基于转矩控制模式下的电机制动测试系统及方法

摘要

本发明提出一种基于转矩控制模式下的电机制动测试系统及方法，解决了目前制动测试过程中速度模拟方式的不足，能够近似真实的还原车辆的运行力学关系，满足轨道车辆制动系统的测试功能需求。本发明的方案思路如下：基于列车在制动过程中的力学关系，通过控制电机的转矩，对测试系统输出连续的力学影响，制动效果完全由机械本身的特性产出近似真实的制动测试效果，能够满足在各种模式下的制动测试，实现列车在牵引、惰行、制动、防滑等状态下的制动状态模拟，并能够灵活的实现与电制动功能的匹配测试。

权利要求

1.基于转矩控制模式下的电机制动测试系统，其特征在于：包括PLC、运动控制器、驱动器、同步伺服电机、电控离合器、齿轮传动系和被测制动系统；

所述同步伺服电机包括一台牵引电机和四台制动电机，通过所述齿轮传动系以及电控离合器配合传递各电机之间的转矩；齿轮传动系的结构设计参考被测车辆的基本阻力模型，以适配被测车辆属性；

四台制动电机的电机输出轴端均安装有速度传感器，用于向被测制动系统提供速度信号，PLC所需的牵引电机和制动电机的速度信号由同步伺服电机安装的编码器获得；

PLC用于根据测试要求和获得的速度信号反馈，向运动控制器输出相应的牵引或制动的转矩控制指令；

运动控制器用于接收PLC的各种控制指令，控制相应的驱动器使牵引电机或制动电机实现各轴独立的转矩输出控制，驱动各电机按照测试流程分别产生相应的正向或反向转矩；通过调节各电机的输出转矩来实现对被测制动系统的制动测试过程。

2.根据权利要求1基于转矩控制模式下的电机制动测试系统，其特征在于：所述电控离合器仅配置于制动电机上。

3.根据权利要求1基于转矩控制模式下的电机制动测试系统，其特征在于：一台牵引电机和四台制动电机，相应由一个单轴驱动器和两个双轴驱动器进行驱动，其中单轴驱动器用于驱动牵引电机，一个双轴驱动器用于驱动四台制动电机中的第一制动电机和第二制动电机，另一个双轴驱动器用于驱动四台制动电机中的第三制动电机和第四制动电机。

4.根据权利要求1基于转矩控制模式下的电机制动测试系统，其特征在于：PLC存储有多种测试基础模型，包括整车控制逻辑模型、车辆网络设备拓扑模型、基本阻力模型、附加阻力模型、牵引力输出模型、再生制动输出模型、车辆载荷模型和制动执行机构的制动力转换模型。

5.基于权利要求1所述基于转矩控制模式下的电机制动测试系统的测试方法，包括以下步骤：PLC获取车辆载荷重量，关联各种测试基础模型和测试流程形成整体测试模型，通过设定的目标速度值、牵引力或制动力输出曲线，计算实时的车辆力学关系；

PLC根据计算得到的实时的车辆力学关系，向被测制动系统输出重量信号，并向运动控制器输出电机的转矩控制指令；

运动控制器向需要输出转矩的驱动器输出相应电机的转矩指令，驱动器带动相应的电机输出转矩，继而带动齿轮传动系，再由速度传感器产生被测制动系统需要的速度信号；

运动控制器接收各电机的编码器信号对各轴进行速度闭环控制；

被测制动系统获取所述重量信号和速度信号，产生制动力输出；

PLC检测被测制动系统的制动力输出，并反馈运动控制器，由运动控制器控制驱动器产生相应的电机转矩调整，进而影响齿轮传动系的运行效果。

说明书

基于转矩控制模式下的电机制动测试系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电机制动测试系统及方法。

背景技术

[0002] 随着轨道交通领域的持续发展，轨道车辆之间的追踪间隔越来越短，车辆的制动距离就成为了一个影响车辆安全运行的重要的因素。在这种条件下，对车辆制动系统的测试就必须完成对制动控制系统在诸如常用制动、快速制动、紧急制动、防滑等功能的深入测试，实现各运行状态下的制动模拟测试，保证乘客、车辆与公共财产的安全。

[0003] 目前在对制动控制系统进行功能测试时，需要向被测制动系统提供速度信号，目前的主流方案是以直接向被测设备提供速度值为主，无论是以速度发生器直接提供还是以电机在速度模式下带动速度传感器提供的方式，速度信号产生的核心过程是通过力学关系计算出车辆的速度值后直接给定。然而在力学关系向速度输出转换的过程中，需要添加额外延时，这种速度信号的产生方式无法实现速度信号的连续输出。另外列车在实际运行过程中受到的外力是持续变化的，而在速度计算时必须采用恒加减速度，所以也要对算法进行简化处理，所以直接速度输出因为受到延时和算法简化的影响而在输出时出现速度变化台阶，造成大量的速度输出跳变点，这种速度模拟方式无法真实的估算制动过程中的速度变化，尤其是在出现车轮滑动的时候，对测试数据变化产生了干扰，影响了制动实验的测试效果。在这个过程中，受限于加速度和指令处理周期等限制，力学关系必须进行简化，否则运动控制器无法准确的用函数的方式进行输出控制。

发明内容

[0004] 本发明提出一种基于转矩控制模式下的电机制动测试系统及方法，解决了目前制动测试过程中速度模拟方式的不足，能够近似真实的还原车辆的运行力学关系，满足轨道车辆制动系统的测试功能需求。

[0005] 本发明的设计思路如下：

[0006] 基于列车在制动过程中的力学关系，通过控制电机的转矩，对测试系统输出连续的力学影响，制动效果完全由机械本身的特性产出近似真实的制动测试效果，能够满足在各种模式下的制动测试，实现列车在牵引、惰行、制动、防滑等状态下的制动状态模拟，并能够灵活的实现与电制动功能的匹配测试。

[0007] 本发明的技术方案如下：

[0008] 该电机制动测试系统包括PLC、运动控制器、驱动器、同步伺服电机、电控离合器、齿轮传动系和被测制动系统；

[0009] 所述同步伺服电机包括一台牵引电机和四台制动电机，通过所述齿轮传动系以及电控离合器配合传递各电机之间的转矩；齿轮传动系的结构参考被测车辆的基本阻力模型，以适配被测车辆属性；

[0010] 四台制动电机的电机输出轴端均安装有速度传感器，用于向被测制动系统提供速度信号，PLC所需的牵引电机和制动电机的速度信号由电机编码器获得；

[0011] PLC用于根据测试要求和获得的速度信号反馈，向运动控制器输出相应的牵引或制动的转矩控制指令；

[0012] 运动控制器用于接收PLC的各种控制指令，控制相应的驱动器使牵引电机或制动电机实现各轴独立的转矩输出控制，驱动各电机按照测试流程分别产生相应的正向或反向转矩；通过调节各电机的输出转矩来实现对被测制动系统的制动测试过程。

[0013] 基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：

[0014] 所述离合器可仅配置于制动电机上。

[0015] 一台牵引电机和四台制动电机，相应由1个单轴驱动器和2个双轴驱动器进行驱动。

[0016] PLC存储有多种测试基础模型，包括整车控制逻辑模型、车辆网络设备拓扑模型、基本阻力模型、附加阻力模型、牵引力输出模型、再生制动输出模型、车辆载荷模型和制动执行机构的制动力转换模型等。

[0017] 基于上述电机制动测试系统的测试方法，包括以下步骤：

[0018] PLC获取车辆载荷重量，关联各种测试基础模型和测试流程形成整体测试模型，通过设定的目标速度值、牵引力或制动力输出曲线，计算当时的车辆力学关系；

[0019] PLC根据计算得到的实时的车辆力学关系，向被测制动系统输出重量信号，并向运动控制器输出电机的转矩控制指令；

[0020] 运动控制器向需要输出转矩的驱动器输出相应电机的转矩指令，驱动器带动相应的制动电机输出转矩，继而带动齿轮传动系，再由速度传感器产生被测制动系统需要的速度信号；

[0021] 运动控制器接收各电机的电机编码器信号对各轴进行速度闭环控制；

[0022] 被测制动系统获取所述重量信号和速度信号，产生制动力输出；

[0023] PLC检测被测制动系统的制动力输出，并反馈运动控制器，由运动控制器控制驱动器产生制动电机的反向转矩输出，进而影响齿轮传动系的运行效果。

[0024] 本发明相比现有技术，具有以下效果：

[0025] 1、以往速度模拟方式在速度信号生成时无法按照实际的力学关系产生真实的速度数据、只能按照既定的恒加减速度进行速度输出或者按照预计的转动和滑动效果对车轮速度进行近似滑动模拟，因为在力学关系向速度输出转换的过程中，需要添加额外延时，造成速度信号值的产生非连续的输出，另外一方面在转换过程中需要固定加减速度，只能对车辆力学关系进行算法简化，造成理论的速度和实际的速度之间存在较大的误差，无法实现车辆力学关系的连续变化，使测试系统无法实现近似真实的牵引力、制动力和阻力的状态，而对测试效果的准确性产生了干扰。本发明通过对伺服电机进行转矩控制模式下的运行，模拟轨道车辆制动过程中的工作状态，通过机械传动系带动真实的速度传感器实现测试系统的速度值生成，并实现轨道车辆的安全制动测试，提高对制动控制系统的测试需求的仿真能力，最终提高设备的检测保障能力。

[0026] 2、在控制器中构建车辆的各种基础模型，并引入牵引力曲线、电制动力曲线，生成近似真实的车辆运行力学关系方程，向方程带入实际的车辆力学状态后输出相应的转矩，由机械传动系产生相应的速度变化传递给速度传感器，再由电机编码器读回速度反馈值继续影响车辆的运动方程，产生闭环控制，机械传动系的使用能够使整个系统更接近真实的反应测试效果，满足被测制动系统的测试需求。

附图说明

[0027] 图1为本发明的系统原理示意图。

[0028] 图2为本发明的转矩控制模式下电机制动测试流程示意图。

[0029] 图3为堕行状态下的齿轮传动系测试工作过程。

[0030] 图4为制动状态下的齿轮传动系测试工作过程。

[0031] 图5为牵引状态下的齿轮传动系测试工作过程。

[0032] 图6为防滑模式下的齿轮传动系测试工作过程。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

[0034] 如图1所示，本发明涉及的组件主要包括PLC、运动控制器、驱动器、同步伺服电机、离合器、齿轮传动系和速度传感器。

[0035] PLC作为系统的主控，负责整个测试系统的整体控制，指令发出和状态监控。

[0036] 运动控制器内写入运动控制程序，接收PLC的控制并驱动电机驱动器。

[0037] 驱动器和电机配合使用，带动电机连接的速度传感器并驱动齿轮传动系。

[0038] 齿轮传动系和离合器配合使用，传递各电机之间的转矩，实现相应的速度输出。

[0039] 速度传感器采集电机的速度输出，并传递给被测制动系统的速度信号输入接口。

[0040] 电机编码器输出的速度信号接回到运动控制器，用于运动控制器对电机速度的闭环监控。

[0041] 整个电机制动控制采用闭环控制，实现转矩、转速的双重状态监控和输出。

[0042] 本发明用于在轨道车辆制动测试时向制动控制系统提供速度信号，通过运动控制器进行闭环控制，实现对被测制动系统状态的速度模拟，提高功能测试真实性。以下详述系统各个组件：

[0043] 1、PLC

[0044] PLC作为整个系统的核心控制器，负责整个测试系统的整体控制，按照整车控制逻辑模型、车辆网络设备拓扑模型、基本阻力模型、附加阻力模型、牵引力输出模型、再生制动输出模型、车辆载荷模型和制动执行机构的制动力转换模型等要素，按照测试用例控制运动控制器输出相应的正向或反向转矩，满足被测制动系统的速度信号输入需求，并在此过程中监控电机转速，使整个传动系的合力和速度都符合车辆实际工作状态。

[0045] 2、运动控制器

[0046] 运动控制器负责接收PLC的控制指令，控制相应的驱动器使电机实现插补运算，控制不同电机产生不同的正向或反向转矩，接收电机返回的编码器速度信号，对速度信号进行闭环控制，并通过设置优化的配置参数，使输出状态误差尽量小。

[0047] 3、驱动器

[0048] 驱动器实现对伺服驱动系统的逆变控制，为同步伺服电机通过驱动能量。本系统配置两个双轴驱动器和一个单轴驱动器共驱动五根电机。

[0049] 4、伺服电机

[0050] 接收驱动器的控制，向齿轮传动系输出转矩，并通过电机编码器返回电机的转速。五根电机中其中一台是牵引电机，另外四台为制动电机。

[0051] 5、电控离合器

[0052] 电控离合器负责实现电机输出和齿轮传动系的结合或脱离，配合车轮制动滑行时的模拟。离合器只在制动电机上配置。

[0053] 6、速度传感器

[0054] 在电机输出轴端安装速度传感器，用于向被测制动系统提供速度信号。速度传感器只安装在四根制动电机上。

[0055] 7、齿轮传动系

[0056] 负责电机之间的力学传递，保证各轴之间的线速度一致。齿轮传动系的设计和选型参考被测车辆的基本阻力方程，通过适配实现对车辆基本阻力属性的拟合。在传动系的设计中结合电机惯性，确定整个制动系和整车惯性的模拟比例，用于牵引力或制动力的缩放输出。

[0057] 驱动系统的工作过程共有四个工作状态，牵引状态、惰行状态、正常制动状态和防滑状态。

[0058] 牵引状态：当运动控制器进行牵引输出时，按照设定的牵引算法进行牵引力输出，并根据缩放比例，由运动控制器控制牵引电机输出缩放后的牵引力，带动齿轮传动系转动，包含使四个制动电机同步进行加速，到达设定的制动初始目标速度后，完成牵引状态模拟。

[0059] 惰行状态：当运动控制器完成牵引后，牵引电机和制动电机都不输出转矩，依靠齿轮传动系的内在机械阻力进行减速，最终实现停车，完成惰行状态模拟。

[0060] 正常制动状态：当需要进行制动模拟时，首先向制动系统输出制动指令，制动系统输出制动压力，制动压力在测控系统采集后，由运动控制器按照测试用例的要求，以采集到的空气制动力为基础再加上模拟生成的电制动力之后进行比例缩放，由运动控制器控制四个制动电机输出缩放后的总反向转矩(在制动模拟时还可以叠加其他附加测试条件，如再生制动、曲线纵断、制动切除等条件)，制动电机在产生反向转矩后，传动系进入制动减速过程，五个电机的运行速度逐渐下降到零，逐步实现了列车制动过程状态的模拟，在整个制动过程中制动手柄可以随时调整制动力。与直接速度给定的速度模拟方式相比，转矩方式可以灵活改变制动力大小，近似真实的模拟速度曲线连续变化，符合车辆的实际制动效果。

[0061] 防滑状态：列车防滑是指在列车制动过程中因为车轮产生速度差/或减速度差而出现的轮滑现象。运动控制器在列车进行防滑测试时，按照设定的防滑测试策略控制四个制动电机的转矩大小、方向、电控离合器的结合/脱离等工序，对车轮出现的速度差/或减速度差进行准确模拟，还可以模拟列车出现轮滑时出现的动摩擦和静摩擦力交替出现的滑移状态，最终保证撤出滑动状态时的车轮严格同步，实现防滑施加和撤出的状态模拟。

[0062] 正常制动状态属于常用或紧急制动下非滑动的工作状态，不涉及制动中的滑动，而防滑制动测试属于在制动中的特殊工况。整个电机制动测试过程的步骤如下：

[0063] 结合四根轴的电磁离合器；

[0064] PLC按照测试用例的目标速度、轮对周长、车重、目标牵引加速度向牵引电机输出缩放计算后的正向转矩，使牵引电机带动齿轮传动系进行加速，并通过电机编码器监控传动系的速度，直到传动系达到目标速度。在这个过程中牵引力的输出严格按照设定的牵引控制单元的输出曲线。

[0065] 当车辆到达车辆目标速度后，车辆可以进入两种状态，恒速状态或惰行状态。恒速状态是通过PLC按照速度返回值进行PI调节，保证恒速状态。惰行状态是没有牵引转矩的情况下，以传动系的运行阻力进行自由停车的工作状态，最终实现停车。

[0066] 无论车辆是恒速还是惰行状态，当列车进行制动测试时，车辆的合力都变为机械阻力和制动力的合力。

[0067] 当车辆在制动过程中进行模拟滑动测试，需要先设置进行防滑测试的车轮和轨面摩擦因数。在开始模拟测试后，将滑动轴制动电机的转矩归零并断开离合器，按照制动力和轨面摩擦关系滑动轴制动电机再次输出正向转矩，速度传感器的速度值加快减速，但滑动的车轮是否抱死取决于轮轨的动静摩擦力与制动力的关系。此时制动控制单元检测到车轮出现滑行后会减小滑动轴的制动力，当制动力小于摩擦力时，滑动轴制动电机输出加速转矩，加速转矩为摩擦力和制动力的差，使车轮开始加速，当滑动轴加速到与其他车轮同速时，滑动轴电机关闭转矩输出，在闭合离合器后再恢复转矩，之后制动控制单元检测到滑动轴速度与其他轴速度差变小后开始增加制动力，以此类推。通过离合器的配合，以及滑动轴制动电机的正反向输出转矩的加减速作用，模拟车轮的制动滑行状态，并近似真实的完成轨道车辆制动测试。

[0068] 在传动系速度为零时及时停车，制动试验完成。

[0069] 另外通过转矩控制方式还可以完成防滑随动测试、多轴防滑测试等项目。