第四章電空制動控制原理第四章電空制動原理本章內容第一節空氣制動力控制第二節模擬型EP閥及其控制第四節中繼閥第三節開關型EP閥及其控制第四章電空制動原理第一節空氣制動力控制制動控制系統與指令方式相適應1、自動空氣制動機以制動管減壓量作為指令對應的制動控制部分，只能采用能夠感受空氣壓力差的制動閥2、采用電氣指令方式的制動控制系統，只能采用能夠識別電氣信號的控制裝置第四章電空制動原理一、制動控制的要求1、制動性能要求（1）滿足軌道的制動距離要求（2）滿足規定的減速度要求2、動態性能要求（1）滿足制動力上升時間的要求（2）滿足制動平穩性要求各車制動力同步上升，電制動與空氣制動轉換或協同要平滑第四章電空制動原理3、制動精度要求（1）制動距離精度（2）制動減速度精度（3）速度控制精度第四章電空制動原理二、制動控制系統1、按電氣指令式類型分數字指令模式、模擬指令模式2、按制動控制裝置類型分電磁控制制動機、氣壓控制型系統、電氣控制型系統（1）電磁控制制動機：只適用于僅有空氣制動方式的制動系統中，用電磁閥控制給制動缸施加空氣壓力第四章電空制動原理（2）氣壓控制型系統和電氣控制型系統適用于既有空氣制動又有電氣制動方式的制動系統中，能夠方便的進行電氣制動與空氣制動的制動力協調在氣壓控制型的系統中靠氣壓和閥進行協調配合在電氣控制型的系統中靠電氣進行協調配合第四章電空制動原理目前動車組的制動控制系統大多采用電氣控制型系統，由于采用計算機，所以也叫微機控制型3、直通式電空制動系統電氣指令制動控制系統按其對空氣制動控制方式的不同，分為自動式和直通式第四章電空制動原理自動式：在自動空氣制動機的基礎上增加了電氣指令控制系統對列車管壓力的控制，通過同時對各車輛的列車管的減壓增壓，使各車輛的三通閥同時使用，加快列車整體的制動及緩解速度，提高了自動空氣制動機的性能。第四章電空制動原理直通式：采用電信號來傳遞制動和緩解指令的直通空氣制動系統。司機通過電氣指令控制裝置對個車輛的制動信號管的壓力空氣進行控制，用該制動管的壓力使各中繼閥工作，最終獲得制動管壓力。第四章電空制動原理直通式特點：優點：響應快、一致性好、控制方便缺點：一旦人車分離，列車就失去了制動能力。為了克服缺點，一般與自動制動機好座位緊急制動控制用的常帶電的電路環線并用，如果發生列車非正常分離，電路環線斷線失電，各車緊急制動電磁閥失電引起緊急制動停車第四章電空制動原理三、制動力的控制1、制動力的計算制動力控制的前提是列車具有統一的制動減速度第四章電空制動原理列車制動力與減速度的關系表達式為：第四章電空制動原理為了保證動車組編組中具有不同重量的各車的減速度一致，應該？質量大的車制動力也相應要大質量小的車制動力也相應要小第四章電空制動原理2、制動力的控制方法動力制動----通過牽引變流器控制再生制動電流來得到所需的制動力空氣制動----通過電空制動的計算機計算并控制的第四章電空制動原理在制動裝置的設計階段，要采用反向計算，即根據基礎制動裝置產生的制動力，結合制動力是實算法采用的閘瓦的壓力和摩擦系統、平均作用半徑、車輪滾動圓半徑、傳動效率等參數，反算出制動缸空氣壓力第四章電空制動原理根據制動缸空氣壓力（簡稱BC壓力），反推出電空轉換閥（EP閥）的控制電量（反應制動力大小的模擬量或數字量）由此也就形成了因EP閥控制方式不同而對應的控制模式：模擬型EP閥、開關式EP閥第四章電空制動原理在實車施行制動的過程中，制動控制計算機則進行正向計算根據制動指令對應的制動減速度、列車當前車速和重量，計算出制動力大小，然后進行電制動和空氣制動的分配。根據電制動優先原則，發出電制動請求指令，根據電制動力的反饋，決定空氣制動力第四章電空制動原理3、控制系統模式（1）恒制動率模式無論空載、滿員、超員，都保證列車在同一速度下的減速度與司機制動控制器手柄的位置的對應關系不變。恒功率制動控制常作成開環控制，指根據制動減速的形成控制量即制動力。第四章電空制動原理由于制動控制計算機的傳感器采樣、計算和控制周期很短，對設計和調試完善的制動控制系統，計算機不斷地更新制動力，并不會有大的誤差。（2）空氣制動延后控制操縱制動時，總是先用電氣再生制動，制動力不足時再用空氣制動補充第四章電空制動原理兩種策略1）空氣制動延后——等磨耗控制拖車空氣制動與動車空氣制動均勻補充的控制策略2）空氣制動延后——拖車空氣制動優先補充控制在需要空氣制動作補充時，拖車空氣制動優先補充，拖車空氣制動全部發揮后，若制動力不足，則由動車空氣制動連續補充第四章電空制動原理4、制動力調整與定速模式列車制動力由司機控制器的操縱位置決定，在定速模式下，制動力是否是不變的呢？第四章電空制動原理制動力由司機制動控制器的操縱位置決定在列車運行定速模式（目標速度模式），為維持列車穩定的運行速度，牽引控制單元和制動控制單元交替產生牽引力或制動力，以適應線路阻力的變化這時的制動力控制指令由列車控制網絡的控制計算機發出，經網絡傳輸，由牽引控制單元和制動控制單元根據指令執行第四章電空制動原理5、制動力的調整和停車位置控制動車門停止位置與安全門或屏蔽門的精確對位第四章電空制動原理四、制動控制單元BCU——BrakeControlUnit制動控制單元制動控制裝置的組成制動控制裝置的作用第四章電空制動原理制動控制裝置：制動控制器、空氣制動上所需的各種閥門及風缸制動控制裝置進行下述制動作用的控制：常用制動、快速制動、緊急制動、耐雪制動第四章電空制動原理常用制動及快速制動控制制動控制器接受光纖及硬導線發來的常用制動或快速制動指令，接合運行速度、空氣彈簧壓力、再生制動力等各項因素，算出空氣制動力，然后輸出控制電流緊急制動控制緊急電磁閥立即發出動作把緊急制動控制風壓宋到中繼閥，在中繼閥放大后，使壓力空氣送到制動缸第四章電空制動原理第二節模擬型EP閥及其控制模擬型EP電空變換閥屬于控制閥的一種作用：把制動控制器BCU發來的對應制動力的電流指令變換為空氣壓力。控制效果：空氣壓力能連續且無級地變化后續：該壓力作為控制信號控制中繼閥的供風、排氣的工作空氣壓力。第四章電空制動原理第四章電空制動原理EP閥由電磁鐵部、供氣部、排氣部構成原理：電流通過電磁鐵線圈時產生吸引力打開供氣閥，而供給壓力。只要改變電流通道電磁鐵線圈的電流大小，就能控制電磁閥吸引力的大小，進而可以任意設定空氣壓力動畫第四章電空制動原理一、模擬型EP閥作用原理模擬型EP閥是一種專用電磁閥，組成部分見4-1制動位、保壓位、緩解位第四章電空制動原理制動、保壓位接收到電氣指令→電磁閥勵磁→柱塞動作使排氣活塞上升→供排氣閥接觸排氣閥座而關閉排氣孔以壓力上頂供排氣閥→從供氣管路a輸送來的空氣流到中繼閥管路b，成為中繼閥的預控壓力→同時壓力空氣流入到橡膠膜板上面腔室，將達到電氣指令所需的壓力→模板及排氣活塞被它壓下，供排氣閥也同時下降，接觸到排氣閥座，而關閉供氣通路，達到平衡位置管路a管路b排氣口第四章電空制動原理緩解位：階段緩解、一次緩解階段緩解：指令電流下降，電磁閥的輸出力小于膜板承受力，下壓排氣活塞，與供排氣閥脫離，中繼閥管b的空氣經排氣活塞通路排到大氣。平衡腔的壓力降低到等于指令電流對應的壓力，排氣閥座落到供排氣閥，使排氣管路關閉，重新回到平衡位置第四章電空制動原理一次緩解：指令電流歸零，電磁閥的輸出也為零，排氣活塞受到膜板上方壓力，下移時排氣閥座脫離供排氣閥，管路b的壓力通過排氣管路排到大氣，形成徹底緩解第四章電空制動原理二、模擬型EP閥的控制要想控制電空制動力，如何實現呢？控制模擬型EP閥的驅動電流，就能夠控制電空制動力。所以：模擬型EP閥的特點是必須有驅動電流控制裝置在制動控制單元，這是由微機進行精確的電流控制的第四章電空制動原理小結模擬型EP閥優點：只要提供驅動電流，就能夠產生與電流大小成比例的空氣壓力，這樣很容易形成不通過微機就能夠實現的備用制動缺點：模擬EP閥響應、控制精度與EP閥的結構和性能關系很大，必須完善控制方法才能得到較好的控制精度和響應特性存在特性滯后第四章電空制動原理由于模擬EP閥的結構中存在多方面的非線性因素，如移動間隙、干摩擦、膜板和彈簧彈性的非線性，電磁鐵勵磁電流與電磁力的非線性等，引起控制電流增大行程和檢修的返回行程，同樣電流對應的輸出空氣壓力不等的現象，類似于回差第四章電空制動原理空氣制動指令輸出空氣壓力滯后補償后滯后量滯后補償前滯后補償量控制電流增加控制電流降低EP閥滯后及其補償控制可見：滯后特性引起制動力與制動指令的不唯一性，因此必須予以消除可采用輸出電流值補償的方法，消除滯后作用第四章電空制動原理緩解保證控制制動緩解時，為了使電空變換閥處于緩解位，系統對電空變換閥電磁閥勵磁電流進行電流偏差控制第四章電空制動原理EP閥的控制特性分析：滯后特性：1、模擬型EP閥的響應、控制精度與EP閥的結構及其性能關系很大，必須完善控制方法才能得到較好的控制精度和響應特性2、存在滯后特性第四章電空制動原理引起滯后的因素：電磁鐵勵磁電流與電磁力的非線性引起滯后干摩擦的影響預緊力的影響第四章電空制動原理電磁鐵勵磁電流與電磁力的非線性引起滯后（1）導體的磁化與外加此處的增加不是線性關系，而且磁化所產生的磁感應強度不會隨著外磁場的增強而無限增強。圖4-11第四章電空制動原理（2）磁滯性是指導磁體中磁感應強度B的變化總是滯后于外磁場變化的特性，導磁體在交變磁場中反復磁化時，B-H曲線是一條閉合曲線，成為磁滯回線，圖4-12第四章電空制動原理制動過程中，ＢＣＵ制動指令為電流信號，電磁力的產生則是電流通過電磁鐵產生的，給電磁閥供電，形成電磁場，具有一定的磁場強度Ｈ，在該磁場中的導磁體產生一定的磁感應強度Ｂ，通常情況下：電磁力Ｆ∝磁感應強度Ｂ磁場強度Ｈ∝勵磁電流Ｉ第四章電空制動原理由于導體的非線性、磁飽和性、磁滯性，所得到的電磁力與電流的關系、磁場強度與磁感應強度的關系都存在著回滯和非線性。為改變由于電磁部分造成的空氣壓力的滯后特性，對比例電磁鐵要求有如下幾點：第四章電空制動原理具有水平吸力特性——把電流信號按比例地、連續的轉換成力的輸出具有足夠的輸出力和行程，結構緊湊，體積小線性好，死區小，靈敏度高，滯后小動態性能好，響應速度快在允許溫升下能夠穩定的工作能承受高壓，抗干擾性好第四章電空制動原理引起滯后的因素：電磁鐵勵磁電流與電磁力的非線性引起滯后干摩擦的影響預緊力的影響第四章電空制動原理干摩擦的影響：活塞運動時，閥的內部如柱塞與密封件、膜板內部等都存在摩擦靜摩擦力滑動摩擦力剛加載電流時，電磁力與彈簧力合力沒有增大到足夠克服最大靜摩擦力之前，活塞并不產生運動；當電流增大到一個數值時，才能夠克服較大的靜摩擦力當機構運動后，變成滑動摩擦力，較靜摩擦力小，也會造成供排氣閥的滯后第四章電空制動原理引起滯后的因素：電磁鐵勵磁電流與電磁力的非線性引起滯后干摩擦的影響預緊力的影響第四章電空制動原理預緊力是復位彈簧所有的，目的是讓列車在正常運行時，不發生非正常制動，圖4-13圖中，a口為通風源，在未發出制動指令時，復位彈簧必須有一定的壓力，使得進出風口有一定的預緊力，在非正常情況下不會打開造成漏風導致誤動作，在制動緩解時，也必須保證排風口打開的情況下，進風口關進，否則會造成制動緩解慢，甚至不緩解第四章電空制動原理EP閥的控制特性分析：二、EP閥的上電初態空氣制動指令（mA）輸出空氣壓力（Kpa）緊急制動快速制動650209189685485P=1.5I-306P=1.5I-284當司機插上鑰匙，手柄回撥到快速位，電流沿X軸由0增加到209，再沿著P=1.5I-306的直線，增加到EP所在的電流值，滯后司機再將手柄回轉到運轉位，電流由于滯后特性，沿著P=1.5I-284回到189，此時，無制動力存在第四章電空制動原理電流的閉環控制電磁線圈與一標準電阻串聯，計算機通過傳感器檢測標準電阻上的電流變化，調整控制電流的輸出空氣壓力的自反饋EP閥的輸出部分就是一個反饋回路，控制供氣閥的開關EP閥的控制特性分析：三、EP閥的閉環反饋控制第四章電空制動原理第三節開關型EP閥及其控制一、開關型EP閥的組成二、開關型EP閥的控制三、開關型EP閥的缺點四、模擬型EP閥和開關型EP閥的比較第四章電空制動原理一、開關型EP閥的組成氣動閥、空氣壓力傳感器、控制計算機圖4-16G：空氣壓力傳感器（P/I），電量送到控制計算機，根據預定的空氣壓力控制A1和A2的開關，控制輸出壓力A1和A2為二位二通電磁換向閥E：控制緊急制動空氣壓力的二位三通電磁換向閥第四章電空制動原理控制過程：常用制動位：制動環路帶電，E勵磁，切斷制動風缸經E的輸出空氣通路，計算機給出空氣壓力計算值后，A1首先由勵磁變為失電，來自制動風缸的空氣經過A1送到E,輸出建立空氣壓力，同時A2也由勵磁變為失電，切斷輸出經A2的排風通路，當輸出側空氣壓力達到預定值時，壓力傳感器G給出相應壓力信號，計算機控制A1得電勵磁，停止供風，輸出側的空氣壓力即送到中繼閥作為預控壓力。EP閥處于保壓狀態第四章電空制動原理緩解：計算機控制A2得電勵磁，輸出側空氣經A2排風，壓力降低，達到預定值時，A2失電，EP閥重新處于保壓狀態。第四章電空制動原理開關型ＥＰ閥優點：能方便地實現階段制動、階段緩解、自動補風保壓缺點：輸出側空氣壓力的控制離不開計算機的控制第四章電空制動原理第三節開關型EP閥及其控制一、開關型EP閥的組成二、開關型EP閥的控制三、開關型EP閥的缺點四、模擬型EP閥和開關型EP閥的比較第四章電空制動原理二、開關型EP閥的控制開關型EP閥要接合A1、A2電磁閥及壓力傳感器由制動計算機形成反饋控制簡單的開關控制動態響應及靜態精度都不好，在實際工程應用中，較多采用以下兩種：帶閾值的開關控制采用基于PWM的高速開關型比例控制第四章電空制動原理帶閾值的開關控制：設置一定的開關閾值，以避免過多的震蕩和沖擊，基本控制動作依然是在傳感器監視下，對A1、A2實行開關控制，提高對閾值的調整，可以在電磁閥的2~3次動作即能夠建立預定壓力第四章電空制動原理采用基于PWM的高速開關型比例控制采用高速電磁閥，每次打開充氣電磁閥的時間根據控制脈沖寬度決定高速電磁閥的開關響應速度可高達1ms，在脈寬調制下，實現對空氣壓力的控制第四章電空制動原理第三節開關型EP閥及其控制一、開關型EP閥的組成二、開關型EP閥的控制三、開關型EP閥的缺點四、模擬型EP閥和開關型EP閥的比較第四章電空制動原理三、開關型EP閥的缺點EP閥的控制根據容積風缸壓力傳感器反饋的壓力信號進行閉環控制，而壓力信號又有一定的滯后不同型號的壓力傳感器，精度、溫度系數存在差異，壓力反饋也存在差異壓力傳感器不同的安裝位置影響實測的壓力值數字式電空閥是閉合控制，控制精度較高，但電磁閥的開斷時間的存在，系統中存在非線性滯后環節，存在穩態誤差是不可消除的第四章電空制動原理第三節開關型EP閥及其控制一、開關型EP閥的組成二、開關型EP閥的控制三、開關型EP閥的缺點四、模擬型EP閥和開關型EP閥的比較第四章電空制動原理四、模擬型EP閥和開關型EP閥的比較模擬型：容易實現連續性，控制原理簡單，減少電磁閥的控制次數，精度較高。