地铁车辆制动电子控制单元试验台

2010-06-11陆悦超左建勇吴萌岭

城市轨道交通研究 2010年9期

关键词：制动缸采集卡工控机

陆悦超左建勇吴萌岭

(同济大学铁道与城市轨道交通研究院,201804,上海∥第一作者,硕士研究生)

当前,制动电子控制单元(BECU)已经被广泛应用于地铁车辆的制动系统中。作为车辆制动的控制核心,其可靠性及安全性对行车安全有着巨大的影响。因此必须要设计一套有较高精度和准确性的测试仪器来对BECU进行检测和试验。

1 设计方案

本BECU试验台利用工控机为核心,通过数据采集卡、PLC(可编程逻辑控制器)、继电器等外围器件,对BECU进行检测及试验。由于车辆制动系统中包含有各种形式的大量信号,如气压、载重等,所以要求本试验台具有较高的集成度、兼容性及准确性。

1.1 试验台硬件

试验台硬件主要实现控制功能和检测功能。其控制功能由工控机、PLC、执行器件、信号调理器等实现。检测功能由工控机、数据采集卡、信号调理器、压力传感器等部分组成。

在试验台电源的各个部件中,220 V的交流电直接由市电提供,其它部件需要的110 V和24 V直流电信号由变压器提供,被测微机制动单元同样由试验台内变压器提供110 V交流电。

除了如图1所示结构外,试验台还包括各个部件的电源、继电器、紧急停止按钮、显示器等。

由以上的设计方案进行了BECU试验台的制作。考虑到模拟实际车辆环境,BECU的信号分为三路输入输出,因此本试验台采用车辆上标准的接插件与微机制动单元相连接。第一路为制动控制,包括制动级位、速度输出、载重输出、容积室压力传感器、载重压力传感器、制动电磁阀、缓解、快速制动、速度限制触点输出及5路输出备用。第二路为I/O,包括紧急制动、快速制动、制动信号、保持制动、停放制动、电制动失效、车型选择、容积室压力开关、编组选择、摩擦制动已施加、公里信号、摩擦制动触点输出、速度限制触点输出及备用输入输出。第三路为防滑控制,包括4个速度传感器输入、4个防滑电磁阀保压和排风。

1.2 部件组成

图2为本试验台的实物图。整个试验台由机箱、工控机、电气单元等组成。

1.2.1 工控机

工控机为此试验台的核心,其硬件上通过PCI总线与三块数据采集卡连接,实现数据采集。通过PC-PPI连接线将 USB(通用串行总线)与PLC的RS-485口连接,向PLC输出试验参数以及指令,并接收PLC输入的来自BECU的信号。工控机软件上使用Labview作数据采集和控制的核心。

图1 试验台结构框图

图2 试验台及BECU

1.2.2 PLC单元

在本试验台中,采用PLC对部分的模拟量和数字量进行输入和输出。PLC的CPU模块采用西门子公司的产品,并添加2块模拟量模块和1块数字量模块作为扩展。

其中PLC数字量输出包括编组选择、保持制动、快速制动、非制动信号、停放制动施加、摩擦制动施加、速度限制信号等。数字量出入包括三组故障信号、摩擦信号、紧急阀、紧急保护阀、公里信号、CV压力开关等。模拟量输出包括模拟载重传感器信号,模拟量输入包括容积室传感器信号、速度信号、载重信号等。图3为本试验台PLC安装实物。PLC主机与3个扩展间用扩展电缆连接。PLC与工控机间用PC-PPI电缆连接。

图3 试验台安装的PLC

1.2.3 数据采集及控制单元

在制动系统中,有部分信号的采集与控制必须要有极高的准确性和实时性。例如BECU对于车辆轴速的采集,必须能精确检测到轴速信号,并及时判断轮对是否被抱死,快速进行防滑控制。因此,本试验台为尽量降低数据读入的延时,提高检测精度,使用了NI公司生产的数据采集卡。本试验台将数据采集卡1输出4路脉冲信号来模拟车辆上的4个轮对的轴速。此卡最高电压输出为5 V,车辆上的轴速信号为±15 V,所以通用信号调理板将信号转换隔离后传输给BECU。数据采集卡2采集防滑阀反馈信号。数据采集卡3负责采集来自电流型气压传感器的信号。采用电流型气压传感器有利于提高抗干扰能力,增强信号精度。数据采集卡3带有A/D转换,并将经转换后的数字信号传向工控机。2块数字量信号采集卡和1块模拟量信号采集卡采样频率都达到了 80 MHz,具有很高的采样速度和精度。

1.2.4 系统抗干扰设计

对于试验台来说,各个信号的采样频率对于试验的准确性有着至关重要的意义。要确定适当的采样频率,需要综合考虑被测信号的最好频率成分,以及试验系统所要求达到的精度、系统的噪声和信号调理板的性能。

信号干扰试验系统主要有电磁干扰、信道干扰、电源干扰等3个方面。根据本试验台实际情况,采取的抗干扰方法主要有:①采用差分信号。由于差分电路的工作取决于两个信号线上信号之间的差值,同周围的噪声相比,得到的信号就是任何一个单端信号的两倍大小。所以,在其它所有情况都一样的条件下,差分信号总是具有更高的信噪比,因而提供更高的性能。②屏蔽设计。由于BECU在较密集的空间内输入输出多种不同形式的信号,这些信号会互相干扰、劣化。因此试验台与微机制动控制单元间的连接都采用了屏蔽线等方法来降低电磁干扰。

2 测控及试验

2.1 控制软件及流程

试验台软件核心使用labview实现,包括数据采集、处理及控制程序。

人机界面和控制算法基于labview软件,可以对BECU电源、直连、电制动失效、数字量输入、6/8编组数量、动车或拖车等选择,可以模拟包括保持制动、快速制动、摩擦制动已施加、停放制动已施加、非制动信号、CV压力开关、紧急制动等信号,能对载重传感器、容积室传感器输出值进行调整。图4为软件控制界面,相当于传统仪器的控制面板和显示面板。

图4 试验台人机交互界面

图5为控制程序的简化流程图。该程序的功能是接受参数设定,并按照这些参数对BECU进行试验。程序启动后,上位机启动与PLC、数据采集的通信。

2.2 试验台试验

本试验台有多种试验功能,此处选取紧急制动试验、防滑试验、阶段制动试验和阶段缓解试验等进行说明。

图5 试验台控制程序流程图

由图6可知:

(1)4个制动缸压力由250 kPa上升到目标压力820 kPa的平均时间为3.1 s,制动缸达到90%满负载压力的紧急制动响应时间为2.1 s左右,基本满足设计要求。

(2)4个制动缸压力重合度略有偏差,这是由于充气管路长短、弯折情况不同而影响了气压变化的时间。

(3)制动缸缓解时,压力从最大下降到250 kPa需要5.5 s。

图6 紧急制动制动缸压力上升及下降曲线

图7和图8为本试验台进行的BECU防滑控制试验,由上位机模拟车辆4个轴的轴速信号。试验开始时,将4个轴速设定为相同值,并开始制动,可以看到最初4个制动缸压力基本相同;此时,降低1个轴的轴速,模拟此轴上的轮对打滑。试验结果证明,此时BECU能够准确做出判断,并降低此轴上的制动缸压力,缓解制动力。

图9为本试验台进行的阶段制动及阶段缓解试验图,可以看到试验台发出DC 60 V 400 Hz的PWM(脉宽调制)制动级位信号对制动级位进行控制。由图上试验结果可以看到,本试验制动级位清晰、信号稳定、无较大失真,可较好模拟列车的司机制动控制器实现阶段制动和阶段缓解试验。此外,本试验台还能实现无级调速。