機車電機械制動制動力控制研究與應(yīng)用

丁劍

摘要：本文針對內(nèi)燃機車空氣制動系統(tǒng)體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，響應(yīng)時間慢等缺點，將電機械制動系統(tǒng)應(yīng)用于內(nèi)燃機車，并將自抗擾控制技術(shù)（active disturbance rejection controller，ADRC）運用于制動力閉環(huán)控制。結(jié)合電流傳感器采集到的反饋電流和編碼器位置信號，實現(xiàn)了對列車機械摩擦制動力精確調(diào)節(jié)。最終基于TI 公司的TMS320F28335 芯片進行軟硬件設(shè)計，將控制算法集成到電子制動控制單元，完成了電機械制動系統(tǒng)硬件在環(huán)測試，驗證了控制算法性能。

Abstract： Aiming at the disadvantages of the air brake system of diesel locomotives such as large volume， complex structure， slow response time， etc.， this article applies electromechanical brake system to diesel locomotives，and the active disturbance rejection controller is applied to the closed-loop control of the brake force.Combined with the feedback currents collected by the current sensor and the position signal of the encoder， the brake force can be applied and released precisely.Finally， based on TI’s TMS320F28335 chip， the software and hardware are designed， the control algorithm is integrated into the electronic brake control unit， the hardware-in-the-loop test of the electromechanical brake system is completed， and the performance of the control algorithm is verified.

關(guān)鍵詞：電機械制動;自抗擾;制動力閉環(huán);內(nèi)燃機車

Key words： electromechanical braking;active disturbance rejection;braking force closed-loop;diesel locomotive

中圖分類號：U260.31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0009-04

0? 引言

內(nèi)燃機車制動系統(tǒng)多采用電空制動系統(tǒng)，將電信號通過電空閥轉(zhuǎn)換為所需要的壓力信號，通過壓縮空氣進入制動缸推動閘片形成制動力。由于空氣的可壓縮特性，這種制動方式響應(yīng)慢，而且精度受外界不確定因素影響非常大。電機械制動系統(tǒng)采用電子部件驅(qū)動電機，再通過傳動機構(gòu)將驅(qū)動力直接施加在踏面單元上，最后由踏面單元與車輪產(chǎn)生的摩擦力對機車進行減速。電機械制動技術(shù)擁有響應(yīng)時間短、控制精度高、控制效率和可靠性高以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。目前，國內(nèi)對內(nèi)燃機車電機械制動系統(tǒng)的研究還相對處于起步階段，國外的研究也主要集中在航空器和汽車的制動力控制上，對于內(nèi)燃機車制動的制動力建立過程研究較少。

電機械制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)主要由電機、傳動裝置及制動單元組成。從現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型文獻[1]可知，電機的力矩輸出和電流給定呈現(xiàn)出比較明顯的線性關(guān)系，而其它機械傳動機構(gòu)則呈現(xiàn)出明顯的非線性特征，導(dǎo)致實際制動力輸出存在較大的跳變與滯后。控制模型的高度非線性給制動力的精準線性控制帶來了極大挑戰(zhàn)，目前在列車空氣和液壓制動系統(tǒng)中普遍采用經(jīng)典PID進行制動力調(diào)節(jié)。

文獻[2]研究了一種模糊PID方法，并用于制動力的施加，此方法只完成了仿真分析，且并不能滿足軌道交通制動系統(tǒng)的控制要求;文獻[3]介紹了自抗擾控制技術(shù)，該技術(shù)有效克服了傳統(tǒng)閉環(huán)算法響應(yīng)慢和超調(diào)大的缺點，具有高穩(wěn)定性。在控制工程中，自抗擾控制技術(shù)的地位越來越顯著。本文將自抗擾控制技術(shù)運用于制動力閉環(huán)控制，并結(jié)合實際電機械制動系統(tǒng)工程應(yīng)用場景，驗證了控制算法有效性。

1? 電機械制動控制簡介

內(nèi)燃機車電機械制動制動力控制原理如圖1所示，其中電機采用三相同步永磁電機，通過機械傳動裝置將電機輸出力矩轉(zhuǎn)化為制動力施加到制動盤上，編碼器用于采集電機轉(zhuǎn)子位置信息，力傳感器用于采集制動盤夾緊力。整個力控制采用制動力閉環(huán)和電流閉環(huán)的組合控制方法，其中電流閉環(huán)采用目前應(yīng)用最廣泛的空間矢量控制，制動力閉環(huán)采用自抗擾控制器，控制器根據(jù)力傳感器采集的制動夾緊力輸出目標iq實現(xiàn)最終夾緊力控制。

2? 力閉環(huán)ADRC控制器

自抗擾控制器是針對經(jīng)典PID（proportion integral differential）的缺陷而設(shè)計出的一種控制算法。基本原理是先通過合理方法對目標期望值進行跟蹤過渡，通過擴張狀態(tài)觀測器實時監(jiān)控外部反饋，計算出控制對象總擾動，給控制量對于擾動的補償，最后通過非線性組合對系統(tǒng)誤差和擾動補償進行加權(quán)計算出控制信號，穩(wěn)定地控制目標系統(tǒng)。

本系統(tǒng)中期望輸入為目標制動力F*，觀測量為力傳感器采集到的實際制動力F，b為補償系數(shù)，輸出控制信號為目標控制電流iq*，制動力力閉環(huán)控制框圖如圖2。

3? 控制算法工程實現(xiàn)

內(nèi)燃機車制動系統(tǒng)中，一般由電子制動控制單元進行整車制動力控制，本系統(tǒng)電子制動控制單元硬件采用TMS320F28335作為主控芯片，工作主頻為150MHz。電子制動控制單元硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，對于每一組電機械制動單元，配置有2路電流采集接口用于采集電機A、B相電流ia，ib，1路RS422接口用于控制位置編碼器使能與位置信號接收，1路力傳感器接口用于采集實際制動力，6路脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）輸出用于智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）驅(qū)動以及1路CAN總線接口用于制動力指令接收和系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳。

3.1 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)每次上電或者復(fù)位后，先對系統(tǒng)進行初始化，初始設(shè)定控制參數(shù)并且通過對單相接入直流電的方式記錄轉(zhuǎn)子初始位置。初始化完成后開啟PWM中斷，執(zhí)行電機控制主處理函數(shù)，執(zhí)行周期為100us。系統(tǒng)周期性地從CAN總線接收外部制動指令數(shù)據(jù)并采集外部狀態(tài)信號，計算當前電機械制動單元所需施加制動力。制動工況下，系統(tǒng)通過制動力閉環(huán)控制器計算目標電機電流iq;緩解工況下，系統(tǒng)通過位置環(huán)控制電機械制動單元與盤面間隙，最終輸出PWM信號驅(qū)動IPM模塊，實現(xiàn)制動力施加與緩解。主程序設(shè)計框圖如圖4。

3.2 試驗驗證

為了驗證控制算法實際效果和優(yōu)化控制參數(shù)，搭建了基于本系統(tǒng)的硬件實物測試環(huán)境（如圖5）。測試環(huán)境由電子制動控制單元、電機械制動單元和測試臺架組成，其中測試臺架用于模擬現(xiàn)車制動指令和實際施加制動力的采集，并為整個系統(tǒng)供電。

測試中，通過試驗臺架模擬實際內(nèi)燃機車運營制動工況，控制輸入目標制動力分階段變化，得出實際制動力和目標制動力曲線。圖6為目前應(yīng)用最為廣泛的空氣制動制動力響應(yīng)曲線，圖7為相同工況下本系統(tǒng)制動力響應(yīng)曲線。

由控制曲線可知，現(xiàn)有空氣制動響應(yīng)時間（制動力從目標制動力10%上升到90%時間）約為0.6s，整個控制過程中最大超調(diào)量約為1kN，穩(wěn)定后穩(wěn)態(tài)精度約為0.5kN。同樣工況下，本系統(tǒng)實現(xiàn)的制動力控制響應(yīng)時間約為0.2s，最大超調(diào)量約為0.4kN，穩(wěn)態(tài)精度約為0.1kN（如表1）。

與傳統(tǒng)的基于空氣和液壓的列車制動系統(tǒng)相比，電機械制動直接通過電機將電能轉(zhuǎn)換為摩擦力，無需將電能轉(zhuǎn)換為壓力再轉(zhuǎn)換為制動摩擦力，極大地提高了系統(tǒng)響應(yīng)時間。控制方法上，采用基于ADRC控制器的力閉環(huán)控制可以避免傳統(tǒng)PI控制器響應(yīng)和超調(diào)量之間的矛盾，能夠更加精確穩(wěn)定地對制動力進行控制。

4? 結(jié)論

內(nèi)燃機車制動系統(tǒng)工作環(huán)境較為惡劣，而機車運行的安全性和舒適性需要卻同時對機車的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度提出了極高的要求，在電機械制動系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的閉環(huán)控制方法很難兼顧。本文充分考慮了現(xiàn)有機車空氣和液壓制動系統(tǒng)中制動力控制的局限性，結(jié)合電機械制動系統(tǒng)的特性和優(yōu)勢，設(shè)計出了一種基于ADRC的雙閉環(huán)電機械制動力控制方法，實現(xiàn)了制動力響應(yīng)的動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)精度的同時提升，并將此方法在實際內(nèi)燃機車制動系統(tǒng)中予以實現(xiàn)和驗證。

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