王健

摘 要：電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域?qū)儆谛滦椭苿?dòng)系統(tǒng)，文章首先簡(jiǎn)單介紹電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，然后以 100% 低地板有軌電車為例，從基本組成、總體架構(gòu)和工作原理幾個(gè)方面介紹電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，最后提出有待進(jìn)一步研究的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;EMB系統(tǒng);總體設(shè)計(jì)方案;關(guān)鍵技術(shù);研究

中圖分類號(hào)：U270.35

城市軌道交通現(xiàn)有的空氣制動(dòng)、液壓制動(dòng)系統(tǒng)已發(fā)展多年，積累了成熟的技術(shù)方案并得到廣泛應(yīng)用，但隨著工業(yè)控制技術(shù)的革新和城市軌道交通整體性能的不斷提高，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)電氣化的要求不斷提高已成必然趨勢(shì)。目前，城市軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)指令已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電氣化，但在將制動(dòng)指令轉(zhuǎn)換為制動(dòng)力的環(huán)節(jié)中仍然無法擺脫對(duì)空氣或液壓介質(zhì)的依賴，從而限制了制動(dòng)系統(tǒng)在高響應(yīng)、輕量化、環(huán)保性方向的進(jìn)一步發(fā)展。在應(yīng)對(duì)城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的新需求，提高產(chǎn)品的電氣化、自動(dòng)化程度等方面，具有高集成、快響應(yīng)、高精度特性的電機(jī)械制動(dòng)（EMB）技術(shù)提供了潛在的解決方案，其在航空[1-3]、汽車[4-5]領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但在城市軌道交通領(lǐng)域還處在探索階段。因此，應(yīng)充分借鑒其他行業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合城市軌道交通的自身特點(diǎn)，對(duì)既有系統(tǒng)進(jìn)行EMB優(yōu)化設(shè)計(jì)，以推動(dòng)城市軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)向輕量化、智能化方面發(fā)展。

1 電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

EMB技術(shù)是一種通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使其輸出直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)摩擦副的夾緊動(dòng)作，從而輸出可控制動(dòng)力的新型制動(dòng)技術(shù)[6]。相對(duì)于目前成熟的空氣制動(dòng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)，EMB系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面[7]。

（1）輕量化。由于省去了沉重復(fù)雜的管路和控制元件，因此可降低系統(tǒng)的整體復(fù)雜度，大幅提高單位質(zhì)量制動(dòng)力的輸出能力。

（2）故障點(diǎn)減少和高可維護(hù)性。系統(tǒng)的零部件大量減少，可減少其相應(yīng)的故障點(diǎn)，從根本上避免了介質(zhì)泄露風(fēng)險(xiǎn)，更加環(huán)保;產(chǎn)品模塊化的集成，降低了調(diào)試和維護(hù)的難度。

（3）高性能和智能化。實(shí)現(xiàn)夾緊力直接閉環(huán)控制，相比介質(zhì)壓力閉環(huán)控制精度更高、響應(yīng)更快;且具有豐富的自檢及狀態(tài)監(jiān)控功能，可實(shí)現(xiàn)元件故障的自動(dòng)識(shí)別和定位功能。

（4）高效節(jié)能。避免了傳統(tǒng)介質(zhì)壓力制動(dòng)系統(tǒng)造成的能量損失;由于采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，可減少中間環(huán)節(jié)和額外的效率損失。

2 總體設(shè)計(jì)方案

為更有針對(duì)性地說明EMB系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用和基本架構(gòu)，本文以原本采用液壓制動(dòng)系統(tǒng)的100%低地板有軌電車為例，從基本組成、總體架構(gòu)和工作原理幾方面介紹將其轉(zhuǎn)變?yōu)镋MB系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。

2.1 基本組成

100%低地板有軌電車的EMB系統(tǒng)采用架控的系統(tǒng)架構(gòu)，以一個(gè)轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)系統(tǒng)為一個(gè)控制單元，獨(dú)立執(zhí)行控制邏輯，各轉(zhuǎn)向架之間具備協(xié)同工作的機(jī)制。單個(gè)轉(zhuǎn)向架EMB系統(tǒng)由制動(dòng)控制單元、供電模塊、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置及其對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制器組成。

2.1.1 制動(dòng)控制單元

制動(dòng)控制單元是制動(dòng)系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)制動(dòng)系統(tǒng)與車輛網(wǎng)絡(luò)通信、指令接收、狀態(tài)反饋、軸速信息（模擬量信號(hào)或網(wǎng)絡(luò)信號(hào)）采集、制動(dòng)力計(jì)算、制動(dòng)指令輸出等功能，包括電源模塊、狀態(tài)輸出模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、硬線指令模塊、制動(dòng)計(jì)算及調(diào)度模塊等，將制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)、制動(dòng)施加狀態(tài)、制動(dòng)緩解狀態(tài)、軸速信息等發(fā)送至車輛網(wǎng)絡(luò)供列車控制與監(jiān)控系統(tǒng)（TCMS）等使用。

在常用制動(dòng)模式中，制動(dòng)控制單元通過網(wǎng)絡(luò)接收摩擦制動(dòng)力的需求，并考慮自身黏著、防滑、沖動(dòng)限制等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算，將制動(dòng)力通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）或模擬量指令分配給連接的各電機(jī)控制器執(zhí)行。系統(tǒng)中設(shè)置的雙路CAN網(wǎng)絡(luò)互為冗余，制動(dòng)指令和電機(jī)控制器狀態(tài)優(yōu)先通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸，在CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)制動(dòng)控制單元通過模擬量線路傳輸制動(dòng)力指令給各電機(jī)控制器。

2.1.2 供電模塊

供電模塊負(fù)責(zé)電機(jī)控制器和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的供電，接入車輛低壓供電系統(tǒng)，通過電池管理單元（BMU）對(duì)內(nèi)部的電容模組進(jìn)行充放電控制。當(dāng)?shù)蛪汗╇娋€路供電正常時(shí)，電機(jī)控制器和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置從低壓供電線路獲取電能;當(dāng)?shù)蛪汗╇娋€路供電異常（電壓過低）時(shí)，供電模塊內(nèi)的電容模組給列車提供電能，保證EMB系統(tǒng)的正常工作。

2.1.3 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置由作動(dòng)器、托架、制動(dòng)杠桿、制動(dòng)盤、閘片等部件組成，其中作動(dòng)器接收電機(jī)控制器的實(shí)時(shí)制動(dòng)力指令并輸出制動(dòng)力，其輸出軸通過杠桿推動(dòng)閘片作用于制動(dòng)盤產(chǎn)生制動(dòng)扭矩。另外，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置還設(shè)置手動(dòng)緩解功能，由人工拉動(dòng)制動(dòng)缸后端的手動(dòng)緩解拉環(huán)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置都帶有停放制動(dòng)功能。

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其通過機(jī)械接口安裝在轉(zhuǎn)向架上，通過電氣接口和電機(jī)控制器相連?；A(chǔ)制動(dòng)裝置上的作動(dòng)器（圖1中的綠色部分）作為制動(dòng)力輸出元件，接收電機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)輸出為直線運(yùn)動(dòng)，該直線運(yùn)動(dòng)通過制動(dòng)杠桿作用于閘片，通過閘片和制動(dòng)盤構(gòu)成的摩擦副實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的輸出。作動(dòng)器內(nèi)的霍爾元件用于反饋電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，力傳感器將制動(dòng)力實(shí)時(shí)反饋給電機(jī)控制器，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的精確控制。圖1中的紅色部分為緊急/停車制動(dòng)裝置，供電正常時(shí)，其內(nèi)的彈簧壓縮，夾鉗輸出力由電機(jī)正?？刂?失去供電時(shí)，其內(nèi)的彈簧彈出，限制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而保持夾鉗輸出力，實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)和停車制動(dòng)。

2.1.4 電機(jī)控制器

電機(jī)控制器根據(jù)指令完成制動(dòng)力的施加和緩解，實(shí)現(xiàn)間隙的自動(dòng)調(diào)整，以及意外斷電制動(dòng)施加、故障保護(hù)和運(yùn)行等功能。電機(jī)控制器包括制動(dòng)力控制、電源、功率驅(qū)動(dòng)等模塊。

電機(jī)控制器通過CAN網(wǎng)絡(luò)和制動(dòng)控制單元通信，接收制動(dòng)指令，反饋實(shí)際制動(dòng)力、自身狀態(tài)等信息。電機(jī)控制器與制動(dòng)控制單元之間通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送生命信號(hào)確保通信的可靠性，它們之間設(shè)有硬線接口，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)可通過硬線傳輸指令反饋狀態(tài)。

此外，電機(jī)控制器直接接收車輛緊急制動(dòng)指令硬線的信號(hào)，優(yōu)先根據(jù)硬線信號(hào)施加制動(dòng)力，同時(shí)接收制動(dòng)控制單元通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的制動(dòng)力指令作為緊急制動(dòng)下的指令備份。

每個(gè)電機(jī)控制器控制1套基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，將接收到的目標(biāo)制動(dòng)力指令轉(zhuǎn)化為電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并根據(jù)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置實(shí)時(shí)反饋的實(shí)際制動(dòng)力進(jìn)行閉環(huán)控制。

2.2 總體架構(gòu)

100%低地板有軌電車采用兩動(dòng)一拖“Mc1—T—Mc2”的編組方式，Mc1和Mc2車分別配置1套EMB系統(tǒng)，包含1個(gè)制動(dòng)控制單元、2個(gè)供電模塊、2個(gè)電機(jī)控制器和2套基礎(chǔ)制動(dòng)裝置;T車配置1套EMB系統(tǒng)，包含1個(gè)制動(dòng)控制單元、4個(gè)供電模塊、4個(gè)電機(jī)控制器和4套基礎(chǔ)制動(dòng)裝置。制動(dòng)控制單元和供電模塊安裝于車內(nèi)頂板，電機(jī)控制器吊掛于車廂下方，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置安裝于轉(zhuǎn)向架上。單個(gè)轉(zhuǎn)向架EMB系統(tǒng)的總體架構(gòu)示意圖如圖2所示，其中n表示電機(jī)控制器和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的數(shù)量，對(duì)于Mc1和Mc2車，n = 2;對(duì)于T車，n = 4。

2.3 工作原理

EMB系統(tǒng)具有常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、停放制動(dòng)、防滑保護(hù)和手動(dòng)緩解等功能。司機(jī)控制器發(fā)出的制動(dòng)指令通過列車制動(dòng)指令線傳送給TCMS。

2.3.1 常用制動(dòng)

常用制動(dòng)采用電制動(dòng)和EMB的復(fù)合制動(dòng)，由TCMS根據(jù)制動(dòng)指令計(jì)算出所需的目標(biāo)制動(dòng)力，通過列車網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給牽引控制單元（TCU），TCU根據(jù)此目標(biāo)制動(dòng)力施加電制動(dòng)力，同時(shí)將實(shí)際電制動(dòng)力反饋給TCMS。TCMS將實(shí)際電制動(dòng)力和所需制動(dòng)力進(jìn)行比較，若電制動(dòng)力能夠滿足制動(dòng)要求，則不施加EMB;若電制動(dòng)力不能滿足制動(dòng)要求，則施加EMB進(jìn)行補(bǔ)充。TCMS按照上述方法將計(jì)算的目標(biāo)電機(jī)械制動(dòng)力需求通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至制動(dòng)控制單元，制動(dòng)控制單元施加相應(yīng)的摩擦制動(dòng)力。制動(dòng)力的增加和減小根據(jù)沖動(dòng)限制設(shè)定的速率進(jìn)行。

當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，制動(dòng)控制單元根據(jù)制動(dòng)硬線指令，按照設(shè)定的制動(dòng)力施加。

當(dāng)常用制動(dòng)速度減至指定速度時(shí)，牽引系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送“電制動(dòng)衰退信號(hào)”給制動(dòng)系統(tǒng)，控制電制動(dòng)平穩(wěn)切換至EMB。

2.3.2 緊急制動(dòng)

緊急制動(dòng)采用摩擦制動(dòng)方式，一旦施加，在車輛停車前不能緩解，且不具備防滑控制功能。

2.3.3 停放制動(dòng)

當(dāng)車輛在停放狀態(tài)斷電時(shí)，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置中的停放裝置通過彈簧實(shí)現(xiàn)夾鉗夾緊，從而保證車輛在坡道上靜止不動(dòng)。

2.3.4 防滑保護(hù)

（1）拖車的滑行控制由制動(dòng)控制單元完成，其根據(jù)安裝在每根軸上的速度傳感器信號(hào)計(jì)算出各軸的速度、速度差和減速度，從而判斷車輪是否發(fā)生滑行，若發(fā)生滑行，則控制基礎(chǔ)制動(dòng)裝置施加壓力，恢復(fù)黏著狀態(tài)。

（2）動(dòng)車的滑行控制由TCU控制。當(dāng)發(fā)生滑行時(shí)，首先進(jìn)行電制動(dòng)防滑控制，即由TCU控制減小電制動(dòng)力，同時(shí)把電制動(dòng)滑行信號(hào)傳給制動(dòng)控制單元，制動(dòng)控制單元不會(huì)因電制動(dòng)力的減小而補(bǔ)充EMB。如果TCU的防滑控制超過指定時(shí)間，則切除電制動(dòng)，TCMS重新計(jì)算EMB的制動(dòng)力，然后利用車軸的速度信號(hào)進(jìn)行摩擦制動(dòng)的防滑控制。

2.3.5 手動(dòng)緩解

手動(dòng)緩解由基礎(chǔ)制動(dòng)裝置上的拉環(huán)實(shí)現(xiàn)。車輛處于停放狀態(tài)需要手動(dòng)緩解時(shí)，可人工拉動(dòng)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置后端的手動(dòng)緩解拉環(huán)將彈簧復(fù)位，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)緩解。

3 關(guān)鍵技術(shù)及其研究現(xiàn)狀

為加快EMB系統(tǒng)在城市軌道交通車輛領(lǐng)域的應(yīng)用，需要對(duì)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、制動(dòng)控制算法、抗干擾技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

3.1 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

一個(gè)典型的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置應(yīng)當(dāng)具有以下機(jī)構(gòu)：①提供驅(qū)動(dòng)力的力矩電機(jī);②將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu);③力的放大機(jī)構(gòu);④力或位移傳感器。由于城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架空間的限制，制動(dòng)系統(tǒng)的安裝接口和安裝空間的要求較高，在使用EMB系統(tǒng)時(shí)，需要將電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)等眾多元件集成在制動(dòng)夾鉗上，因此對(duì)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在進(jìn)行基礎(chǔ)制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)現(xiàn)有車型的安裝接口、尺寸限制，綜合考慮電機(jī)選型、機(jī)構(gòu)布局、位置反饋技術(shù)以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類型等因素。

如同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的第三代系統(tǒng)樣機(jī)的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置由盤型中空力矩電機(jī)、行星齒輪減速機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠副、失電電磁離合器組成。常用制動(dòng)時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的力矩通過行星齒輪減速器放大傳遞給滾珠絲杠螺母，螺母的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再通過螺旋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為滾珠絲杠的平動(dòng)傳遞至壓盤，進(jìn)而通過制動(dòng)夾鉗上的制動(dòng)杠桿使閘片與制動(dòng)盤壓緊。電磁離合器是實(shí)施停放制動(dòng)的關(guān)鍵元件，在常用制動(dòng)時(shí)，電磁離合器通電，對(duì)螺母無制動(dòng)作用;在停放制動(dòng)時(shí)，首先通過電機(jī)將絲杠運(yùn)動(dòng)到位，然后離合器斷電，對(duì)螺母產(chǎn)生制動(dòng)作用，此時(shí)螺母不能回轉(zhuǎn)，隨后電機(jī)斷電，從而實(shí)現(xiàn)停放制動(dòng)。

綜上所述，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置對(duì)力矩電機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)要求較高，因此結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧同時(shí)可提供大力矩、快速反應(yīng)的力矩電機(jī)的設(shè)計(jì)將是未來需要關(guān)注的重點(diǎn);另外，制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械零件繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)組成同時(shí)更有效地傳遞并增大扭矩也是EMB走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵研究。

3.2 制動(dòng)控制算法

EMB系統(tǒng)制動(dòng)力施加和緩解的精確性和響應(yīng)速度依賴于電機(jī)控制器中的制動(dòng)控制算法，因此其優(yōu)化和改進(jìn)對(duì)EMB系統(tǒng)具有重要意義。制動(dòng)控制算法應(yīng)能夠根據(jù)目標(biāo)指令實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)作動(dòng)器在全制動(dòng)力范圍的制動(dòng)力連續(xù)閉環(huán)控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)間隙的自動(dòng)調(diào)整，以補(bǔ)償制動(dòng)摩擦副的磨損。

常見的制動(dòng)力控制算法包括串聯(lián)比例-微分（PI）控制、比例積分微分（PID）控制、滑模控制和邏輯門控制算法等[8-10]。目前在制動(dòng)控制算法研究上，精確的控制算法較為復(fù)雜，在程序編寫的可實(shí)現(xiàn)性上存在難度，實(shí)際應(yīng)用的可行性不高[11-13]。在簡(jiǎn)化程序?qū)崿F(xiàn)的同時(shí)，保證控制精度和響應(yīng)速度的制動(dòng)控制算法將是未來研究的重點(diǎn)。

3.3 抗環(huán)境干擾技術(shù)

EMB系統(tǒng)的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置安裝于轉(zhuǎn)向架，運(yùn)行過程中沖擊振動(dòng)較強(qiáng)，對(duì)電機(jī)和其他機(jī)械零件的工作狀態(tài)和組件壽命可能造成影響[14]，如電機(jī)的永磁體可能發(fā)生退磁等，因此需要研究上述裝置在沖擊振動(dòng)下的穩(wěn)定性，同時(shí)在設(shè)計(jì)安裝方式時(shí)應(yīng)考慮抗沖擊振動(dòng)的因素。

此外，吊裝在車廂下方的電機(jī)控制器和轉(zhuǎn)向架上電機(jī)的散熱條件不佳，在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)過熱情況，因此，需要考慮其在高溫條件下的穩(wěn)定性和性能，同時(shí)可考慮專門設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行[15]。

目前，城市軌道交通車輛EMB系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)和防震設(shè)計(jì)還缺乏相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)研究，為保證EMB系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，在未來加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的研究是十分有必要的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹EMB系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出針對(duì)100%低地板有軌電車的EMB系統(tǒng)典型方案，論述其基本組成和工作原理，提出未來有待進(jìn)一步研究的關(guān)鍵技術(shù)（如基礎(chǔ)制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、制動(dòng)控制算法和抗環(huán)境干擾技術(shù)），并闡述了各關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

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收稿日期 2020-04-17

責(zé)任編輯 黨選麗