廣州地鐵速度120 km/h車輛自主牽引系統防滑控制策略優化

高 偉, 鄭 玄

(廣州市地下鐵道總公司 運營事業總部車輛新線部， 廣州廣東 510310)

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廣州地鐵速度120 km/h車輛自主牽引系統防滑控制策略優化

高 偉, 鄭 玄

(廣州市地下鐵道總公司 運營事業總部車輛新線部， 廣州廣東 510310)

闡述了地鐵車輛輪軌間的黏著特性，介紹了廣州地鐵3號線120 km/h車輛自主牽引系統的黏著控制策略，重點對列車防滑控制邏輯進行分析，包括滑行檢測邏輯和力矩減載恢復邏輯。試驗表明，自主牽引系統的防滑控制邏輯能有效檢測到滑行現象，及時對力矩進行調整，有效提高了黏著控制性能。

地鐵列車； 120 km/h； 自主牽引系統； 防滑控制

廣州地鐵3號線列車采用的是4動2拖6節編組地鐵B型車輛，最高速度120 km/h，其中1列車為國內首次開發的具有自主知識產權的B型地鐵120km/h的牽引系統，最初設計的防滑控制邏輯在列車試驗過程中多次發生無法準確監控或有效防止列車滑行的現象。為此，經過研究、優化和試驗驗證，探索出了適應于120 km/h車輛自主牽引系統的防滑控制邏輯。

1 防滑控制邏輯原理

迫使地鐵車輛減速的制動力是由車輪和鋼軌間的切向相對運動傳遞的。在一定范圍內，隨著這種相對運動的速度增大，輪軌間能夠有效傳遞的制動力也增大；但是當相對運動速度超過某一閾值后，能夠傳遞的制動力將不再增大而是迅速減少。黏著特性就是指能夠傳遞的制動力與車輪和車體的切向相對運動速度(下稱蠕滑速度)之間的關系[1]。制動時，蠕滑速度vs與車輪速度vwheel和列車速度vvehicle的關系如下[2]：

黏著系數μ定義為列車能夠有效發揮的制動力F與列車軸重M之比[3]：

圖1給出了不同路況的下的黏著特性曲線。可以發現，雖然不同路況下的曲線互不相同，但在各種路況下都存在黏著系數最大值μmax。記μmax對應的蠕滑速度為vSopt，稱(vSopt,μmax)為最佳黏著點，如圖1中的A、B點。顯然，不同路況下對應的最佳黏著點也不同，并且只有當黏著系數為最大值μmax時，輪軌間能夠傳遞的制動力最大。因此，為了使列車在各種路況下都能夠有效發揮制動力，列車必須運行在當前路況下的最佳黏著點[4]。黏著控制的目標就是在機車運行過程中，使實際的黏著系數盡量逼近于當時路況的黏著系數最大值μmax，從而獲得最大的平均制動力[5]。

圖1 不同路況下的黏著特性曲線

目前普遍采用的黏著控制方法有校正法、蠕滑速度法(可以分為直接法、間接法)、黏著斜率法等[6-7]。隨著黏著控制理論和工程化的不斷發展，各種新型黏著控制方法被相繼提出，黏著控制性能得到不斷完善。為了將廣州地鐵3號線120 km/h地鐵車輛自主牽引系統的黏著控制性能提高到一個更高的水平，提出了新的防滑控制邏輯。

2 速度120 km/h列車防滑控制邏輯的分析

2.1 原有防滑控制邏輯

原有防滑控制邏輯采用校正法，通過采集輪對電機速度和列車參考速度，計算電機減速度和減速度微分，同時計算輪對間的速度差和電機與參考速度之差(即蠕滑速度)，然后分別利用以上指標進行防滑控制。防滑控制模塊包括輪對減速度保護模塊、輪對減速度微分保護模塊、輪對速度差保護模塊、輪對蠕滑速度保護模塊，分別介紹如下。

(1)輪對減速度保護模塊

減速度保護控制是通過檢測輪對減速度a是否超出設定的閾值a0，并在輪對減速度超出設定的閾值a0時，根據減速度的大小降低電制動力矩設定值以抑制或防止滑行現象的發生，如圖2所示。

圖2 減速度保護功能圖

(2)輪對減速度微分保護模塊

輪對減速度微分保護的基本原理是通過計算和監測輪對減速度微分保護閾值與減速度微分的差值Δ，按照圖3所示的控制算法進行黏著控制，實現最佳的黏著利用控制。

圖3 減速度微分保護功能圖

(3)蠕滑速度保護模塊

蠕滑速度保護的基本原理是通過計算比較拖車速度(網絡計算出的列車綜合速度)和輪對速度之間的差值，并根據差值按照一定的關系調整電制動力矩設定值，使得地鐵車輛在發生滑行時能夠從這些狀態中迅速退出并重新恢復黏著，如圖4所示。

圖4 蠕滑速度保護功能圖

(4)輪對速度差保護模塊

當車輛任意兩輪對間的速度差|Δv|大于設定閾值Δvgate時，認為車輛已發生較大滑行，將電制動力矩設定值迅速降低，如圖5所示。

圖5 輪對速度差保護功能圖

(5)黏著力矩輸出模塊

黏著力矩輸出為綜合以上各個環節調節后的輸出和來自控制系統的力矩設定值產生最終的來自電機逆變器的力矩設定值，如圖6所示。

圖6 黏著力矩輸出計算

2.2 優化后防滑控制邏輯

優化的防滑控制邏輯仍然采用校正法，但力矩調節反應速度和調節幅度均有較大改善，同樣通過采集輪對電機速度和列車參考速度，計算電機減速度，同時計算輪對間的速度差和電機與參考速度之差(即蠕滑速度)，取消電機減速度微分保護功能，分別利用以上指標進行防滑控制。由于原有的減速度微分保護中的減速度微分是通過減速度再次微分計算得到的，誤差會有所增大，容易對防滑判斷產生負面影響，且在調試過程中減速度微分保護過于超前保護，因此，優化后的防滑控制邏輯取消了減速度微分保護。防滑控制模塊除取消電機減速度微分保護模塊外，保留了輪對減速度保護模塊、輪對速度差保護模塊、輪對蠕滑速度保護模塊，并對滑行檢測邏輯和力矩減載和恢復策略進行了優化，各個模塊的優化分別介紹如下。

(1)輪對減速度保護模塊優化

減速度保護控制的原理與原有基本一致，但減速度保護閾值a0由原來的固定不變值優化為根據速度等級動態變化值，即：

a0=f(v)

力矩調整策略由原來的固定斜率減載優化為通過減速度實際值a與減速度保護閾值a0之差Δ作為力矩減載大小的參數，即目前減速度保護模塊的力矩減載大小與Δ相關，即：

(2)蠕滑速度保護模塊優化

蠕滑速度保護的原理與原有基本一致，但蠕滑速度保護閾值b0由原來的固定不變值優化為根據蠕滑率大小動態變化值，即：

b0=f(vr)

力矩調整策略由原來的固定斜率減載優化為使用蠕滑速度大小作為力矩減載大小的參數，即目前蠕滑速度保護模塊的力矩減載大小與vr相關，即：

(3)輪對速度差保護模塊優化

輪對速度差保護的原理與原有基本一致，只調小了保護閾值，使得輪對速度差保護更加嚴格。

輪對速度差保護的力矩調整策略由原來的固定斜率減載優化為使用速度差大小作為力矩減載大小的參數，即目前蠕滑速度保護模塊的力矩減載大小與Δv相關，即：

(4)黏著力矩輸出模塊優化

當前黏著力矩輸出模塊與原有模塊有不同，當前模塊是利用采集和計算得到的判據對各個環節單獨判斷后的調整值進行一定的加權，該加權值綜合了各個環節判斷時的嚴重程度，使得力矩減載更加合理，也大大減少了誤判滑行的概率。

3 調試與優化效果

3.1 調試過程中解決的問題

(1)解決干軌條件下偶爾出現力矩減載的問題

通過對滑行判斷條件的優化，具有一定的干軌條件識別功能，使得判斷更準確。

(2)解決濕軌條件下黏著力矩卸載幅度、波動比較大的問題

通過調整黏著力矩的卸載和恢復斜率，并且閾值具有一定的動態變化，使得力矩卸載波動變得平緩。

(3)解決濕軌條件下電制動力切除問題

通過將電制動工況下黏著判斷的閾值進行一定的調整，黏著力矩發揮在原有基礎上有所提高，并且放寬邏輯切除電制動的條件，使得在濕軌條件下電制動不再被切除。

3.2 優化效果

黏著控制方案在120 km/h地鐵車輛進行了試驗驗證，分別在干燥軌面和灑水軌面上進行了防滑試驗，灑水試驗時水中含有5%的增滑劑，圖7和圖8分別是干軌條件和濕軌條件的試驗波形，由波形可知，干軌條件下未出現力矩減載，濕軌條件下力矩減載平穩，波動幅度不大，試驗過程中車輛運行平穩。

目前，一般通過黏著利用效率來衡量和評估在當前軌面條件下黏著力矩發揮效果，黏著利用效率公式如下：

經驗證，干軌條件下黏著利用率達到95%以上，電制動力矩設定值未超出能發揮的最大黏著力矩；濕軌條件下黏著利用率達到85%以上，完全符合試驗要求。

圖7 120 km/h防滑試驗數據波形(干軌)

圖8 120 km/h防滑試驗數據波形(濕軌)

4 結束語

通過對原有防滑控制邏輯的進一步優化，應用于廣州地鐵3號線120 km/h地鐵車輛自主牽引系統的黏著控制性能有了較大幅度的提升，其在各速度等級下的AW0和AW2濕軌條件下黏著利用率均大于85%，完全滿足試驗要求。通過優化判斷閾值，提高了黏著判斷滑行準確率，改善了滑行情況下黏著力發揮能力。后續應用表明，優化后的黏著控制方法具有較強的適應路況變化的能力，黏著力矩變化平穩，有利于減少輪對損耗，提高軌道車輛的性能和舒適度。

[1] 萬 廣 .機車黏著控制技術現狀與發展[J]. 機車電傳動. 1996，(22)：1-4,7.

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

[3] 彭輝水，陳華國，曾 云，等. 基于加速度微分黏著控制方法的仿真研究[J].機車電傳動.2010，(2)：26-27,32.

[4] 李江紅，陳華國，胡照文.國產化北京地鐵車輛的黏著控制[J].機車電傳動.2005，(6)：41-42.

[5] 李江紅，胡照文. 影響鐵路機車運行品質的因素分析[J].機車電傳動，2010，(3)：53-54,63.

[6] J. Miehael Hasemann. A Fuzzy Controller to Prevent Wheel Slippage in Heavy Duty off Road Vehicles [J]. IPEC-Toykyo.1994.(21).

[7] A.D.Cheok, S.Shiomi. Combined heuristic knowledge and limited measurement based fuzzy logic antiskid control for railway applications [J]. IEEE Transactions on systems，man and cybernetics.2000，(3).

Optimization of Anti-skid Control Strategy for Guangzhou Metro 120 km/h Vehicle Independent Traction System

GAOWei,ZHENGXuan

(New Line of Vehicles Department, Operation Division, Guangzhou metro Corporation, Guangzhou 510310 Guangdong, China)

The paper presents the characteristic of adhesion between wheel and rail of metro vehicle, and introduces the adhesion control strategy of 120 km/h metro vehicle independent traction system on Guangzhou line 3. It specially analyzes the anti-skid control logic, including slide detection logic and torque load reduction recovery logic. Tests results that the slide phenomenon can be detected effectively torque can be adjusted timely by the anti-skid control logic, and the adhesion control performance can be improved effectively.

metro vehicle; 120 kph; independent traction system; anti-skid control

1008-7842 (2015) 03-0127-04

男，工程師(

2015-02-11)

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.31