专利名称：高速列车制动电子控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高速列车制动电子控制器，用于微机直通电空制动系统，属于高速列车中的制动控制系统技术领域。
背景技术：
电空(Electro-Pneumatic，简称EP)制动系统，即电控空气制动系统，是在空气制动机的基础上加装电磁阀等电气控制部件而形成的制动控制系统。在高速列车中得到广泛应用。然而，现有用于微机直通电空制动系统的制动电子控制器仍然存在以下不足I、不具有防滑控制功能，车轮滑行的检测与控制通过专用防滑器控制；2、通过冗余硬连线接收来自列车中央控制单元的制动指令信号，布线复杂；3、制动缸压力通过高速开关电磁阀控制，控制算法复杂，实现难度大；4、模拟输入/输出电路采用电位器进行调谐，调谐过程复杂；5、压力传感器与制动电子控制器的距离较远，信号传输抗干扰性差。
发明内容
本发明提供一种高速列车制动电子控制器，用以实现防滑控制功能。本发明一方面提供了一种高速列车制动电子控制器，其中包括主控单元10、通信单元20、信号调理单元30，其中所述通信单元20通过光纤与车辆控制装置相连，用于接收由所述车辆控制装置发出的制动指令，并将该制动指令转换为开关量输入信号；所述信号调理单元30用于将来自于所述通信单元20的开关量输入信号、来自于压力传感器的压力传感信号及来自于速度传感器的速度传感信号进行调理后发送给所述主控单元10 ；所述主控单元10用于当接收到所述开关量输入信号后，根据所述速度传感信号生成防滑控制信号，经所述信号调理单元30的调理后发送给防滑阀，并根据所述压力传感信号生成电空阀控制信号，经所述信号调理单元30的调理后发送给电空阀。本发明电子控制器结构简单紧凑、性价比高、具有列车网络传输制动指令功能、可靠性高，可用于高速列车微机直通电空制动系统。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为本发明所述高速列车制动电子控制器实施例的总体框架结构示意图；图2为图I所示主控单元10的内部结构示意图3为数字调谐原理示意图；图4为图I所示通信单元20的内部结构示意图；图5为图I所示电子控制器中EP阀控制信号的输出电路的内部结构示意图；图6为图I所示防滑阀控制单元40的内部结构示意图。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图I为本发明所述高速列车制动电子控制器实施例的总体框架结构示意图，如图所示，该高速列车制动电子控制器包括主控单元10、通信单元20、信号调理单元30,其基本结构如下当车辆要进行制动时，由车辆控制装置发出制动指令，所述通信单元20通过光纤与车辆控制装置相连，接收由所述车辆控制装置发出的制动指令后，将该制动指令转换为开关量输入信号；所述信号调理单元30将来自于所述通信单元20的开关量输入信号、来自于压力传感器的压力传感信号及来自于速度传感器的速度传感信号进行调理后发送给所述主控单元10 ;所述主控单元10当接收到所述开关量输入信号后，根据所述速度传感信号生成防滑控制信号，经所述信号调理单元30的调理后发送给防滑阀，以实现对车辆的防滑控制，并根据所述压力传感信号生成电空阀控制信号，经所述信号调理单元30的调理后发送给电空阀，以实现对车辆的制动控制。其中，所述压力传感信号和速度传感信号均属于图 I中所示的模拟量输入信号。另外，如图I所示，该电子控制器还可以进一步包括防滑控制单元40及电源管理单元50。其中，防滑控制单元40分别与所述主控单元10和所述信号调理单元30相连，用于将所述主控单元10生成的防滑控制信号放大为脉宽调制信号后发送给所述信号调理单元30。所述电源管理单元50与上述各单元相连，用于进行电源管理。以下对上述各单元及关键内容进行详细说明车辆控制装置车辆控制装置是高速列车上用于对车辆进行控制的装置。当驾驶员发出制动指令时，该车辆控制装置会发出制动指令以及时间同步等信息。通信单元20通信单元20通过光纤与车辆控制装置相连，用于接收由所述车辆控制装置发出的制动指令以及时间同步等信息。此后，该通信单元20将该制动指令转换为开关量输入信号通过硬连线经信号调理单元30传送给主控单元10。另外，该通信单元20还可以将制动指令和时间同步信息通过串口线传送至主控单元10。此后，主控单元10将制动电子控制器的运行状态和故障信息经串口线送至通信单元20，再通过光纤传送至车辆控制装置。以实现主控单元10与车辆控制装置之间的通信。所述通信单元20主要承担主控单元10与车辆控制装置的通信任务，例如可以采用点对点通信方式，采用级数据链路控制(High-Level Data LinkControl,简称HDLC)通信协议，通信介质为光纤，通信速率为192kbps。具体地，如图4所示，通信单元20中的主处理器采用16位的单片机21，来自于车辆控制装置的制动指令经光纤送入通信单元20 ;通信单元20上的光纤转换接头(图中未示出)将光信号转变为电信号后经单片机21的异步串行通信口(SCI)送入单片机；单片机解读传送来的制动指令并通过通用输入输出(IO) 口、 光耦隔离后经8根硬连线送入主控单元10，其中，这8根硬连线分别传输常用I至7级制动指令和I个牵引指令信号。由于在图I中，通信单元20安装在电源管理单元50的上方，为提高通信的可靠性，对于主控单元10与通信单元20的通信，采用20mA电流环的串口线进行通信，通信速率为19. 2kbps。来自于主控单元10的信号在通信单元20上经光耦隔离后送至单片机21的 SCI 口。车辆控制装置发送的控制指令经通信单元解读后经硬连线传输至主控单元10，制动电子控制器的运行状态和故障信息经20mA电流环的串口通信传输至通信单元20。这种结构可靠保证控制指令传输的实时性和可靠性，同时又充分利用了列车总线的信号传输功能，简化了制动电子控制器与车辆控制装置间的复杂布线。信号调理单元30所述信号调理单元30用于将来自于所述通信单元20的开关量输入信号、来自于压力传感器的压力传感信号及来自于速度传感器的速度传感信号进行调理后发送给所述主控单元10。具体地，如图2所示，所述信号调理单元30上安装有3个50芯插座，模拟量输入信号通过50芯插座经信号调理单元30直接送入主控单元10，经信号调理单元30执行的电压跟随、压频转换和光电隔离等信号调理后由主处理单元10进行采集。开关量输入信号也可以通过50芯插座经信号调理单元30进行信号调理后送至主控单元10上，主处理单元10可以通过外部总线读取开关量输入信号，主控单元10的开关量输出信号经信号调理单元30调理后由50芯插座输出。主控单元10输出的防滑控制信号DC5V的脉宽调制 (PWM)信号经防滑控制单元40放大为DCllOV的PWM驱动信号后，再送至信号调理单元30 由50芯插座输出至防滑阀，该防滑阀安装在车辆的四个车轴上，在所述防滑控制信号的驱动下控制车轴的转动，以起到防滑的作用。另外，为保证制动指令传送的可靠性，在车辆控制装置和信号调理单元30间设有两根备用制动指令线，如图I所示，该备用制动指令线为两根，分别用于传输备用指令A和备用指令B。在光纤通信发生故障时，车辆控制装置还可以通过该备用制动指令线向信号调理单元30传送备用制动指令，信号调理单元30再将备用制动指令传送至主控单元10。压力传感器本实施例所述高速列车制动电子控制器可以装设于制动系统的控制柜内的气路板上，在该高速列车制动电子控制器的机箱底部设置有压力传感器，所述压力传感器用于将所述制动系统的气路控制压力信号转换为所述压力传感信号发送给所述信号调理单元 30。其中，所述压力传感器可以为四个。气路控制压力信号包括总风缸压力信号、制动缸压力信号、前转向架载重压力信号和后转向架载重压力信号，这些压力信号通过气路板上的气路通道直接进入高速列车制动电子控制器的机箱底部，由压力传感器将这些压力信号转换为压力传感信号后发送给所述信号调理单元30。具体地，所述主控单元10通过对输入模拟量信号(包括压力传感信号和速度传感信号)进行调谐控制以生成相应的防滑控制信号和电空阀控制信号。如图3所示，以压力输入回路为例，模拟输入输出回路的数字调谐原理为压力传感信号P与电压V的关系为 P = AV+B，公式中，A为斜率，B为电压为O时对应的空气压力值。由于输入回路元器件参数不同，对应的A、B值也不相同。调谐时，首先输入空气压力P1，制动电子控制器采样到的电压为Vl ;再输入空气压力P2，制动电子控制器采样到的电压为V2。分别将P1、V1和P2、 V2带入公式P = AV+B,求得A和B值，并将它们存储到EEPROM中。这样，根据采样到的电压值V，就可以根据公式P = AV+B求得输入的压力值。速度传感器速度传感器装设于车辆的四个车轴上，通过测量车轴的转速率生成速度传感信号，该速度传感信号为脉冲信号，如正弦或方波信号，经信号调理单元30的调理后进入主控单元10。具体地，如图2所示，速度传感信号作为一种模拟量输入信号经信号调理单元 30的电压跟随、压频转换、光耦隔离后送至主处理器11的四个PWM信号捕获口，由主处理器11计算出PWM波的周期，再计算出速度、减速度、速度差和滑移率，根据计算出的这些数据生成防滑控制信号。丰控单元10如图2所示，本实施例所述主控单元10的主处理器11可以采用32位单片机，为方便今后的产品化，程序代码存储在通过外部总线外扩的FLASH存储器12中，容量为IM字节，主处理器11通过16位外部总线读取存储在FLASH存储器12中的代码。为实时保存制动控制系统的故障信息，采用两片外扩的静态随机存储器(Static Random Access Memory, 简称SRAM)作为高速存储模块13，用于存储故障信息，具体地，可以存储故障发生前10秒和后2秒的故障信息，容量各为4M字节。主处理器11通过外部总线向高速存储模块13读写故障信息，为防止系统掉电后故障信息的丢失，主控单元10配备有电池，用于在系统断电后对高速存储模块13供电。来自信号调理单元30的开关量输入信号经反相器、锁存器，再经外部总线送至主处理器11的开关量输入输出模块(DI/D0)(图中未不出)；由开关量输入输出模块输出的开关量输出信号也经外部总线送至锁存器，经反相器反相后输出至信号调理单元30。来自信号调理单元30的模拟量输入信号，如再生制动力电压信号(O 10V)，来自相邻动车的电制动力信号(10 30mA)，在主控单元10上经电压跟随、压频转换后，转换为频率信号，再经光耦隔离后送至主处理器11的模拟量输入输出模块(AI/A0)16。该模拟量输入输出模块16输出的模拟量输出信号，如再生制动力请求(O 20V)，动车的富余电制动力信号(10 30mA),由主处理器11输出PWM信号，经光I禹隔离、滤波稳压和比较放大后输出至信号调理单元30。通过调整PWM波的脉宽可调节模拟量输出信号的数值，PWM波的频率恒定。对于EP阀的电流控制，由单片机的专用PWM 口，输出频率可调的PWM信号，经光耦隔离后送至频压转换器，转换为电压后再经电压跟随、比较放大后用于驱动MOS管，通过 MOS管接通与关断施加在EP阀上的DCllOV电压。通过调节PWM信号的频率，即可控制EP 阀上的电流大小。主控单元直接输出DCllOV的PWM电压驱动电空比例电磁阀(EP阀)，通过调节EP阀电流控制制动缸压力。主处理器11上专用的PWM 口输出4路防滑控制信号至防滑控制单元40，该频率恒定且脉宽可调。主处理器11的串行接口模块15通过SC I 口经串口线与通信单元20进行串口通信，通信速率为19. 2kbps，用于接收来自通信单元的制动指令(该制动指令仅供主处理器 11参考)和时间同步等信息，并向通信单元发送运行状态和故障信息。实时时钟(RTC)用于为制动电子控制器提供时间基准，型号例如为RTC62423。看门狗定时器的型号例如为TA8030，用于监控主处理器11，在主处理器11工作异常(如工作电压过低或其它干扰)时，复位单片机系统。主处理器11还通过通用I/O 口与掉电存储模块14相连，该掉电存储模块14 例如可以为串行的电可擦可编程只读存储器(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory,简称EEPR0M)，主要用于存储对所述压力传感信号和速度传感信号进行调谐时使用的调谐参数，以防系统掉电时丢失数据。系统初始化时，主处理器11会从 EEPROM读取这些调谐参数，并根据这些调谐参数对输入模拟量信号(包括压力传感信号和速度传感信号)和输出模拟量信号进行调谐。在数字调谐时，通过拨动显示面板上的旋钮进入数字调谐处理程序，逐路对模拟输入输出回路进行调谐，并将确定好的调谐参数存储至掉电存储模块14。EP阀控制信号的输出电路如图5所示，EP阀采用线性比例阀，其输入电流与EP阀输出压力为线性关系，通过调整EP阀的电流来控制制动缸的压力大小，进而控制空气制动力大小。对于EP阀电流的控制，采用PWM波的调频控制，CPU输出频率可调的PWM信号，经光电隔离后送至频压转换器， 输出目标控制电压，并经电压跟随后送至电压比较器，同时EP电流输出端的采样电阻反馈的实际电压也反馈至电压比较器，反馈电压与目标电压进行比较，当反馈电压低于目标控制电压时，比较器输出高电平，驱动三极管导通，DClIOV电压施加在EP阀上，EP阀上形成电流，采样电阻上电压增大；当反馈电压高于目标控制电压时，比较器输出低电平，三极管关断，EP阀上无DCllOV电压，EP阀上电流经续流二极管形成回路并逐渐减小，采样电阻上电压减小；因此，通过目标电压与反馈电压的比较，三极管不断处于导通与关断状态，从而使 EP电流稳定在目标电流值。防滑控制单元40如图6所示，具体实施例中，主控单元10通过检测速度传感器发送来的速度传感信号，计算速度、减速度、速度差、滑移率，根据滑行判据判断车轮是否滑行，一旦判断某轮发生滑行，则通过PWM 口输出频率固定，脉宽可调的PWM信号作为防滑控制信号至防滑控制单元40 ;在防滑控制单元40中经光电隔离、信号放大、过流保护和过压保护后输出至防滑阀，施加在防滑阀上的是DCllOV的PWM电压信号，通过控制PWM脉宽，可以调节施加在防滑阀上的等效电压，这样，在防滑阀开启时，可增大PWM脉宽，提高等效电压，以提高防滑阀开启速度；当防滑阀开启一定时间后(I秒钟)，通过减小PWM脉宽，降低防滑上等效电压，提高防滑阀使用寿命。本实施例所述电子控制器结构简单紧凑、性价比高、具有列车网络传输制动指令功能、可靠性高，可用于高速列车微机直通电空制动系统。具体地，与现有技术相比，本实施例所述电子控制器的优点在于I、本实施例所述高速列车制动电子控制器具有滑行检测与控制功能。通过四个车轴上速度传感器发出的脉冲信号经主控单元10上的信号调理电路30送至主处理器11，主处理器实时计算四个车轴的速度、减速度、速度差和滑移率，根据滑行判据判断车轮是否滑行。一旦检测到滑行，主控单元即向防滑控制单元输出控制信号，由防滑控制单元向防滑阀输出DCllOV的PWM驱动信号，通过排气来降低滑行轴上制动缸压力，待粘着恢复后即停止 PWM信号的输出。2、本实施例所述高速列车制动电子控制器的通信单元20采用16位数字处理器控制，经光纤接收来自车辆控制装置的制动指令，并将制动状态和故障等信息经光纤传送至车辆控制装置。为提高制动指令接收的实时性与可靠性，通信单元接收到的控制指令(I至 7级制动指令、牵引)后，通过8根DC24V硬连线送至主控单元。同时，主控单元10将制动状态和故障等信息通过SCI串口先送至通信单元，通信单元再将接收到信息经光纤送至车辆控制装置。该设计充分保证了制动控制指令经网络传输的实时性和可靠性且布线简单。3、本实施例所述高速列车制动电子控制器通过DCllOV的PWM电压信号驱动EP 阀，通过改变PWM信号的频率即可调节EP阀上的电流大小，进而控制制动缸的压力，控制算法简单，易于实现。4、本实施例所述高速列车制动电子控制器采用数字调谐方法对模拟输入/输出回路进行参数整定，整个过程方便、快捷、准确。5、由于压力传感器直接安装在制动电子控制器内，使得压力传感信号至信号调理单元30的传输距离短，因此降低了信号干扰，不必采用电流型传感器，从而省去了电流至电压的调理电路，整个结构具有简单紧凑，抗干扰性能高的优点。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种高速列车制动电子控制器，其特征在于，包括主控单元(10)、通信单元(20)、信号调理单元(30)，其中所述通信单元(20)通过光纤与车辆控制装置相连，用于接收由所述车辆控制装置发出的制动指令，并将该制动指令转换为开关量输入信号；所述信号调理单元(30)用于将来自于所述通信单元(20)的开关量输入信号、来自于压力传感器的压力传感信号及来自于速度传感器的速度传感信号进行调理后发送给所述主控单元(10)；所述主控单元(10)用于当接收到所述开关量输入信号后，根据所述速度传感信号生成防滑控制信号，经所述信号调理单元(30)的调理后发送给防滑阀，并根据所述压力传感信号生成电空阀控制信号，经所述信号调理单元(30)的调理后发送给电空阀。
2.根据权利要求I所述的高速列车制动电子控制器，其特征在于，还包括防滑控制单元(40)，分别与所述主控单元(10)和所述信号调理单元(30)相连，用于将所述主控单元(10)生成的防滑控制信号放大为脉宽调制信号后发送给所述信号调理单元(30)。
3.根据权利要求I所述的高速列车制动电子控制器，其特征在于所述主控单元(10) 还通过串口线与所述通信单元(20)相连，用于通过所述串口线接收来自于所述车辆控制装置的制动指令和时间同步信息，并向所述车辆控制装置发送运行状态和故障信息。
4.根据权利要求3所述的高速列车制动电子控制器，其特征在于所述串口线为采用 20mA电流环的串口线。
5.根据权利要求I所述的高速列车制动电子控制器，其特征在于所述高速列车制动电子控制器装设于制动系统的控制柜内的气路板上，在该高速列车制动电子控制器的机箱底部设置有压力传感器，所述压力传感器用于将所述制动系统的气路控制压力信号转换为所述压力传感信号发送给所述信号调理单元(30)。
6.根据权利要求I所述的高速列车制动电子控制器，其特征在于所述信号调理单元(30)还通过备用制动指令线与所述车辆控制装置连接，用于接收来自于所述车辆控制装置的备用指令。
7.根据权利要求3所述的高速列车制动电子控制器，其特征在于，所述主控单元(10) 包括高速存储模块用于存储所述故障信息，该高速存储模块由电池供电。
8.根据权利要求7所述的高速列车制动电子控制器，其特征在于，所述高速存储模块为静态随机存储器。
9.根据权利要求I所述的高速列车制动电子控制器，其特征在于，所述主控单元(10) 包括掉电存储模块(14)，用于存储对所述压力传感信号和速度传感信号进行调谐时使用的调谐参数。
10.根据权利要求9所述的高速列车制动电子控制器，其特征在于所述掉电存储模块(14)为电可擦可编程只读存储器。
全文摘要
本发明提供一种高速列车制动电子控制器，其中包括主控单元(10)、通信单元(20)、信号调理单元(30)，其中通信单元(20)通过光纤与车辆控制装置相连，用于接收由车辆控制装置发出的制动指令，并将该制动指令转换为开关量输入信号；信号调理单元(30)用于将开关量输入信号、压力传感信号及速度传感信号进行调理；主控单元(10)用于当接收到开关量输入信号后，根据速度传感信号生成防滑控制信号，经信号调理单元(30)的调理后发送给防滑阀，并根据压力传感信号生成电空阀控制信号，经信号调理单元(30)的调理后发送给电空阀。本发明电子控制器结构简单紧凑、性价比高、具有列车网络传输制动指令功能、可靠性高。
文档编号B60T13/68GK102602387SQ20111002588
公开日2012年7月25日 申请日期2011年1月24日 优先权日2011年1月24日
发明者俞正宏, 刘作琪, 刘元清, 张斌, 杨俊 , 王红旗, 袁场, 陆啸秋 申请人:南京浦镇海泰制动设备有限公司, 铁道部运输局