基于轉(zhuǎn)速控制的機(jī)車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法

蔡志偉，高 磊

（中國(guó)北車大連機(jī)車車輛有限公司 技術(shù)開發(fā)部，遼寧大連116022）

專題研究

基于轉(zhuǎn)速控制的機(jī)車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法

蔡志偉，高 磊

（中國(guó)北車大連機(jī)車車輛有限公司 技術(shù)開發(fā)部，遼寧大連116022）

介紹了目前主要的機(jī)車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法，提出了一種基于轉(zhuǎn)速控制的機(jī)車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，上述方法能有效的防止發(fā)生牽引空轉(zhuǎn)和制動(dòng)滑行，最大限度的利用黏著力，可實(shí)現(xiàn)機(jī)車全天候的防空轉(zhuǎn)滑行控制。

轉(zhuǎn)速控制；防空轉(zhuǎn)滑行控制；牽引；制動(dòng)；黏著力

輪對(duì)產(chǎn)生的輪周牽引力或制動(dòng)力大于輪軌間的黏著力時(shí)車輪就會(huì)發(fā)生空轉(zhuǎn)或打滑，輪軌間的黏著力受輪軌表面狀況、線路狀況、機(jī)車軸重分配等因素的影響，并且與司機(jī)操縱方式及機(jī)車運(yùn)行速度有關(guān)。空轉(zhuǎn)或打滑會(huì)使輪軌發(fā)熱、輪軌擦傷，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響機(jī)車的安全運(yùn)行，危害極大。輪軌之間的黏著是一個(gè)具有不確定性的復(fù)雜時(shí)變系統(tǒng)，最大化地利用輪軌黏著力，并且有效防止?fàn)恳辙D(zhuǎn)和制動(dòng)滑行，已經(jīng)成為世界鐵路機(jī)車車輛黏著控制技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的方向。

1 現(xiàn)有技術(shù)及其缺點(diǎn)

1.1 差動(dòng)繼電器法

目前國(guó)產(chǎn)直流傳動(dòng)機(jī)車大多采用差動(dòng)繼電器法，在機(jī)車主電路中配裝有差動(dòng)繼電器，每個(gè)差動(dòng)繼電器與兩臺(tái)牽引電機(jī)相連，機(jī)車正常運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)牽引電機(jī)相連的差動(dòng)繼電器兩端的電壓是平衡的。當(dāng)有一個(gè)車輪發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，該車輪的牽引電機(jī)與另一個(gè)車輪的牽引電機(jī)之間的電位差就會(huì)發(fā)生變化，使差動(dòng)繼電器得電，使串聯(lián)在該差動(dòng)繼電器常開觸點(diǎn)電路中的聲光報(bào)警器接通，發(fā)出空轉(zhuǎn)報(bào)警。司機(jī)發(fā)現(xiàn)空轉(zhuǎn)報(bào)警后，手動(dòng)撒沙、降功率。利用電壓差并不能準(zhǔn)確判斷發(fā)生空轉(zhuǎn)的嚴(yán)重程度，當(dāng)司機(jī)看到空轉(zhuǎn)指示燈亮之后再腳踏撒沙，同時(shí)通過手動(dòng)操作削減機(jī)車牽引功率來制止空轉(zhuǎn)。這個(gè)操作過程時(shí)間比較長(zhǎng)，而且很難把握合適的功率削減值。

1.2 判據(jù)法

檢測(cè)機(jī)車各個(gè)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流，通過計(jì)算轉(zhuǎn)速差、車輪加（減）速度、加（減）速度微分信號(hào)、滑移率及電流差、電流變化率等參數(shù)，并且設(shè)定這些參數(shù)的限定值，當(dāng)超過或低于這些限制值時(shí)，即判斷為空轉(zhuǎn)或滑行，并立即實(shí)施撒沙及減牽引力（制動(dòng)力）。采用這樣的方法，不能實(shí)時(shí)獲得合適的減載率百分比、減載持續(xù)時(shí)間、撒沙執(zhí)行時(shí)間。通過采用多個(gè)反饋及計(jì)算參數(shù)聯(lián)合控制，同時(shí)觀測(cè)多個(gè)參數(shù)，對(duì)黏著利用狀況進(jìn)行綜合評(píng)估，然后綜合判斷空轉(zhuǎn)及滑行，空轉(zhuǎn)及滑行時(shí)刻判斷的準(zhǔn)確度雖然有所提高，但是減載率百分比，減載持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間仍難把握，很難給出一個(gè)定量的合理控制值，難以實(shí)現(xiàn)既充分利用黏著，又有效防止空轉(zhuǎn)滑行的控制效果。

1.3 模糊控制法

模糊控制系統(tǒng)通常由輸入輸出接口、模糊控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器和被控對(duì)象5個(gè)部分構(gòu)成，其中模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心。模糊控制法必須編制大量的程序來進(jìn)行仿真分析，或者等到控制器設(shè)計(jì)完成后通過試驗(yàn)來分析驗(yàn)證。整個(gè)過程繁瑣并且工作量較大。

2 基于轉(zhuǎn)速控制的機(jī)車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理

基于轉(zhuǎn)速控制的機(jī)車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法的控制框圖如圖1所示，根據(jù)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)生成牽引力（制動(dòng)力）給定值VTref，檢測(cè)牽引力（制動(dòng)力）反饋值VTfdb，送入牽引力（制動(dòng)力）PID閉環(huán)控制器VT，得出牽引力（制動(dòng)力）控制值VTout；計(jì)算速度差給定值VDref，計(jì)算速度差反饋值VDfdb，將VDref及VDfdb送入速度差PID閉環(huán)控制器VD，得出轉(zhuǎn)速差控制值VDout；根據(jù)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)生成最大加速度給定值VAref，計(jì)算最大加速度反饋值VAfdb，將VAref及VAfdb送入加速度PID閉環(huán)控制器VA，得出加速度控制值A(chǔ)out；比較牽引力（制動(dòng)力）控制值VTout、轉(zhuǎn)速差控制值VDout、加速度控制值VAout，取三者中的最小值控制機(jī)車牽引力（制動(dòng)力）。

采用該控制方法，通過轉(zhuǎn)速差PID閉環(huán)控制器和加速度PID閉環(huán)控制器的作用，可以使各牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速差和加速度限制在合理的范圍內(nèi)。由于PID調(diào)節(jié)器的作用使得系統(tǒng)在偏差較大時(shí)具有快速調(diào)節(jié)特性，在偏差較小時(shí)具有連續(xù)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)特性，在偏差信號(hào)快速變化時(shí)具有超前調(diào)節(jié)特性，能夠最大限度的利用黏著力，可實(shí)現(xiàn)機(jī)車全天候的防空轉(zhuǎn)滑行控制。

圖1 基于轉(zhuǎn)速控制的機(jī)車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法框圖

2.2 基于轉(zhuǎn)速控制的機(jī)車防空轉(zhuǎn)滑行系統(tǒng)硬件組成及基本原理

基于轉(zhuǎn)速控制的機(jī)車防空轉(zhuǎn)滑行系統(tǒng)硬件組成由微機(jī)控制系統(tǒng)、各牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等。下面以出口新西蘭CKD9B機(jī)車為例，對(duì)基于轉(zhuǎn)速控制的機(jī)車防空轉(zhuǎn)滑行系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

CKD9B交直流電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車牽引主電路如圖2所示，通過微機(jī)控制主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)主發(fā)電機(jī)整流后直流電壓的控制。Rlt為勵(lì)磁電阻，D1為續(xù)流二極管，Q1為場(chǎng)效應(yīng)管，EXC為勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，ERC為勵(lì)磁整流器，MG為主發(fā)電機(jī)，MRC為主整流器，M1～M6為牽引電機(jī)，SD1～SD6為牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器。機(jī)車微機(jī)控制器輸出的PWM信號(hào)通過控制Q1的導(dǎo)通占空比，控制流過EXC勵(lì)磁線圈的勵(lì)磁電流，EXC發(fā)出的三相交流電通過ERC整流后，為主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組供電，主發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)MRC主整流柜整流后向M1～M6供電。通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的脈沖寬度值即可調(diào)整牽引電機(jī)的直流端電壓，進(jìn)而調(diào)整牽引電機(jī)牽引力。

圖2 CKD9B交直流電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車牽引主電路

CKD9B交直流電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車電阻制動(dòng)主電路如圖3所示，牽引電機(jī)M1～M6分別以Rz為負(fù)載以發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行。SD1～SD6為牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器。主發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)MRC主整流柜整流后向牽引電機(jī)M1～M6串聯(lián)的勵(lì)磁繞組供電。通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的脈沖寬度值即可調(diào)整流過6個(gè)牽引電機(jī)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)制動(dòng)電流的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的調(diào)整。

圖3 CKD9B交直流電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車電阻制動(dòng)主電路

通過檢測(cè)司機(jī)控制器手柄位狀況、機(jī)車速度、牽引電流（主發(fā)電機(jī)輸出電流）分別計(jì)算出牽引力（或制動(dòng)力）給定值VTref、速度差給定值VDref、最大加速度給定值VAref，然后根據(jù)牽引電機(jī)電壓及電流反饋計(jì)算牽引力（或制動(dòng)力）反饋值VTfdb，根據(jù)第1～6軸牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋分別計(jì)算速度差反饋值VDfdb、最大加速度反饋值VAfdb。將VTref及VTfdb送入PID閉環(huán)控制器VT，得出牽引力（或制動(dòng)力）控制值VTout，將VDref及VDfdb送入速度差PID閉環(huán)控制器VD，得出轉(zhuǎn)速差控制值VDout；將VAref及VAfdb送入加速度PID閉環(huán)控制器VA，得出加速度控制值VAout；比較VTout、VDout和VAout，取三者中的最小值控制機(jī)車PWM信號(hào)通過控制Q1的導(dǎo)通占空比，進(jìn)而控制機(jī)車牽引力（或制動(dòng)力）。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

基于轉(zhuǎn)速控制的機(jī)車防空轉(zhuǎn)滑行控制主程序流程圖參見圖4，應(yīng)用定時(shí)器1中斷產(chǎn)生10 ms定時(shí)中斷。中斷子程序首先在框1.1關(guān)閉定時(shí)器1中斷，在框1.2清除定時(shí)器1中斷標(biāo)志。然后進(jìn)入框1.3，判斷牽引指令是否為真：如果是，則進(jìn)入框1.4，執(zhí)行牽引力控制子程序，否則進(jìn)入框1.5。在框1.5，判斷制動(dòng)指令是否為真：如果是，則進(jìn)入框1.6執(zhí)行制動(dòng)力控制子程序；否則進(jìn)入框1.7。在框1.7，打開定時(shí)器1中斷，為下一次定時(shí)器1中斷作好準(zhǔn)備。然后中斷子程序運(yùn)行結(jié)束。

圖4 基于轉(zhuǎn)速控制的機(jī)車防空轉(zhuǎn)滑行控制主程序流程圖

牽引力控制子程序和制動(dòng)力控制子程序流程圖如圖5、圖6所示，兩者程序流程非常相近，基本程序流程如下：根據(jù)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)生成牽引力（制動(dòng)力）給定值VTref，檢測(cè)牽引力（制動(dòng)力）反饋值VTfdb，送入牽引力（制動(dòng)力）PID閉環(huán)控制器VT，得出牽引力（制動(dòng)力）控制值VTout，且限制VTmin≤VTout≤VTmax；檢測(cè)各軸的轉(zhuǎn)速值，計(jì)算平均輪周線速度Vavr、最大輪周線速度Vmax及最小輪周線速度Vmin，計(jì)算機(jī)車速度Lspd＝Vavr，檢測(cè)機(jī)車牽引力（制動(dòng)力）反饋值，計(jì)算速度差給定值VDref和最大加速度給定值VAref；計(jì)算速度差反饋值：VDfdb＝Vmax－Vavr（牽引模式）或VDfdb＝Vavr－Vmin（制動(dòng)模式），計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速加速度值VAfdb1～VAfdbn（牽引模式）或各軸轉(zhuǎn)速減速度值VAfdb1～VAfdbn（制動(dòng)模式），計(jì)算加速度反饋值VAfdb等于各軸轉(zhuǎn)速加速度值VAfdb1～VAfdbn中的最大值（牽引模式）或減速度反饋值VAfdb等于各軸轉(zhuǎn)速減速度值VAfdb1～VAfdbn中的最大值（制動(dòng)模式）；將VDref及VDfdb送入速度差PID閉環(huán)控制器VD，得出轉(zhuǎn)速差控制值VDout，且限制Vmin≤VDout≤Vmax；將VAref及VAfdb送入加速度PID閉環(huán)控制器VA，得出加速度控制值VAout，且限制Vmin≤VAout≤Vmax；按轉(zhuǎn)速差控制值VDout、加速度控制值VAout、牽引力（制動(dòng)力）控制值VTout三者中的最小值控制機(jī)車牽引力（制動(dòng)力）。

圖5 牽引力控制子程序流程圖

3 基于轉(zhuǎn)速控制的防空轉(zhuǎn)滑行控制方法在新西蘭機(jī)車上的應(yīng)用

基于轉(zhuǎn)速控制的機(jī)車防空轉(zhuǎn)滑行控制方法已經(jīng)成功應(yīng)用于CKD9B型出口新西蘭機(jī)車，解決了在機(jī)車應(yīng)用過程中出現(xiàn)的牽引空轉(zhuǎn)和電阻制動(dòng)滑行問題，可以有效保護(hù)軌道及機(jī)車輪緣，降低司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升機(jī)車的牽引和制動(dòng)性能，使得機(jī)車的應(yīng)用更加安全可靠。

圖7為CKD9B型機(jī)車防空轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)波形，圖形上部分為勵(lì)磁脈寬、主發(fā)電機(jī)電流、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，下部分為第1、3、5軸牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線及撒沙指令曲線。試驗(yàn)線路為新西蘭漢密爾頓至米申布什鋼廠，負(fù)載為1 300 t，坡道22‰，天氣狀況為中雨，軌面濕滑。機(jī)車以42 km/h（對(duì)應(yīng)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 260 r/min）的初始速度爬坡，在機(jī)車速度降低的同時(shí)，主發(fā)電機(jī)電流不斷增加，機(jī)車速度降到23 km/h（對(duì)應(yīng)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速為690 r/min），主發(fā)電流達(dá)到4 200 A，機(jī)車速度開始逐漸恢復(fù)。在此過程中，微機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋計(jì)算牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速差反饋值和最大加速度反饋值。一方面這兩個(gè)反饋值分別與電機(jī)轉(zhuǎn)速差撒沙閾值和最大加速度撒沙閾值對(duì)比，當(dāng)其中任意反饋值大于其相應(yīng)撒沙閾值時(shí)，微機(jī)輸出撒沙指令；另一方面，這兩個(gè)反饋值分別與電機(jī)轉(zhuǎn)速差給定值和最大加速度給定值比較，通過相應(yīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，微調(diào)或快速調(diào)節(jié)主發(fā)電機(jī)電流，既能有效抑制牽引電機(jī)空轉(zhuǎn)，又能最大限度的利用黏著牽引力。

圖6 制動(dòng)力控制子程序流程圖

圖8為CKD9B型機(jī)車防滑行性能試驗(yàn)波形，圖形上部分為勵(lì)磁脈寬柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、第1、3、5軸牽引電機(jī)電流曲線，下部分為第1、3、5軸牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線和撒沙指令曲線。試驗(yàn)線路為新西蘭漢密爾頓至奧克蘭，負(fù)載為1 000 t，天氣狀況為小雨，軌面濕滑。機(jī)車以58 km/h（對(duì)應(yīng)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 740 r/min）的初始速度進(jìn)行電阻制動(dòng)，機(jī)車速度不斷下降，當(dāng)制動(dòng)電流達(dá)到580 A時(shí)，從牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線可以看出，機(jī)車速度降到23 km/h（對(duì)應(yīng)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速為690 r/min），主發(fā)電機(jī)電流達(dá)到4 200 A，個(gè)別牽引電機(jī)發(fā)生了滑行，微機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋計(jì)算牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速差反饋值和最大減速度反饋值。一方面這兩個(gè)反饋值分別與電機(jī)轉(zhuǎn)速差撒沙閾值和最大減速度撒沙閾值對(duì)比，當(dāng)其中任意反饋值大于其相應(yīng)撒沙閾值時(shí)，微機(jī)輸出撒沙指令；另一方面，這兩個(gè)反饋值分別與電機(jī)轉(zhuǎn)速差給定值和最大減速度給定值比較，通過相應(yīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，微調(diào)或快速調(diào)節(jié)主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁脈寬，進(jìn)而調(diào)節(jié)制動(dòng)電流（牽引電機(jī)電流），既能有效抑制牽引電機(jī)滑行，又能最大限度的利用黏著制動(dòng)力。

圖7 CKD9B型機(jī)車防空轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)波形

圖8 CKD9B型機(jī)車防滑行性能試驗(yàn)波形

4 結(jié)束語

目前基于轉(zhuǎn)速控制的機(jī)車防空轉(zhuǎn)滑行控制系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于大連機(jī)車車輛有限公司研制的出口新西蘭、阿根廷等多種機(jī)車中。應(yīng)用表明，該控制系統(tǒng)既能滿足機(jī)車正常工況下的穩(wěn)定運(yùn)行，又能滿足黏著控制過程中的快速響應(yīng)，在保證不發(fā)生空轉(zhuǎn)（滑行）的情況下，實(shí)現(xiàn)牽引力（制動(dòng)力）的最大化，具有較高的實(shí)際推廣價(jià)值。

［1］ EN 15595：RAILWAY APPLICATIONS-BRAKING-WH EEL SLIDE PROTECTION［S］.

［2］ UIC 541-05-2005：Brakes-Specifications for the construction of various brake parts-Wheel Slide Protection device（WSP）［S］.

［3］ 李江紅，馬 健，彭輝水.機(jī)車黏著控制的基本原理和方法［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2002，（6）：4-8.

［4］ 趙紅衛(wèi).機(jī)車黏著自適應(yīng)控制系統(tǒng)的研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，1998，9（4）：33-40.

［5］ 顏光耀.機(jī)車全自動(dòng)化空轉(zhuǎn)控制裝置的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2009，（4）：11-14.

［6］ 王 輝，肖 建.機(jī)車模糊黏著控制及其仿真研究［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2002，（3）：19-23，43.

Locomotive Anti-slip Method Based on the Speed Control

CAI Zhiwei，GAO Lei
（Technology Development Department，CNR Dalian Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，Dalian 116022 Liaoning，China）

The present locomotive anti-slip control methods are briefly introduced，and an anti-slip control method based on the speed control is proposed.Test results show that this method based on the speed control can effectively prevent the occurrence of traction idling and brake sliding，can get maximum usage of adhesion，and can realize the all-weather anti-slip control for locomotives.

speed control；anti－slip control；traction；brake；adhesion

U260.37

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.05

1008－7842（2014）01－0028－06

5—）男，高級(jí)工程師（

2013－08－16）