖8 防滑控制

圖9 階段制動(dòng)及階段緩解

3 結(jié)語

(1)本試驗(yàn)臺(tái)針對(duì)BECU測(cè)試的實(shí)際需要進(jìn)行了設(shè)計(jì),并研制成功。該試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際操作易于上手,人機(jī)交互界面直觀,運(yùn)行可靠,完全能滿足實(shí)際的測(cè)試需求。

(2)在對(duì)BECU測(cè)試過程中,該試驗(yàn)臺(tái)能夠精確進(jìn)行各種信號(hào)模擬,完成氣動(dòng)等各種試驗(yàn)。經(jīng)過大量試驗(yàn)證明,該試驗(yàn)臺(tái)可用于 BECU的開發(fā)升級(jí),為進(jìn)一步優(yōu)化BECU設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)平臺(tái)。

(3)在試驗(yàn)過程中,通過數(shù)據(jù)分析可以看到,試驗(yàn)臺(tái)軟件的數(shù)據(jù)算法較合理,但部分?jǐn)?shù)據(jù)采集和處理控制程序如軟件濾波等有待日后不斷完善。

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