基于LabVIEW的地铁列车牵引制动模拟试验台设计

2018-11-09王月明

铁路计算机应用 2018年10期

陈超，王月明，王立，杨凯

（1.西南交通大学机械工程学院，成都 610031；2. 南京铁道职业技术学院机车车辆学院，南京 210031）

地铁列车作为运输设备，是地铁系统最为重要的组成部分之一。地铁列车在区间运行时由起动加速、惰行和制动过程组成，由于起动和制动加速度较大，地铁列车的起动加速性能和制动性能要求较高。因此，在教学和培训中需要对地铁列车的运行过程，特别是起动加速、惰行、制动3种工况进行深入的模拟研究[1]。目前的地铁列车运行模拟方式多侧重于数值仿真，不够形象直观，并且缺乏车辆运行的整体效果，难以适应课堂教学和演示的需要[2-3]。

本文介绍一种基于LabVIEW的地铁列车牵引制动模拟试验台，该装置能够模拟地铁列车起动加速、惰行、制动过程的运行状态，形象地反映出地铁列车牵引系统和制动系统的工作方式，在给出的起始条件下预测和仿真地铁列车的整个运行过程。

1 模拟试验台总体方案

1.1 试验台组成

模拟试验台由计算机和模拟装置组成，其中，模拟装置按照功能可以分成3个部分：牵引部分、制动部分和监测部分。牵引部分由变频器、交流减速电机和制动圆盘组成；制动部分由程控电源、电动推杆和制动夹钳装置组成；监测部分由数据采集卡、反射式光电传感器和压力传感器组成。模拟装置的机械结构如图1所示，实物图如图2所示。

图1 试验台机械结构

图2 试验台实物

1.2 试验台设计原理

模拟试验台可以模拟地铁列车的运行状态以及其牵引装置、制动装置的工作情况。地铁列车的运行状态指列车的速度大小与时间的关系。在本模拟试验台中，制动圆盘的转速模拟列车的速度，三相交流电机模拟列车的牵引装置，制动夹钳模拟列车的盘式制动装置。

从能量的角度看，用制动圆盘的转速来模拟车辆的速度，就是用制动圆盘的动能模拟列车的动能，由此建立惯性等效模型[4-5]。

地铁列车在空间内平动，式（1）为列车一节车厢的动能表达式。

式（1）中：

E—列车一节车厢的动能（J）；

M—列车一节车厢的质量（kg）；

γ—回转质量系数；

ν —列车的运行速度（m/s）。

制动圆盘绕着交流电机的轴线作定轴转动，式（2）为其动能表达式。

式（2）中：

E—电机–制动圆盘系统的动能（J）；

J—电机–制动圆盘系统的转动惯量（km・m2）；

ω—制动圆盘的角速度（rad/s）。

由于地铁具有的动能远大于制动圆盘系统所具有的动能，故引入比例系数k，令地铁1节车的动能为制动圆盘动能的k倍，见式（3）。

在试验台的设计中，让制动圆盘的转速与实车车轮的转速相等。由于地铁列车的制动盘就安装在车轮轴上，这样制动圆盘的转速就与实车制动盘的转速相等，能够更加真实地模拟地铁列车制动系统的工作情况。由此得到式（4）。

式（4）中：

ν —列车运行速度（m/s）；

ω—车轮的角速度，即制动圆盘的角速度（rad/s）；

D—地铁车轮的直径（m）。

由于地铁车轮的直径会随着使用中的磨损逐渐变小，所以当车速一定时，车轮直径小的角速度高。当列车速度为80 km/h时，不同车轮直径对应的车轮转速n见表1。

表1 车速为80 km/h时车轮转速与轮径对应关系

根据表1可得，列车以80 km/h的速度运行，当车轮磨耗到限时，转速达到551 rpm的最大值，此时制动圆盘需要达到551 rpm的转速。通过调整变频器的输出频率，三相交流电机可以达到的最高转速为653.4 rpm，本试验台在该转速下可以模拟地铁列车速度为95 km/h时的运行情况。

在地铁列车起动加速、惰行、制动的不同工况下，通过对三相交流电机和制动夹钳装置的控制实现制动圆盘的转速与实车车轮转速相等、制动夹钳与实车盘式制动装置工作状态相似，达到数值仿真和实物模拟相结合的目的。

1.3 系统硬件选择

地铁列车牵引制动模拟试验台由计算机作为人机交互界面，用以设定试验参数，观察设备运行状况，其硬件的结构原理方框图如图3所示。计算机实现人机交互功能及向下级设备发送指令；数据采集卡模拟输入口采集压力传感器传送的压力信号；模拟输出口发送0～10 V控制信号给变频器，从而控制交流电机的转速；计数器口接光电式传感器，计算圆盘的实际转速，实现对速度的闭环控制；数字输出口搭配继电器用以控制交流电机的正反转和直流电动推杆的行进方向；程控电源与计算机通过串口相连，用以控制直流电动推杆电压电流的大小，即制动力的大小。

试验台采用了反射式光电传感器来测量制动圆盘的转速。通过在制动圆盘外缘粘贴黑白相间的条纹产生脉冲，计量单位时间的脉冲个数推算出交流电机的实际转速。在测量闸片对制动圆盘的压力时，将电动推杆与弹簧测力计首尾相连，可以在弹簧测力计上直接读出示数，即制动圆盘与闸片间的压力。测量制动圆盘和闸片间的摩擦力时，将压力传感器固定在制动夹钳的支座上，压力传感器读数的变化量即可反映两侧闸片受到的摩擦力。在控制直流电动推杆的动作时，由于程控电源并不能直接改变电流的方向，故采用了2个两闭两开继电器组合的方式实现电动推杆的换向操作。表2所示为本试验台涉及的各硬件的型号。

图3 试验台硬件结构原理方框图

表2 试验台各硬件型号

2 模拟试验台控制系统搭建

地铁列车牵引制动模拟试验台控制程序的开发通过LabVIEW软件编程实现。LabVIEW使用的是图形化编程方式，产生的程序是框图的形式。具有开发周期短，程序结构直观的特点[6]，有较好的仪器控制能力和数据处理能力，可增强试验台的实用性和为二次开发提供更为便利的条件。

试验台的控制系统从结构上可以分为两个部分：（1）用户交互界面；（2）后台应用程序。

2.1 用户交互界面设计

用户交互界面在计算机上直观地显示为主窗口界面，它直接与用户进行交互。该部分主要功能为设定试验台仿真的参数，包括列车的质量、功率、线路条件等；实时显示与存储相关的试验数据，包括圆盘的转速、闸片的压力与制动力等，如图4所示。通过用户交互界面还可以实现对试验台的实时控制，通过牵引、惰行和制动指令的切换，实现列车在区间内多工况连续运行的模拟。在试验结束后，可以保存和提取所需的试验数据，以便进一步分析。

图4 用户交互界面

2.2 后台应用程序设计

该部分包括交流电机控制程序、电动推杆控制程序、数据监测程序以及列车运行状态仿真程序。本部分是整个试验台测控系统的核心，图5所示为后台应用程序的流程图。在一个仿真周期内，数据监测程序测量制动圆盘转速等物理量，输入列车运行状态仿真程序，计算得到各个时刻闸片压力和圆盘转速的理论值。当理论值与实测值不同时，交流电机控制程序和电动推杆控制程序控制试验台的相关部件工作，直至实测值与理论值相符合。当制动圆盘转速为0时，表示列车完成了一个区间的连续运行，该仿真周期结束。

图5 后台应用程序流程图

交流电机的控制通过计算机和变频器实现。列车运行状态仿真程序计算出某时刻制动圆盘所需的转速和转向，经过交流电机控制程序处理后，将转速模拟信号输入变频器的电压频率变换（VF）口，其输入电压0～10 V对应变频器输出频率0～50 Hz；将转向数字信号分别输入变频器的正向运行/停止（FWD）和反向运行/停止（REV）口[7]。

电动推杆的控制通过计算机、程控电源以及两个继电器配合实现。程控电源与计算机通过串口线相连，通过串口的读写实现对程控电源输出值的控制。控制程序的主体为一个LabVIEW事件，其可以通过控制电压电流大小来实时改变电动推杆的推力。由于程控电源响应时间有所限制，故在每个事件开始前均设置了50 ms的延时[8]。电动推杆通过两个反向连接的继电器实现换向操作，体现在实车上即制动的施加与缓解的过程。

数据监测程序实现了对试验台运行的关键参数的实时采集与回传，包括了对制动圆盘转速、制动力、变频器输出频率等测量的子程序。所采用的程序即是通常的数据采集模块。

列车运行状态仿真程序是根据在用户交互界面中输入的列车及线路的信息，计算出列车的速度随时间的变化关系。根据惯性等效模型，地铁车轮的转速即为试验台制动圆盘的转速。将此计算结果作为所需的目标转速输入交流电机控制程序中，实现制动圆盘模拟实车运动状态的效果。

由于地铁列车实际的运行状态包括起动加速、惰行、制动过程，因此列车运行状态仿真程序也包含了起动加速、惰行、制动3种模式，并可以在一次连续的模拟过程中任意切换。图6为列车运行状态仿真程序的流程图。通过输入的列车信息与线路信息计算出该状态下列车的受力情况，积分得到车速、里程等数据输出。当车速为0时，表示列车完成了一个区间的连续运行，一个仿真周期结束。

3 地铁列车运行状态模拟效果

通过用户交互界面输入车辆及线路的信息后，进行地铁列车运行状态的仿真试验。从静止开始进入起动加速模式，一段时间后转入惰行模式，最后转入制动模式直至停止，模拟了地铁列车在一个区间里的运行情况。在这个过程中，牵引力和制动减速度可以随时调节，线路坡度也随里程变化，试验台上制动圆盘转速与实车车轮转速保持同步，达到了数值仿真和实物模拟的效果。图7、图8为不同条件下模拟列车在一个区间的运行情况。