设备与机具 文章编号：１００２—７６０２（２００８）１０—００２８—０４ 铁道车辆 第４６卷第１Ｏ期２００８年１Ｏ月 城市轨道车辆牵引实验系统研究 宋瑞刚１，２，杨 俭。，黄厚明 。，尧辉明 ，方 宇 （１．上海交通大学机械与动力工程学院，上海２００２４０；２．上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海２０１６２０） 摘 要：提出了一种城市轨道车辆牵引模拟实验系统，能够实现轨道车辆在不同负荷下牵引与电制动工况的模拟； 基于虚拟仪器技术平台，对牵引电机特性参数进行实时采集与分析。从硬件构成、软件功能以及工作原理上对整个系统 进行了详细介绍。 关键词：城市轨道车辆；模拟实验系统；虚拟仪器；牵引电机 中图分类号：ＵＩ２ 文献标识码：Ｂ 城市轨道车辆的运行特点是交通区间短，牵引、制 动等工况转换频繁，对启动、制动性能要求严格，因此 对其牵引电机牵引特性的研究就显得尤为重要。但 是，在实际的牵引与控制当中，由于三相交流电机安装 在机车底部，受安装条件的限制或从实际运营角度考 频率和幅值可调的交流电压或电流，供给三相交流异 步电动机和测功机（图１）。 虑，它的一些特性参数如电流、电压等不能详细记录下 来。本文提出一种基于虚拟仪器技术的城市轨道车辆 牵引模拟系统，以现有的交流技术，并基于虚拟仪器技 术，自动模拟轨道车辆的牵引和制动特性。它通过数 据采集卡采集相关性能参数，基于图形化编程（Ｇ语 言）软件ＬａｂＶＩＥｗ精确控制转速、转矩等参数，以实 时变化的图形直观显示电压、电流等动态参数，并详细 记录存储。这样，可以准确、快速地得出列车运行在不 同工况下的牵引电机特性，为分析研究做好数据准备 工作 。 图１ 交流牵引模拟平台结构简图 基于虚拟仪器技术的城轨车辆牵引运行模拟系 统，通过图形化程序对模拟行驶阻力进行计算，通过数 据采集卡输出模拟信号，再通过信号处理和ＤＣ／ＡＣ 电路转换产生励磁电流，并通过交流测功机模拟车辆 运行所受到的阻力进行逆扭矩加载。整个测控系统结 从图１中可以看出，在实际工作中２台电机构成 了一个闭环主电路循环系统，牵引工况时交流电机和 测功机分别处于电动机和发电机状态，能量互为消耗， 对电能耗费量小，只需少许控制电能和机械摩擦耗能。 交流电机和测功机通过联轴器连接在一起，联轴器上 装有转速／转矩传感器，以测量电机的转速和转矩。３ 构简单，程序根据不同任务设定，更改量小，测试采集 量和数据计算结果的显示通过ＰＣ计算机显示器完 成，是一个理想的城市轨道车辆牵引运行模拟平台 ］。 级飞轮通过牙嵌式离合器结合在一起，通过机械手柄 调节加载的飞轮数，用于模拟城市轨道车辆的空载、满 载、超载３种载客工况。交流电机用于模拟城市轨道 车辆中的牵引电机，实现牵引和电制动工况。交流测 功机用于模拟车辆行驶过程中遇到的动态阻力。制动 器模拟在空气制动过程中闸瓦与车轮之间的机械摩 擦。 １ 城市轨道车辆牵引运行模拟系统介绍 本实验系统中，将３８０ Ｖ工频交流电经过整流逆 变单元调压、滤波、整流成直流后，再把直流电逆变成 收稿日期：２００８－０４－２５ 牵引模拟平台可以实现以下３种工况： （１）在牵引工况下，受牵引逆变器控制的异步交 流电动机按照速度控制，其输出功率经联轴器传递给 处于发电工况的异步交流测功机，受制动逆变器控制 的交流测功机则按照转矩控制，模拟列车的阻力负载。 基金项目：教育部科学技术研究重点项目（２０８０３９）；上海市科委科技攻 ｔ关项目（０６１ＩＩ１０３３）；上海市教育委员会科研创新项目 （０７ＺＺ１５７）；上海市教育委员会重点学科建设项目（Ｊ５１４０１） 作者简介：宋瑞刚（１９８４一），男，硕士研究生。 ・２８・ 城市轨道车辆牵引实验系统研究 宋瑞刚，杨 俭，黄厚明，等 （２）在电制动工况下，由制动逆变器控制的测功 机继续模拟列车在制动过程中的阻力变化，而牵引逆 变器驱动的电机则处于发电工况，模拟实现列车再生 能量的电阻消耗或者反馈。 （３）在空电联合制动时，牵引逆变器驱动的电机 依旧模拟列车在惯量带动下的发电工况，产生电制动 力，制动器给出空气制动力，电制动力与空气制动力遵 从软件设计，按照一定比例共同施加到电机轴上。 ２数据采集系统 基于虚拟仪器的城市轨道车辆交流牵引模拟系统 的测控系统由传感器、数据采集卡、工业计算机和图形 化编程语言ＬａｂＶＩＥＷ的程序构成，其系统结构如图 ２所示。 图２基于ＬａｂＶＩＥＷ的牵引运行测控系统简图 系统采用了ＮＩ公司的ＰｃＩ一６２２５数据采集板， 可直接插在计算机的ＰＣＩ插槽上使用，ＰＣＩ一６２２５板 上装有１６ ｂｉｔ分辨率的Ａ／Ｄ转换器和Ｄ／Ａ转换器， 具有８Ｏ路单端／４０路差分Ａ／Ｄ通道和Ｄ／Ａ通道。 采用ＰＩＤ控制，将运算数据通过Ｄ／Ａ转化为控制电 压，送入驱动电路，经过驱动电路放大后，作为交流电 机的输入电压。通过Ａ／Ｄ通道把转速转矩传感器测 得的信号转换为数字量送入计算机，基于ＬａｂＶＩＥｗ 的ＰＩＤ控制模块对这些数字量进行处理，计算出给定 转速对应的电压值与实际转速所对应的电压值之间的 偏差，并根据数字ＰＩＤ控制算法计算出控制量，以调 节交流电机的转速。 基于ＬａｂＶＩＥＷ编程，通过数据采集卡检测交流 异步电机的电流、电压等运行状态参数，不但可以分析 交流牵引模拟实验系统的能量消耗和电机工作特性， 还可以验证系统的制动能量反馈，为制动能量回收的 研究提供数据支持。 ３牵引电机及其控制 依据地铁公司提供的上海地铁２号线资料，实验 台采用１台１９０ ｋＷ三相交流异步电机模拟上海地铁 ２号线牵引电机，按实际车辆运行速度要求，输入轴转 速最高达到３ ３５２ ｒ／ｍｉｎ（折算至实际车速８０ ｋｍ／ｈ）， 变频器采用直接转矩控制技术，对大功率交流电动机 实现了精确控制。因为该系统中变频器数量不多，数 据传输量不大，采用ＲＳ４８５总线来实现工控机与变频 器之间的通讯即可满足实验要求。工控机按通信协议 ＵＳＳ向变频器发送转速值。 采用德国Ｓｔａｉｇｅｒ Ｍｏｈｉｌｏ ０１７０扭矩传感器，量程 为０～１ ５００ Ｎ・ｍ，最高转速为１２ ０００ ｒ／ｍｉｎ，完全满 足轨道车辆参数要求。转速信号为３６０ ｐ／ｒ，采用非接 触式，满量程时精度为０．２ ，满足实时测试的精度要 求。 牵引电机采用速度闭环控制，负载电机采用转矩 闭环控制，依次实现牵引电机的恒力矩、恒转速和自然 特性，以及轨道交通车辆的牵引加速、惰行和制动减 一 ．Ⅲ１一、避 速。在ＬａｂＶＩＥＷ编程操作的牵引控制和负载控制的 ∞ 柏 加 ０ 共同作用下，实现车辆的运行速度曲线图（图３）。 牵引加速区 惰性区。 制动减速区 ． 恒力矩 自然 ● 恒力矩 恒功率 特性 自然特性：恒功率 ● －－＿－ ＿ ／‘ ＼ ／ 。 ．／ ．Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ ＼．Ｇ 牵引 制动 时间／Ｂ 图３城市轨道车辆运行速度曲线图 ４负载电机加载原理及其控制 ４．１负载电机加载原理 负载电机用于模拟城市轨道列车运行过程中受到 的阻力，由１台２３０ ｋＷ异步交流测功机来实现。由 于城市轨道车辆编组辆数少、列车长度较短，在模拟实 验中，可将整个列车看作一个单质点的动力学系统，忽 略各节车厢在运行过程中受到的各种力的大小和方向 上的不同，将列车阻力平均分配至每台牵引电机。 轨道车辆的运行阻力包括基本阻力和线路阻力。 运行阻力与机车运行速度有关。参考国内外的城轨车 辆资料，采用以下典型阻力计算经验公式： Ｒ１—９．８１ＧＴ（２．２７＋０．００１ ５６ｖ ） （１） 式中：Ｒ ——列车基本阻力，ｋＮ； ・２９・ 铁道车辆 第４６卷第１Ｏ期２００８年１Ｏ月 列车行车速度，ｋｍ／ｈ； 平动情况下 １优 一÷ 。 厶 厶ｇ （３） ＧＴ——列车总质量，ｔ。 线路阻力主要取决于列车运行的具体线路条件。 它综合了坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加空 气阻力３种阻力情况，并且通常用一个相当的坡道附 转动情况下 １加 一号 （ ）。 （４） 式中： ——机车质量 加阻力代替。加算坡道附加阻力（将弯道与坡度形式 的线路阻力一同折合为列车在一定坡度上受到的阻 力）的公式为： Ｒｊ一９．８・ｉｊ・ＷＴ （２） 机车行驶速度； 电动机轴的转动惯量； Ｇ——机车质量； ｒ——ｎ——电动机的转动角速度； 式中：Ｒｌ——加算坡道附加阻力，ｋＮ； ｉｉ——加算坡度； ｗ ——列车总质量，ｋＮ。 此外，列车的启动阻力情况比较复杂，不能应用一 般的阻力计算公式。列车在实际运行中一旦启动，列 车阻力就从启动阻力回落到运行阻力，维持时间极短， 是静态向动态的瞬变过程。参照国内外相关技术资 料，并考虑到程序中计算步长的限制，在本系统中阻 力加载没有考虑这一瞬变过程。 ４．２负载电机控制 变频能量回馈系统控制交流测功机以发电机状态 运行，使其在向被测试件加载的同时将机械能转换成 电能回馈电网。系统具有转矩、转速、相位、电压、电流 及误差等参数自动检测及调节、故障报警和多重自动 保护功能。系统加载控制方式为ＰＩＤ转矩闭环控制， 通讯模式采用串口ＲＳ４８５总线实现工控机与系统之 间的通讯。系统的静态精度即转矩的控制精度为 ±０．１ Ｏ（ＦＳ），转速的控制精度为±０．５ （ＦＳ），完全 满足城市轨道车辆牵引模拟的精度要求。 ５惯量的设计原理及其控制 飞轮系统的作用是：利用其转动惯量模拟轨道车 辆加速阻力，来实现对牵引加速能力的测试；储存车辆 行驶时的动能来实现制动工况的测试。车辆转动惯量 的模拟方式一般有机械模拟和电模拟２种。随着电子 技术的发展，在一些汽车的底盘测功机上已配备有电 模拟惯量系统，但我国电模拟惯量系统还不成熟，且价 格昂贵，所以大部分测功机系统仍配备飞轮系统。在 本实验系统中，设计３级飞轮来模拟城市轨道列车的 空载、满载和超载工况。因载客量每日波动较大，所以 对惯量的精确度要求不高，３级飞轮采用逐级加载、手 动离合换挡的方式，飞轮之间用牙嵌式离合器连接。 列车旋转惯量的折算，可以简化为工作机构做水 平运动的情况。折算原则是保持折算前后动能不变。 依据公式如下： ・． ０’ ＧＤｒ。——折算至电动机轴端的飞轮矩； Ｄ ——飞轮直径； 电动机转速。 联立式（３）、式（４），可得： ＧＤＦ ｚ一４ 一—３６５Ｇｖｚ （５） 广（ ） 将式（５）代入按机车折算的转动惯量计算公式 Ｉ－－ ＧＤＦ ４ｇ ２，可得Ｊ一 。折算至每台牵引电机 一 下（以上海地铁２号线６编组列车为例，共１６台电机， 故将整体惯量除以１６），然后再依据减速比、传动效率 系数和实验台台架的具体条件，设计出惯量可调的３ 级飞轮。 ６牵引模拟实验系统软件设计 ’ ＬａｂＶＩＥＷ是美国ＮＩ公司推出的一种基于图形 化编程语言（Ｇ语言）的虚拟软件开发工具。它不同于 基于文本的编程语言（如Ｆｏｒｔｒａｎ和Ｃ），而是一种图 形编程语言，其编程过程就是通过图形符号描述程序 的行为，从而构成用户需要的虚拟仪器。 在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统，通过不同的 软件编程，就可以实现功能完全不同的测量仪器。对 于交流牵引的多功能测试要求，用户可以根据各测试 功能的需要，将具有１种或多功能的通用模块相结合， 并且调用不同功能的软件模块，完成不同的测试任务。 城市轨道车辆牵引模拟实验系统中，系统ＬａｂＶＩＥＷ 程序的基本任务有： （１）通过软件编程设计各种测量模块，完成各种 测量任务的程序设计。 （２）按车辆运行图，通过软件编程输出牵引电机 所需的励磁电流放大信号，实现牵引的速度闭环控制。 （３）通过软件编程输出阻力模拟设备（测功机）所 需的励磁电流放大信号，控制阻力的加载。 （４）通过软件编程控制空气制动模拟设备（制动 器）的阻力输出，实现空电联合制动的模拟。 （５）为各测试功能模块设计相应的面板，并按牵 引模拟的实验要求设计结果显示系统。ＬａｂＶＩＥＷ软 设备与机具 铁道车辆 第４６卷第１０期２００８年１０月 文章编号：１００２—７６０２（２００８）１０—００３１—０３ １：１列车制动试验台测控系统的设计与实现 李森林，林建辉 （西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都６１００３１） 摘 要：介绍了１：１列车制动试验台控制系统以及测试系统的主要功能、基本工作原理和技术特点。 关键词：列车制动；试验台；ＬａｂＶＩＥＷ；ＰＬＣ 中图分类号：Ｕ２７０．３５；Ｕ２７０．７ 文献标识码：Ｂ 闸瓦制动和盘形制动是目前列车的主要制动形 支持手动和全自动操作，能模拟出多项列车运行的实 式，它依靠闸瓦与车轮踏面（闸片与制动盘）之间的干 际工况，能够按中国、ＡＡＲ、ＵＩＣ、ＪＩＳ等标准进行闸瓦 摩擦，将列车的动能转化为热能而实现制动ｌ】］。闸瓦 （单瓦、双瓦、盘形）制动性能试验ｌ５ ］。针对地铁车辆 和闸片的制动性能直接影响着列车的安全性，随着列 的特点，试验台还专门设计了一套模拟运营试验，能够 车速度的不断提高，对闸瓦和闸片的制动性能要求也 模拟地铁车辆在整条线路上全部的制动过程。 越来越高。闸瓦或闸片的制动性能主要包括摩擦因 数、磨损速度、热容量等。为了研制出性能更好的闸瓦 １试验台主要功能 和闸片，需要对其进行测试试验，１：１列车制动试验 １．１磨合试验 台就是为此而设计的专用试验设备口 ］。 闸瓦在进行后续试验之前需进行此试验。试验中 本试验台于２００７年１Ｏ月进行升级改造，升级后 将闸瓦在运转的车轮上进行磨合，直至闸瓦和车轮接 触面达到指定的要求（通常为９５ 以上）。试验台能 收稿日期：２００８ ０４—１８ 作者简介：李森林（１９８３一），男，硕士研究生。 按照不同速度和不同压力进行多次循环试验。 件设计的实验台控制面板如图４所示。 虽然实验台在空电联合制动方面的模拟还不能达 到真实的仿真效果，但是牵引电机特性和电制动过程 城市轨道车辆牵引模拟实验台 还是得到了很好的研究。实验台建设成功后运转良 好，结合上海地铁２号线资料，有效模拟了城市轨道车 辆牵引加速、惰行和电制动的过程。本系统为城市轨 道车辆的牵引电机特性研究、牵引运行性能及制动过 程研究等提供了理论依据。 参考文献： 餮 惑，一■ Ｑ～‘ ● ●等 露 ～自 ： ｊｉ：ｒＩ … ［１］杜文明，王丰元．基于Ｌａｂｖｉｅｗ的制动试验台的研究［Ｊ］．中国仪 器仪表，２００６，（１０）：６１—６３． ［２］谢宏成，乌正达，谢维康．城市轨道车辆牵引仿真计算ＥＪ］．电力 机车与城轨车辆，２００５，２８（５）：２Ｏ一２２． ［３］ Ｋｏｈｏｕｔ Ｓ．Ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｈｏｍｅｍａｄｅ ｔｏｒｑｕｅ ｍａｇｎｅ— ｔｏｍｅｔｅｒ ｕｓｉｎｇ ＬａｂＶｌＥＷ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌ— ｏｇｙ．２００５，１６（１１）：２ ２４Ｏ一２ ２４６． １－４３ Ｐｉｒａｎｉ Ｓ，Ｔｏｍｍａｓｉｎｉ Ｌ，Ｆｒａｎｃｅｓｃｈｉｎｉ Ｇ．ＬａｂＶＩＥＷ ｂａｓｅｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｆｏｒ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， １９９５，（１２）：６４８—６５３． （编辑：颜 纯） ・ ３工 ・
