用于机车电空制动机的制动控制单元

摘要

本发明公开了一种用于机车电空制动机的制动控制单元，它包括主控制单元、开关量输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元、中继单元、PWM控制单元、MVB通讯单元以及为上述各组件供电的电源管理单元，用来输入数字控制信号的开关量输入单元与主控制单元的输入端相连，用于输出数字控制信号的开关量输出单元与主控制单元的输出端相连，主控制单元通过PWM控制单元控制电空制动机的均衡风缸和制动风缸的压力，主控制单元通过通讯单元与外部设备进行通信连接，主控制单元通过模拟量输入单元采集传感器送来的电流信号。本发明具有结构简单紧凑、价格性价比高等优点，因其具有微机控制和网络通讯功能，从而能够提高控制精度、扩大适用范围。

权利要求

1.一种用于机车电空制动机的制动控制单元，其特征在于：它包括主控制单元(1)、开关量输入单元(2)、开关量输出单元(3)、模拟量输入单元(4)、中继单元(5)、PWM控制单元(6)、通讯单元(7)以及为上述各组件供电的电源管理单元(8)，用来输入数字控制信号的开关量输入单元(2)与主控制单元(1)的输入端相连，用于输出数字控制信号的开关量输出单元(3)与主控制单元(1)的输出端相连，主控制单元(1)通过PWM控制单元(6)控制电空制动机的均衡风缸(9)和制动风缸(10)的压力，主控制单元(1)通过通讯单元(7)与机车制动系统内部设备节点间、制动系统或其他机车设备间的进行通信连接，主控制单元(1)通过模拟量输入端元(4)采集传感器送来的电流信号。

2.根据权利要求1所述的用于机车电空制动机的制动控制单元，其特征在于：所述开关量输入单元(2)包括电阻网络降压单元(201)、稳压管限幅单元(202)、电容滤波单元(203)、光电隔离单元(204)以及施密特触发器(205)，输入信号经依次相连的电阻网络降压单元(201)、稳压管限幅单元(202)、电容滤波单元(203)、光电隔离单元(204)、施密特触发器(205)后送至主控制单元(1)的输入端。

3.根据权利要求1所述的用于机车电空制动机的制动控制单元，其特征在于：所述开关量输出单元(3)包括光电隔离耦合器(301)、滤波电路单元(302)以及过流保护电路单元(303)，主控制单元(1)输出端送出的控制信号经依次相连的光电隔离耦合器(301)、滤波电路单元(302)、过流保护电路单元(303)后送至电控制动机的电空阀。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于机车电空制动机的制动控制单元，其特征在于：所述通讯单元(7)包括通讯主控制器(701)、通讯存储单元(702)、通讯高速存储单元(703)、CAN总线接口单元(704)、MVB接口单元(705)、同步RS422接口单元以及UART接口单元(708)，所述通讯存储单元(702)和通讯高速存储单元(703)分别与通讯主控制器(701)相连，所述通讯主控制器(701)通过CAN总线接口单元(704)与电空制动阀(709)和制动系统显示屏(710)相连，所述通讯主控制器(701)通过MVB接口单元(705)与主控制单元(1)相连，所述通讯主控制器(701)通过同步RS422接口单元与电力机车的无线同步装置相连，所述通讯主控制器(701)通过UART接口单元(708)与主控制单元(1)相连。

5.根据权利要求1或2或3所述的用于机车电空制动机的制动控制单元，其特征在于：

所述中继单元(5)包括8个状态设置开关(501)和4路12位的模拟信号输出通道(502)。

6.根据权利要求4所述的用于机车电空制动机的制动控制单元，其特征在于：所述中继单元(5)包括8个状态设置开关(501)和4路12位的模拟信号输出通道(502)。

说明书

用于机车电空制动机的制动控制单元

技术领域

[0001] 本发明主要涉及到铁路机车中制动控制系统领域，特指一种用于机车电空制动机的制动控制单元。

背景技术

[0002] 目前，铁路机车正向高速、重载的方向发展，这种发展趋势对列车制动控制系统提出了更高的要求。现有的国内电力机车一般采用DK-1型机车电空制动机，其制动控制单元存在以下不足：1、只能进行逻辑控制运算；2、不能采集模拟量，对均衡风缸和闸缸的压力只能进行开环控制；3、不具备故障诊断和数据转储功能，当出现故障时无法给司机或地面检修人员提供相关机车故障信息；4、不具备网络通信功能，因此不能完全适应机车间的无线同步控制要求。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、价格性价比高、具有微机控制和网络通讯功能、从而能够提高控制精度、扩大适用范围的用于机车电空制动机的制动控制单元。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种用于机车电空制动机的制动控制单元，其特征在于：它包括主控制单元、开关量输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元、中继单元、PWM控制单元、通讯单元以及为上述各组件供电的电源管理单元，用来输入数字控制信号的开关量输入单元与主控制单元的输入端相连，用于输出数字控制信号的开关量输出单元与主控制单元的输出端相连，主控制单元通过PWM控制单元控制电控制动机的均衡风缸和制动风缸的压力，主控制单元通过通讯单元与机车制动系统内部设备节点间、制动系统或其他机车设备间的进行通信连接，主控制单元通过模拟量输入端元采集传感器送来的电流信号。

[0005] 所述开关量输入单元包括电阻网络降压单元、稳压管限幅单元、电容滤波单元、光电隔离单元以及施密特触发器，输入信号经依次相连的电阻网络降压单元、稳压管限幅单元、电容滤波单元、光电隔离单元、施密特触发器后送至主控制单元的输入端。

[0006] 所述开关量输出单元包括光电隔离耦合器、滤波电路单元以及过流保护电路单元，主控制单元输出端送出的控制信号经依次相连的光电隔离耦合器、滤波电路单元、过流保护电路单元后送至电控制动机的电控阀。

[0007] 所述通讯单元包括通讯主控制器、通讯存储单元、通讯高速存储单元、CAN总线接口单元、MVB接口单元、同步RS接口单元以及UART接口单元，所述通讯存储单元和通讯高速存储单元分别与通讯主控制器相连，所述通讯主控制器通过CAN总线接口单元与电空制动阀和制动系统显示屏相连，所述通讯主控制器通过MVB接口单元与主控制单元相连，所述通讯主控制器通过同步RS接口单元与电力机车的无线同步装置相连，所述通讯主控制器通过UART接口单元与主控制单元相连。

[0008] 所述中继单元包括8个状态设置开关和4路12位的模拟信号输出通道。

[0009] 与现有技术相比，本发明的优点就在于：

[0010] 1、本发明的用于机车电空制动机的制动控制单元，采用微机控制系统，通过传感器能精确采集均衡风缸和闸缸预控的压力值，因此能对均衡风缸和闸缸进行闭环控制。一旦对均衡风缸和闸缸进行闭环控制，就可以对整列车的列车管和机车的闸缸进行精确控制，这样可以大大提高列车的操纵性能和安全性；

[0011] 2、本发明的用于机车电空制动机的制动控制单元，微机控制系统中装载了机车制动故障诊断系统，对制动机的动态信息进行实时监测和诊断记录，如果运行过程中发生了故障，该诊断系统能够根据故障发生的类型做出相应的安全导向处理，同时通过制动显示屏提醒司机进行正确的判断和处理。装载了机车制动机故障诊断系统后，一旦机车出现了故障，制动机能智能的辨别出制动机故障类型，并作出相应的安全措施，这样可以提高机车运行时的安全性；

[0012] 3、本发明的用于机车电空制动机的制动控制单元，具有通信功能，通过CAN总线实现与微机制动显示屏之间的通讯，通过MVB通讯卡可以与机车网络之间进行通信，并具有良好的稳定性与抗干扰性。当机车具备通讯功能后，它能与机车无线重联系统进行通讯，列车可以由单列编组变成组合列车来运行，这样可以从很大程度上提高列车的运量；

[0013] 4、本发明的用于机车电空制动机的制动控制单元，在制板和外观结构上充分考虑了电磁兼容性，经铁道部相关检测机构严格检测，满足国家相关的电磁兼容性标准；

[0014] 5、本发明的用于机车电空制动机的制动控制单元，所用的芯片级别都达到了工业级或工业级以上，所以在环境温度为-25℃至75℃时能正常稳定工作，适用范围广，抗干扰能力强。

附图说明

[0015] 图1是本发明的框架结构示意图；

[0016] 图2是本发明采用插件方式机箱内插件机构的布置示意图；

[0017] 图3是本发明中主控制单元的框架结构示意图；

[0018] 图4是本发明中开关量输入单元的框架结构示意图；

[0019] 图5是本发明中开关量输出单元的框架结构示意图；

[0020] 图6是本发明中模拟量输入单元的框架结构示意图；

[0021] 图7是本发明中通讯单元的框架结构示意图；

[0022] 图8是本发明中中继单元的框架结构示意图；

[0023] 图9是本发明中电源管理单元的框架结构示意图；

[0024] 图10是具体实施例中PWM控制单元的电路原理示意图；

[0025] 图11是具体实施例中开关量输入单元的电路原理示意图；

[0026] 图12是具体实施例中开关量输出单元的电路原理示意图；

[0027] 图13是具体实施例中模拟量输入单元的电路原理示意图；

[0028] 图14是具体实施例中通讯单元的电路原理示意图；

[0029] 图15是具体实施例中中继单元的电路原理示意图。

[0030] 图例说明

[0031] 1、主控制单元

[0032] 101、PC104 102、双口驱动芯片

[0033] 103、8255 104、译码器

[0034] 105、双口RAM 106、8255

[0035] 107、LED显示 108、CPLD

[0036] 109、驱动芯片 2、开关量输入单元

[0037] 201、电阻网络降压单元 202、稳压管限幅单元

[0038] 203、电容滤波单元 204、光电隔离单元

[0039] 205、施密特触发器 3、开关量输出单元

[0040] 301、光电隔离耦合器 302、滤波电路单元

[0041] 302、过流保护电路单元 4、模拟量输入单元

[0042] 401、传感器A 402、RCV420

[0043] 403、滤波 404、传感器B

[0044] 405、OP37 406、滤波

[0045] 407、单片机 408、光耦

[0046] 409、光耦 4010、ADS8344

[0047] 5、中继单元 501、单片机

[0048] 502、光耦 503、TLV6514

[0049] 504、XTR110 505、光耦

[0050] 506、OP37 6、PWM驱动单元

[0051] 7、通讯单元 701、通讯主控制器

[0052] 702、通讯存储单元 703、通讯高速存储单元

[0053] 704、可编程逻辑单元CPLD 705、CAN总线接口单元

[0054] 706、MVB接口单元 708、USART接口单元

[0055] 709、电空制动阀 710、制动系统显示屏

[0056] 711、中央控制单元 713、制动控制单元

[0057] 8、电源管理单元 801、110V/24V

[0058] 802、24V/15V 803、15V/5V

[0059] 9、均衡风缸 10、制动风缸

具体实施方式

[0060] 以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

[0061] 如图1所示，本发明的一种用于机车电空制动机的制动控制单元，它包括主控制单元1、开关量输入单元2、开关量输出单元3、模拟量输入单元4、中继单元5、PWM驱动单元6、通讯单元7以及为上述各组件供电的电源管理单元8，用来输入数字控制信号的开关量输入单元2与主控制单元1的输入端相连，用于输出数字控制信号的开关量输出单元3与主控制单元1的输出端相连，主控制单元1通过PWM驱动单元6控制电控制动机的均衡风缸
9和制动风缸10的压力，主控制单元1通过通讯单元7与机车制动系统内部设备节点间、制动系统或其他机车设备间的进行通信连接。主控制单元1通过模拟量输入单元4采集传感器送来的模拟量信号。本发明主要用于具有无线同步控制系统的重载组合列车制动系统中使用。如图1和图2所示，本发明的制动系统制动控制单元BCU在硬件结构上采用智能化、模块化、集成化的设计思想，在充分考虑单元可靠性的前提下，充分考虑了控制单元的自诊断功能、存储功能和控制单元的免维护性和可扩展性。BCU的硬件结构全部采用集成度更高的板卡结构，主要包括机箱、电源板A、电源板B、信息处理板、数字量输入板、数字量输出板、模拟量A/D板、PWM控制板、中继板以及网卡板等。长度为84R的标准6U机箱共有21个板位，系统占用18个板位，还有3个预留板位为以后扩展用，采用机箱背板出线方式。

[0062] 如图3所示，主控制单元1主要是对PC104(101)与各种外围器件的接口进行设计，接口设计主要包括数字量部分、LED显示部分107、模拟量部分等。数字量部分：制动控制单元共设计了64路数字量的输入、32路数字量的输出，通过一片8255(103)来扩展完成，其中8255的PA口用与数据的输入输出，PB口用于产生通道选通信号，PC口用于读取面板上按键的输入。8255的选通信号是PC104(101)地址信号通过CPLD(108)逻辑编程实现的，并且各接口模块的地址必须不能与PC104(101)其它外围设备相冲突。LED显示部分107：LED显示的主要是制动控制单元的一些控制信息，LED是通过一片8255(106)扩展，数码管为共阴极的，8255(106)的PA，PB，PC分别接了一个数码管。模拟量输入部分：PC104与单片机通过双口RAM105进行高速数据通信，传递的是模拟量输入、输出以及风缸压力的目标值等。双口RAM105是一种常见的共享式多端口存储器，配备有两套独立的地址、数据和控制线，允许两个独立的CPU或控制器同时异步地访问存储单元。

[0063] 如图4和图11所示，具体实施例中，开关量输入单元2包括电阻网络降压单元201、稳压管限幅单元202、电容滤波单元203、光电隔离单元204以及施密特触发器205。输入信号经依次相连的电阻网络降压单元201、稳压管限幅单元202、电容滤波单元203、光电隔离单元204、施密特触发器205后送至主控制单元1的输入端。IN1表示输入的110V开关量信号，其负端为110V地，DIN1表示接到CPU板上的数字信号。当IN1有输入时，由于R2和R3的分压，会在R3上产生压降。如果这个电压大于稳压管的稳压值，稳压二极管被击穿，光耦导通。根据光耦TLP624-4的导通特性可知，当Vf电压大于0.9V时，就会有正向的电流产生，使光耦导通。由于机车控制110V电压是有波动的，根据技术要求，当输入在
0-70V时认为输入为0，当输入在90-130V时，认为输入为1。在设计中，通过调整稳压管和分压电阻R3的值来改变光耦的导通临界值。在光耦输出端，通过1K电阻连接施密特触发器。经查TLP624的器件手册可知，光祸开启和关断时间分别为100ms和300ms，有比较大的时延。所以用施密特触发器来优化输出波形，使信号的边沿跳变时间大于ns级，并把信号送给CPU，以保证信号的完整性。这种电路可靠性很高，抗干扰能力强，能适应机车上的恶劣工作环境。每块输入板设计为30点，BCU总的输入点数为60点，各点都有指示灯指示该点的工作状态。

[0064] 如图5和图12所示，具体实施例中，开关量输出单元3包括光电隔离耦合器301、滤波电路单元302以及过流保护电路单元303。主控制单元1输出端送出的控制信号经依次相连的光电隔离耦合器301、滤波电路单元302、过流保护电路单元303后送至电控制动机的电控阀。数字量输出为32路，输出通道中，主控制单元1接收背板总线信号，处理输出某一个通道的开关信号，由于主控制单元1输出信号为TTL电平，负载能力较低，为了与其外部的110V直流工作系统相连接，并具有足够的驱动能力，所以采用MOSFET作为功率放大元件，并利用主控制单元1发出高频调制控制信号通过脉冲隔离变压器耦合控制MOSFET通断，输出额定电流为0.9A/110V。输出具有短路保功能，短路保护整定值为6A，MOSFET保护电路可以迅速关断出现问题的MOSFET。图12a所示，DO1接收主控制单元1发出的信号后，经过74HC04非门增强驱动能力后，来控制Q1的通断。由于脉冲变压器采用的是异名端接法，所以当三极管导通时，变压器的原边将磁能储存起来。当三极管关断时，变压器通过副边的整流电路释放能量。图12b所示，经过脉冲变压器后，在正向驱动脉冲最初的极短时间内，由于R2和C2的存在，U2被箝位在较低的电位而使D4截止，Q2由于没有基极电流保持截止状态，电压几乎全部加在MOSFET上，给输入电容迅速充电。随着栅源电压的建立，MOSFET管开通，漏源极间的电压减小，二极管D7正向偏置而导通，U1被箝位，D4及Q2由于反偏而继续可靠的截止。当MOSFET过流时，漏极电压迅速升高，二极管D7反偏截止，U2开始升高。当U2升至高于稳压管D4与三极管Q2的门值电压之和时，Q2导通，栅极电位被下拉至接近0V，从而使MOSFET可靠的关断，主电路电流被切断，过电流得到了遏制。

[0065] 通过自动检测每个通道的输出电流来实现对输出通道过电流、长时间输出短路以及接地故障的保护功能。每个输出通道都具有过流保护功能，主控制单元1输出板设计总的输出点数为32点，每点的输出电流最大为8A。每块输出板为8点，各输出通道均有对应的状态指示灯指示该通道的工作状态。

[0066] 如图6和图13所示，具体实施例中，模拟量输入单元4主要用来采集传感器送来的电流信号，4～20mA的电流信号，经过整形转换成0～10V的电压信号，再通过限幅、滤波403等处理后送到ADS8344芯片4010进行模数转换。电路采用16位精度的采样芯片，通过隔离将模拟信号转换成数字信号到主控制单元(1)进行运算。单块模拟板包含14路4～20mA电流信号输入通道和2路0～10V电压信号输入通道。从传感器来的4-20mA电流，经过RCV420(402)转换为0-5V电压。0-10V电压信号经过OP37(407)转换为0-5V电压。由于机车上电磁环境复杂，会对模拟输入信号产生干扰，因此模拟信号进行A/D转换器之前还必须进行滤波403消除干扰。滤波器可以是无源的也可以是有源的，在本系统中采用二阶RC滤波。滤波后就进行A/D转换，对机车制动控制要求比较精确，所以保证采样分辨率至少要有10位。为了满足精度要求，采用16位的A/D芯片ADS8344，ADS8344是一个高速、低功耗、16位逐次逼近型ADC，采用2.7V至5V单电源供电，最大采样速率为100KHz，信噪比达84dB，带有串行接口，它包含8个单端模拟输入通道，也可合成为4个差分输入。采用20引脚QSDP封装或20引脚SSOP封装，工作温度范围为-40℃-+85℃。单片机的P1口控制信号经过光耦6N136(408)后，控制ADS8344(4010)进行A/D转换，模拟量从AIN0-AIN7输入。

[0067] 如图7和图14所示，具体实施例中，通讯单元7包括通讯主控制器701、通讯存储单元702、通讯高速存储单元703、可编程逻辑单元CPLD 704、CAN总线接口单元705、MVB接口单元706、同步RS422接口单元、USART接口单元708、电空制动阀709、制动系统显示屏710。所述通讯主控制器701通过CAN总线接口单元705与电空制动阀709和制动系统显示屏710相连，所述通讯主控制器701通过MVB接口单元706与中央控制单元711相连，所述通讯主控制器701通过同步RS422接口单元与电力机车的无线同步装置相连，所述通讯主控制器701通过USART接口单元708与制动控制单元713相连。通讯单元7用来实现机车制动系统内部设备节点间、制动系统和其他机车设备间的有线通信，提高信息化程度。实现机车间制动命令无线同步重联控制，适用于WTB、Locotrol等机车无线网络。通信板装置采用2个32位处理器、装载嵌入式操作系统，将低层和应用层软件和数据分开管理和处理。
它带有丰富的接口，包括UART(通用异步收发)、CAN总线(控制器局域网)、MVB总线(多功能车辆总线)、同步RS-422接口，在机车制动系统和显示屏、司机室操作部件、机车无线同步装置、Locotrol设备之间建立起双向数据传输链路，并对数据进行分析、处理，能满足准确可靠、实时性好的通信质量要求。

[0068] 如图8和图15所示，具体实施例中，中继单元5包含4路12位的模拟信号输出通道。模拟信号输出通道包括2路0～10V电压信号输出和2路4～20mA电流输出信号。4路数字量经过光耦隔离502、505后，进行D/A转换，再分别通过XTR110(504)和OP37(506)转为驱动外部模拟控制对象的4-20mA电流和0-10V电压。模拟输出采用的D/A芯片为TLU5614(506)，TLV5614(506)是TI公司生产的四路12位电压输出型数模转换器DAC，TLV5614(506)的编程控制由16位串行字组成，即2位DAC地址、2个独立的DAC控制位和12位的DAC输入值。器件采用双电源供电：一组为串行接口使用的数字电源，即DVDD和DGND；另一组为输出缓冲器使用的模拟电源，AVDD和AGND。两组电源相互独立且可为2.7V至5.5V之间的任何值。双电源应用的好处是DAC使用5V电源工作，而DAC的数字部分使用2.7V-5.5V电源，所以可以和多种接口连接工作。单片机P1口控制信号经过光耦控制D/A转换。

[0069] 如图9所示，具体实施例中，BCU电源管理单元8采用DC/DC全隔离模块电源，输入电源+110V经过滤波后进入DC/DC模块转换成+24V(801)，转换后的+24V电源经过同样的方式转换成±15V(802)，转换后的+15V电源经过同样的方式转换成+5V(803)。由图可知，每一种DC/DC转换模块均采用两电源供电方式，互为冗余备份，当其中一路电源出现故障使，自动转换到另外一路。两电源工作方式提高了主控制单元1工作的可靠性。

[0070] 如图10所示，具体实例中，PWM板是使用固态继电器来放大PWM信号，以驱动高速开关阀动作。固态继电器是一种无触点的电子继电器。固态继电器具有输入功率小、高可靠性、低电磁噪声、能承受的浪涌电流大、对电源电压适应能力强、抗干扰能力强等优点。图10中，JGX-1FA是一种常开式小型直流固态继电器，输入回路与输出回路之间光隔离，双极型晶体管输出，导通压降低，开关速度快，抗干扰能力强，控制信号与TTL逻辑兼容。