王華潘波

小型地鐵列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)*

王華1潘波2

（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，210031，南京；2.寧波市職業(yè)技術(shù)教育中心學(xué)校，315041，寧波//第一作者，高級工程師）

設(shè)計(jì)了一個(gè)用于仿真地鐵列車牽引制動(dòng)性能的小型試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)能夠模擬地鐵列車起動(dòng)加速、惰行和制動(dòng)過程。其以計(jì)算機(jī)為控制核心，通過LabVIEW軟件和數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，采用變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向的方法實(shí)現(xiàn)地鐵列車起動(dòng)加速和惰行的模擬，采用程控電源及制動(dòng)夾鉗裝置控制電動(dòng)推桿的方法實(shí)現(xiàn)地鐵列車制動(dòng)的模擬。整個(gè)裝置成本低、體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)行穩(wěn)定流暢，較好地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制功能。

地鐵列車；牽引制動(dòng)；試驗(yàn)臺(tái)

First-author′s addressNanjing Institute of Railway Technology，210031，Nanjing，China

地鐵列車的運(yùn)行過程是由若干個(gè)起動(dòng)加速、惰行和制動(dòng)過程組成的。由于站間距較短，列車起停頻繁，起動(dòng)和制動(dòng)加速度較大，為此，在實(shí)際生產(chǎn)和教學(xué)實(shí)踐中有必要對地鐵列車的運(yùn)行過程，尤其是起動(dòng)加速、惰行、制動(dòng)三大環(huán)節(jié)進(jìn)行深入的研究［1］?，F(xiàn)有的地鐵列車運(yùn)行模擬手段，大多強(qiáng)調(diào)參數(shù)的準(zhǔn)確性，力圖真實(shí)還原列車的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。這類模擬有的側(cè)重于數(shù)值仿真，不夠形象直觀，而有的則架構(gòu)龐大，系統(tǒng)復(fù)雜，用于課堂教學(xué)和展示可行性低［2-3］。

本文設(shè)計(jì)的小型地鐵列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)對地鐵列車起動(dòng)加速、惰行、制動(dòng)過程的模擬，能夠形象地反映出牽引系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，能夠定性地測出牽引制動(dòng)過程中的主要參數(shù)，能夠在給定的初始條件下預(yù)測和仿真地鐵列車的運(yùn)行狀態(tài)，并且結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小質(zhì)量輕，易于拆卸搬運(yùn)，適合課堂和實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)演示環(huán)境。

1 試驗(yàn)臺(tái)組成與工作原理

試驗(yàn)臺(tái)由牽引、制動(dòng)和監(jiān)測3個(gè)部分組成。其中牽引部分由變頻器、交流電機(jī)、制動(dòng)圓盤組成；制動(dòng)部分由程控電源、直流電動(dòng)推桿、制動(dòng)夾鉗裝置和繼電器組成；監(jiān)測部分由數(shù)據(jù)采集卡、反射式光電傳感器、壓力傳感器組成。試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中重點(diǎn)顯示了試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，省去了變頻器、程控電源、傳感器等電子設(shè)備。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)臺(tái)工作原理：牽引部分通過計(jì)算機(jī)將轉(zhuǎn)速大小或轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制指令傳遞給數(shù)據(jù)采集卡；采集卡向變頻器輸入對應(yīng)的模擬控制信號(hào)或數(shù)字控制信號(hào)；變頻器接收到指令后，輸出對應(yīng)頻率或改變電壓相位，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的目的。制動(dòng)部分通過計(jì)算機(jī)將制動(dòng)力大小和方向控制指令傳遞給程控電源和換向器，當(dāng)接收到相應(yīng)指令后，程控電源輸出對應(yīng)電壓及電流來控制電動(dòng)推桿的推力大小，換向器來決定電動(dòng)推桿的伸縮方向（制動(dòng)及緩解）。電動(dòng)推桿的自由端與一個(gè)管型測力計(jì)相連，共同組成一個(gè)用于夾緊慣性圓盤的制動(dòng)夾鉗裝置，該裝置可以將電動(dòng)推桿的推力作用在慣性圓盤上，從而達(dá)到制動(dòng)的目的。監(jiān)測部分通過反射式光電傳感器監(jiān)測制動(dòng)圓盤的實(shí)際轉(zhuǎn)速，通過壓力傳感器監(jiān)測制動(dòng)圓盤與閘片間的摩擦力。

2 總體設(shè)計(jì)方案與硬件選型

試驗(yàn)臺(tái)可通過人機(jī)交互界面設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)而觀察試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行狀況。圖2為試驗(yàn)臺(tái)組成結(jié)構(gòu)原理方框圖。由圖2可知，系統(tǒng)工作時(shí)，控制指令一般通過人機(jī)交互設(shè)備（計(jì)算機(jī)）向下級設(shè)備發(fā)送，數(shù)據(jù)采集卡和程控電源作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)在接受到控制指令后控制交流電機(jī)和電動(dòng)推桿動(dòng)作，從而帶動(dòng)被控對象制動(dòng)圓盤和制動(dòng)夾鉗裝置實(shí)現(xiàn)牽引、惰行和制動(dòng)的模擬。最后，壓力傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器作為檢測變送環(huán)節(jié)向計(jì)算機(jī)返回試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行狀況。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)組成結(jié)構(gòu)原理方框圖

在轉(zhuǎn)速的測量過程中，系統(tǒng)采用了反射式光電傳感器，即在制動(dòng)圓盤的邊緣粘貼黑白相間的條紋，通過計(jì)量脈沖個(gè)數(shù)及所用時(shí)間可以準(zhǔn)確地計(jì)算出交流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。但本設(shè)計(jì)中對反射式光電傳感器的響應(yīng)頻率具有一定要求，即假設(shè)i為黑白條紋數(shù)，d為制動(dòng)盤直徑，v為電機(jī)轉(zhuǎn)速，那么反射式光電傳感器的響應(yīng)頻率f應(yīng)滿足f＞iv/（πd）。

在測量制動(dòng)圓盤與閘片間的壓力時(shí)，系統(tǒng)將彈簧測力計(jì)與直流電動(dòng)推桿對稱串聯(lián)，組成制動(dòng)夾鉗裝置（見圖1），通過該裝置可以直接讀出彈簧測力計(jì)的顯示值，該值即為制動(dòng)圓盤與閘片間的壓力大小。在利用試驗(yàn)臺(tái)模擬列車制動(dòng)時(shí)，除了需要測量制動(dòng)圓盤與閘片間的壓力外，還需要測量制動(dòng)圓盤受到的摩擦力大小。由牛頓第三定律可知，制動(dòng)圓盤受到的摩擦力大小與閘片受到的摩擦力大小相等，故只需要測出閘片受到的摩擦力即可。為此，本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)了一套測量該摩擦力的機(jī)構(gòu)（該機(jī)構(gòu)位于圖1制動(dòng)夾鉗裝置的下方）。如圖3所示：杠桿的一端固定在底板上，另一端底放置壓力傳感器并通過木塊調(diào)節(jié)高度使兩端保持水平，杠桿中部設(shè)有一支座，制動(dòng)夾鉗裝置坐在該支座上。這樣，在已知杠桿放大倍率的情況下，壓力傳感器的變化值即為閘片受到的摩擦力大小。

圖3 摩擦力測量機(jī)構(gòu)圖

在對電動(dòng)推桿進(jìn)行控制時(shí)，所使用的程控電源無法直接改變電流方向，為此采用了2個(gè)兩開兩閉的繼電器來完成電動(dòng)推桿的換向工作，通過采集卡數(shù)字口輸出高電平驅(qū)動(dòng)該換向電路（輸出高電平時(shí)控制所有繼電器閉合），實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)推桿方向的控制。當(dāng)所有繼電器開路時(shí)，電流方向不改變；當(dāng)所有繼電器閉合時(shí)，電流的方向與原來相反。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測控系統(tǒng)是試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵部分，本試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，以LabVIEW虛擬儀器為開發(fā)平臺(tái)。本文所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)應(yīng)用軟件從結(jié)構(gòu)上可以分為用戶交互界面和后臺(tái)應(yīng)用程序2個(gè)部分。

3.1用戶交互界面

用戶交互界面主要包括試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)設(shè)定、試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示存儲(chǔ)、試驗(yàn)過程實(shí)時(shí)控制等模塊，如圖4所示。主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶的直接交流，使用戶能夠根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，將試?yàn)所需外界限定條件輸人到試驗(yàn)系統(tǒng)當(dāng)中；并且在試驗(yàn)過程中，能夠通過觀察轉(zhuǎn)速、壓力、電壓、電流及報(bào)警燈的顯示狀態(tài)來判斷當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀況；同時(shí)還能夠按照試驗(yàn)要求，在設(shè)備運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)列車不同運(yùn)行工況的模擬。試驗(yàn)結(jié)束后，借助于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析功能，可對已保存的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

圖4 應(yīng)用程序前面板局部

3.2后臺(tái)應(yīng)用程序

后臺(tái)應(yīng)用程序主要包括牽引電機(jī)控制程序、電動(dòng)推桿控制程序以及數(shù)據(jù)采集狀態(tài)監(jiān)測程序，是整個(gè)測試試驗(yàn)臺(tái)的核心部分，主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)各個(gè)機(jī)械硬件部分的實(shí)時(shí)控制監(jiān)測，數(shù)據(jù)的采集、分析、處理。

牽引電機(jī)控制部分是通過上位機(jī)和變頻器來完成的。用戶通過數(shù)據(jù)采集卡在計(jì)算機(jī)中設(shè)定所需的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，經(jīng)過控制程序分析處理后，將計(jì)算得出的轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)輸入變頻器的VF（模擬輸出電壓0～10 V）口，將計(jì)算得出的轉(zhuǎn)向數(shù)字信號(hào)輸入變頻器的FWD（正向運(yùn)行/停止）和REV（反向運(yùn)行/停止）口［5］。

電動(dòng)推桿控制是通過上位機(jī)、程控電源以及2個(gè)繼電器來完成的。程控電源通過串口線與上位機(jī)相連，在LabVIEW程序中通過串口的讀寫程序?qū)崿F(xiàn)用戶數(shù)據(jù)設(shè)定與制動(dòng)部分的狀態(tài)監(jiān)測。程序主要由一個(gè)LabVIEW事件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)時(shí)控制電壓、電流大小，即制動(dòng)推桿制動(dòng)力的大小。受程控電源響應(yīng)時(shí)間限制，因此在每個(gè)事件開始前均有50 ms的延時(shí)設(shè)置［6］。推桿換向由2個(gè)反向相接的繼電器來實(shí)現(xiàn)，體現(xiàn)在實(shí)際中即是制動(dòng)和緩解的過程。

數(shù)據(jù)采集狀態(tài)監(jiān)測部分主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)力的測量以及變頻器的輸出頻率等。應(yīng)用程序部分即是一般的數(shù)據(jù)采集及處理程序。

4 結(jié)語

基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)的小型牽引制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)能夠穩(wěn)定流暢地模擬列車不同運(yùn)行工況，且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化的要求，具有很好的人機(jī)交互能力，便于課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)演示。并且設(shè)備成本低，便于安裝拆卸，編程語言采用圖形化的編程語言，便于學(xué)習(xí)者二次開發(fā)，對高校實(shí)驗(yàn)室具有較強(qiáng)的適用性，在車輛等相關(guān)教育領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Design of Small Traction and Brake Test Bench for M etro Train Based on LabVIEW

WANG Hua，PAN Bo

In this paper,a new type of test bench is designed to simulate the traction and brake performances of metro trains，such as the process of starting,acceleration and braking. Using computer as the core control of the system，the test bench employs LabVIEW software and data acquisition equipment to achieve human-computer interaction.A lso，frequency converter isused to control the speed and direction of themotor for the simulation ofmetro train traction and coasting process，programmable power supply and breaking device are used to realize the simulation ofmetro train breaking process.This integrated design has advantages of low cost，small size，light weight，stable and smooth operation，and could realize friendly man-machine interaction and automatic computer control.

metro train；traction and brake；testbench

U270.1+4

10.1637/j.1007-869x.2017.07.033

2016-11-10）

*江蘇省軌道交通控制工程技術(shù)研究開發(fā)中心開放基金項(xiàng)目（KFJ201604）