專利名稱：一種機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種機車粘著控制計算方法，尤其是一種涉及機車車輛的空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法，實現(xiàn)機車空轉(zhuǎn)滑行保護優(yōu)化控制。

背景技術(shù)：
機車的牽引力產(chǎn)生于輪軌的粘著，輪重、輪軌材料的彈性及在車輪上施加的扭矩構(gòu)成了產(chǎn)生輪周牽引力的三要素。如圖1所示，在輪荷重P的作用下，輪軌接觸部分發(fā)生彈性變形，形成橢圓形接觸區(qū)。當車輪在驅(qū)動力矩T的作用下向前滾動時，輪軌材料在接觸區(qū)附近發(fā)生彈性變形，從而在接觸面上產(chǎn)生切向力F。切向力F即輪周牽引力，它使車輪滾動前進。
機車在粘著力驅(qū)動下前進時，車輪的前進速度v總是低于車輪的圓周速度R·ω。這是由于在T的作用下，輪軌接觸面產(chǎn)生向后的彈性變形所致。這個現(xiàn)象稱為蠕滑，蠕滑大小的程度用蠕滑率來表示，定義為 其中，vslip為蠕滑速度。
一般而言，隨著車輪相對車體的切向運動速度(蠕滑速度)的加快，能夠有效施加的牽引力也將增大。但是當相對運動速度超過一定值后，能夠傳遞的牽引力將不再增大而是不斷地減少。這種能夠傳遞的牽引力和車輪相對車體的切向運動速度之間的關系稱為粘著特性。如圖2所示，給出了干燥和潮濕兩種不同軌面狀態(tài)下輪軌間的粘著特性曲線。粘著(Adhesion)輪軌在一定壓力下相互接觸處于嚙合并傳遞作用力的一種物理狀態(tài)或物理現(xiàn)象。空轉(zhuǎn)(Roll)機車牽引時車輪相對于鋼軌發(fā)生明顯的滑動。滑行(Slip)機車制動時車輪相對于鋼軌發(fā)生明顯的滑動。粘著利用實際運行中輪軌間可用粘著的利用。圖中，粘著系數(shù)μ定義為沿機車縱向傳遞的牽引力，或者說輪/軌間接觸面上的切向移動力F與法向力Q之比，即 從圖2可以發(fā)現(xiàn)，雖然不同路況下的粘著特性曲線互不相同，但在各種路況下都存在相應的粘著系數(shù)最大值μmax，記粘著系數(shù)最大值μmax處的蠕滑速度為vSOPT，稱(vSOPT，μmax)為最佳粘著點，如圖2中的A、B點。顯然，路況不同，相應的最佳粘著點也不同，并且只有當粘著系數(shù)取最大值μmax時，能夠傳遞的牽引力F才能達到最大值。圖2也表明，在機車牽引/制動時，機車的粘著工作點只能在位于最高粘著點左邊的穩(wěn)定區(qū)，一旦粘著工作點處于最高粘著點右邊的非穩(wěn)定區(qū)，則將出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或滑行，此時如不快速降低機車的牽引力/制動力以將粘著工作點轉(zhuǎn)移到左邊的穩(wěn)定區(qū)，則空轉(zhuǎn)/滑行會迅速惡化，造成輪對的擦傷，嚴重地損害行車安全和輪軌壽命。
輪軌粘著特性受著多種因素的影響，包括外界環(huán)境條件、輪軌表面狀態(tài)、輪軌系統(tǒng)的振動等。嚴格的講，輪軌粘著是一個范圍。通常給定的機車粘著曲線具有統(tǒng)計的意義，是一條常規(guī)條件下保證足夠高成功率的應用特性曲線。試驗說明，機車運行中瞬態(tài)粘著系數(shù)始終在變化中，只是由于一般機車驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性很高，瞬時的粘著變化不會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因而感覺不到。
由于機車運用的條件千變?nèi)f化，牽引中，隨著司機操縱手柄的提高或軌面條件的惡化，空轉(zhuǎn)是很難避免的，如圖3所示為這兩種情況下車輪空轉(zhuǎn)發(fā)生的機理。
圖中A為正常條件下的工作點，即牽引電機驅(qū)動特性與輪軌滑動特性的交點。當司機操縱手柄位突然提高或輪軌表面條件突然惡化時(如油污等)，工作點由A轉(zhuǎn)到B，由于動輪驅(qū)動力矩大于輪軌間能傳遞的力矩，多余部分的能量(即陰影部分代表的力差)將使車輪加速轉(zhuǎn)動(考慮機車所牽引的列車質(zhì)量很大，在這一過程中列車行進的速度可認為近似不變)。空轉(zhuǎn)中驅(qū)動力矩依電機驅(qū)動特性而隨車輪轉(zhuǎn)動速度變化，如果隨速度的提高該特性下降的斜率大于輪軌滑動特性，則存在一個新的平衡點C。輪軌間處于大的滑動狀態(tài)，既損失了牽引力，又會造成輪軌的劇烈磨耗并有可能因發(fā)熱造成輪箍松弛，這是不允許的。當牽引手柄降低，使C回到粘著區(qū)，或輪軌接觸條件改善，使粘著曲線提高，與電機驅(qū)動特性的交點回到粘著區(qū)時，車輪將重建粘著。
機車有各種不同的傳動特性，如電力機車的恒流起動及恒壓起動特性及內(nèi)燃機車的雙曲線牽引特性；牽引電動機工作中也采用不同的聯(lián)接方式(如串聯(lián)及并聯(lián))及勵磁方式(如串勵、它勵、復勵)等，從而具有不同的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，造成不同的空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。如圖4所示為電機并聯(lián)條件下的恒流驅(qū)動(如以兩個輪對為一個驅(qū)動單元，且兩個輪對同時空轉(zhuǎn)時)、電機串勵或它勵時的輪對空轉(zhuǎn)特性、此時端電壓保持不變。a為串勵電機情況，b為恒流驅(qū)動情況，c為它勵電機情況。
由圖可見，在恒流驅(qū)動的條件下，隨著空轉(zhuǎn)的發(fā)生，使輪對加速度越來越大，最后可能導致“飛車”事故，這是非常危險的。
采用串勵電機時，空轉(zhuǎn)后有一個新的平衡點C，但這時的滑動速度較高，牽引力下降較多，為重建粘著需將牽引手柄降到較低的位置。
采用它勵電機時，可以達到較硬的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速特性，即特性曲線較陡，新交點C處的滑動速度較低，牽引力損失較少，比較容易重建粘著。
有的機車采用電機串聯(lián)的方式，空轉(zhuǎn)時，空轉(zhuǎn)輪對電機的反電勢加大，造成與之串聯(lián)的電機端電壓降低，導致兩臺電機的功率重新分配，將進一步惡化空轉(zhuǎn)輪對電機的工況。
由此可見，電傳動系統(tǒng)對輪對的空轉(zhuǎn)特性有很大的影響，對于空轉(zhuǎn)特性差的電傳動系統(tǒng)，要求采用更為靈敏可靠的空轉(zhuǎn)保護裝置。
初期的防空轉(zhuǎn)防滑系統(tǒng)使用的基本上是繼電器或晶體管組件，大都利用空轉(zhuǎn)支路與并聯(lián)的未空轉(zhuǎn)支路的電流差，或空轉(zhuǎn)電機與串聯(lián)的未空轉(zhuǎn)電機的電壓差，作為保護系統(tǒng)的檢測信號。這樣的保護系統(tǒng)不但體積大，精度低，而且受電機特性差異影響較大。另外，由牽引電動機的轉(zhuǎn)速特性決定，低速與高速具有相同的轉(zhuǎn)速差時，低速時的電流差值較大；因為低速時電動機的磁通大，故低速與高速具有相同的轉(zhuǎn)速差時，低速時的電壓差值較大。所以，這種利用電流差或電壓差作為檢測信號的空轉(zhuǎn)保護系統(tǒng)，列車在低速運行時，其保護比較靈敏；而在高速運行時，靈敏度較差。
現(xiàn)代列車防空轉(zhuǎn)防滑系統(tǒng)能使列車在鄰近最大粘著系數(shù)的條件下運用，即在防止粘著破壞的前提下，充分發(fā)揮牽引力。其設計重點應放在列車起動加速和惡劣軌面、天氣條件下的粘著利用上。
較新的防空轉(zhuǎn)防滑系統(tǒng)，采用了大量的邏輯電路和集成運算放大器電路。直接利用各輪對之間的轉(zhuǎn)速差及輪對自身的加速度等信號電壓作為鑒別空轉(zhuǎn)/滑行的信號源。這樣的保護系統(tǒng)不但體積減小了，功能增強，而且信號源的精度也大為提高。但是，由于系統(tǒng)本身沒有記憶功能，是一個電子模擬系統(tǒng)，因此其精度和靈敏度都還欠佳。
近年來，有些國家又成功研制用微處理器控制的防空轉(zhuǎn)防滑系統(tǒng)，該系統(tǒng)能以更高的精度和速度準確地處理信息，只要將設計的控制基準值預先輸入微機內(nèi)存，微處理器就會切實發(fā)揮其控制功能，實現(xiàn)單獨處理和控制每一個輪對粘著性能的目標。
目前國內(nèi)交直機車主要采用組合校正法進行防空轉(zhuǎn)防滑控制，組合校正法中粘著控制系統(tǒng)通過各動輪間的線速度差Δv以及每個動輪的線加速度dv/dt來判斷其空轉(zhuǎn)程度，動輪牽引力旦超過粘著值，空轉(zhuǎn)或空轉(zhuǎn)趨勢達到一定程度的時候，則快速并深度削減動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，使空轉(zhuǎn)得到強烈的抑制；進入再粘著恢復區(qū)后，又迅速恢復牽引力；當回升到空轉(zhuǎn)前轉(zhuǎn)矩的85％-90％時，再以緩慢速率增長，以便尋找下一個粘著極限點，用這樣短時超越粘著最大值，又不讓空轉(zhuǎn)發(fā)展的簡單方法，使輪軌經(jīng)常運用在高粘著區(qū)。而每次校正削減造成的牽引力損失都應該盡量減小。由于校正型系統(tǒng)對邊界條件的設定要求較嚴格，因此在未進行大量實驗研究基礎上調(diào)定的參數(shù)有可能影響機車的牽引性能發(fā)揮，甚至影響機車的正常運行。
組合校正法的具體過程是首先對車輪加速度進行判斷，當加速度超過一定閾值時表示空轉(zhuǎn)滑行現(xiàn)象比較嚴重，則快速深度削減動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；如果車輪加速度沒有超過閾值，則對蠕滑速度進行判斷，當蠕滑速度超過閾值時，對驅(qū)動轉(zhuǎn)矩進行較大幅度的調(diào)整；反之，判定為正常運行狀況。如圖5所示的組合校正法控制框圖(包含兩個轉(zhuǎn)向架，共四個輪軸)。
組合校正法在算法上不是特別復雜，但它反應速度快，風險低，是一種可靠的控制方法，因此被廣泛應用于國內(nèi)外列車的粘著控制系統(tǒng)中。國外動車組系統(tǒng)中采用現(xiàn)代智能控制方法尋求粘著最優(yōu)化，但依然采用組合校正法作為粘著控制的基礎及后備，以保證列車行駛安全。
一種目前最為接近的現(xiàn)有技術(shù)給出了組合校正法的具體實現(xiàn)步驟和流程，此處簡述如下。
系統(tǒng)初始給定一個轉(zhuǎn)矩Te(文中選取5000N*m)，首先對加速度進行判斷，如果加速度超過閾值10.0m/s2，判定為空轉(zhuǎn)失控狀況，用加速度標準法進行控制先將驅(qū)動轉(zhuǎn)矩在50ms內(nèi)降為原有轉(zhuǎn)矩的75％并持續(xù)0.45s，之后再在50ms內(nèi)將轉(zhuǎn)矩降到50％Te并保持0.95s；然后在0.5s內(nèi)轉(zhuǎn)矩由50％Te升到75％Te并保持0.5s，再在接下來的1.5s內(nèi)將轉(zhuǎn)矩升到初始值。此時再判斷一次加速度的大小，超過閾值則重新判定為空轉(zhuǎn)失控狀況，重復以上操作；不超過閾值判定為正常運行狀況，繼續(xù)提供初始轉(zhuǎn)矩Te。
如果加速度沒有超過閾值，則對蠕滑率進行判斷。蠕滑率小于閾值0.01，判定為正常運行，提供初始轉(zhuǎn)矩；反之，判定為打滑狀況，采用蠕滑率極值法先將轉(zhuǎn)矩在50ms內(nèi)降為原有轉(zhuǎn)矩的0.75％并持續(xù)0.45s，再在50ms的時間內(nèi)將轉(zhuǎn)矩降至50％Te并保持0.45s，再使轉(zhuǎn)矩在接下來的0.5s內(nèi)由50％Te升為75％Te。然后對蠕滑率再次進行判斷，如果小于閾值則認為正常，使轉(zhuǎn)矩保持在75％Te1s，然后在接下來的1s內(nèi)將力矩恢復至90％Te，然后使轉(zhuǎn)矩在1s內(nèi)恢復至初始值；反之則重新判定為打滑狀況，重復上述操作。以上操作結(jié)束時再對蠕滑率進行判定，小于閾值則判定為正常運行狀況，提供初始轉(zhuǎn)矩，反之則繼續(xù)重復蠕滑率極值法。
其控制方法流程如圖6所示。
但是現(xiàn)有技術(shù)組合校正法存在著以下缺陷 一是，組合校正法中，無論空轉(zhuǎn)/滑行的程度如何，力矩的卸載策略都是固定不變的，沒有考慮卸載過程中的輪軌粘著狀態(tài)，這往往造成兩種后果一是卸載深度不夠，空轉(zhuǎn)/滑行未得到完全抑制；二是卸載深度過大，造成機車牽引力損失。
二是，在組合校正法中，只有當加速度或者蠕滑率小于設定的閾值時系統(tǒng)才會停止卸載，這將導致卸載深度過大的后果，不僅使機車牽引力損失過大，影響機車的粘著利用，而且造成機車前后沖擊。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法，該發(fā)明可以很好地克服現(xiàn)有技術(shù)存在的卸載深度過大，不僅使機車牽引力損失過大，影響機車的粘著利用，而且造成機車前后沖擊的技術(shù)問題。該發(fā)明提出一種新的機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法，在使機車輪對空轉(zhuǎn)滑行得到抑制的同時大幅減小力矩卸載的深度。
本發(fā)明提供一種機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法的具體實施方式
，包括以下步驟 實時檢測機車輪對加速度

當加速度超過保護閾值時，即在

時開始卸載力矩，并在卸載過程中不斷搜索加速度的峰值，即在

時達到峰值，當搜索到峰值時立即停止卸載力矩，電機轉(zhuǎn)矩變化率

機車輪對粘著重新恢復，機車輪對粘著力變化率
其中，ω為機車輪對的角速度，t為時間，ag為加速度保護閥值，T為電機施加于機車輪對的轉(zhuǎn)矩。
作為本發(fā)明進一步的實施方式，在檢測到加速度微分信號

的過程前后還包括以下步驟 在檢測到加速度微分信號

之前，即加速度達到峰值之前，加速度微分信號

機車輪對轉(zhuǎn)動加速度增加速率逐漸變??； 在檢測到加速度微分信號

之后，即加速度達到峰值之后，加速度微分信號

機車輪對轉(zhuǎn)動加速度逐漸變小。
作為本發(fā)明進一步的實施方式，機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法包括機車輪對輸出轉(zhuǎn)矩卸載過程，包括以下步驟 S01、根據(jù)公式a＝(vk-vk-1)/Ts計算機車輪對的加速度，其中，Ts為采樣周期； S02、判斷機車輪對加速度a是否大于設定加速度保護閥值ag，如果a＜ag，則結(jié)束；如果a≥ag，則轉(zhuǎn)入步驟S03； S03、進入空轉(zhuǎn)保護卸載步驟，卸載就是減小電機輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)公式ΔT＝k×(a-ag)計算每個周期要卸載的輸出轉(zhuǎn)矩量，根據(jù)公式Tk＝Tk-1-ΔT計算K時刻的電機輸出轉(zhuǎn)矩量，其中，ΔT為輸出轉(zhuǎn)矩卸載量，k為卸載系數(shù)，a為當前檢測的機車輪對加速度，ag為加速度保護閥值，Tk為K時刻的電機輸出轉(zhuǎn)矩量，Tk-1為K-1時刻的電機輸出轉(zhuǎn)矩量； S04、進入加速度峰值檢測步驟，檢測加速度峰值； S05、如果檢測到加速度峰值，則停止力矩卸載，如果未檢測到加速度峰值，則返回步驟S03。
作為本發(fā)明進一步的實施方式，機車輪對輸出轉(zhuǎn)矩卸載步驟包括加速度峰值的搜索過程，包括以下步驟 S11、進入空轉(zhuǎn)保護卸載后，將當前周期的加速度值a0設為加速度峰值amax，并將峰值搜索計數(shù)器清零，下一周期進入步驟S12； S12、比較當前周期加速度值ak與amax的大小，如果ak＜＝amax，將峰值搜索計數(shù)器加1，進入步驟S13；如果ak＞amax，則使amax＝ak，并將峰值搜索計數(shù)器清零，下一周期進入步驟S12； S13、檢查峰值搜索計數(shù)器的值，如果大于等于n，進入步驟S14；否則，下一周期進入步驟S12； S14、將當前周期作為加速度峰值點，amax為檢測到的加速度峰值。
作為本發(fā)明進一步的實施方式，加速度峰值檢測滯后周期n一般設置為2～5。
作為本發(fā)明進一步的實施方式，在搜索到加速度峰值之后就停止力矩的卸載，退出機車輪對空轉(zhuǎn)滑行保護控制模式，機車牽引力的控制隨即進入輪對粘著調(diào)節(jié)模式階段。
通過應用本發(fā)明實施方式所描述的機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法， (1)算法原理清晰，易于理解；實現(xiàn)步驟簡單，計算量小，便于數(shù)字實現(xiàn)和工程化應用。
(2)大大減小空轉(zhuǎn)/滑行保護過程中力矩卸載深度，從而減小牽引力的損失和機車沖擊。
(3)停止卸載的最佳時刻與加速度大小無關，適合不同程度的空轉(zhuǎn)滑行保護。



為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為背景技術(shù)機車牽引力產(chǎn)生以及受力情況分析示意圖； 圖2為背景技術(shù)機車在不同軌面狀態(tài)下的粘著特性曲線； 圖3為背景技術(shù)機車輪對空轉(zhuǎn)形成機理原理圖； 圖4為背景技術(shù)機車在不同驅(qū)動特性下的輪對空轉(zhuǎn)特性； 圖5為背景技術(shù)組合校正法控制原理框圖； 圖6為背景技術(shù)組合校正法程序流程圖； 圖7為機車在空轉(zhuǎn)保護過程電機轉(zhuǎn)矩和車輪加速度變化示意圖； 圖8為現(xiàn)有技術(shù)組合校正法的機車輪對空轉(zhuǎn)保護波形圖； 圖9為本發(fā)明基于最佳卸載停止時刻的空轉(zhuǎn)/滑行保護算法示意圖； 圖10為本發(fā)明機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法的機車車輪加速度峰值搜索示意圖； 圖11為本發(fā)明機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法空轉(zhuǎn)保護優(yōu)化控制算法流程圖； 圖12為本發(fā)明機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法的機車輪對空轉(zhuǎn)保護波形圖。

具體實施例方式 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
一種典型的實施方式是將本發(fā)明提出的機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法技術(shù)方案應用于HXD1C型交流傳動電力機車粘著利用控制系統(tǒng)的具體實例。下面將結(jié)合理論計算具體講述本發(fā)明的實施方式。
由圖1所示的單個車輪運動模型可得機電運動方程 其中，F(xiàn)是機車牽引力，R是車輪半徑，Jn是折算到車輪的轉(zhuǎn)動慣量，ω是車輪轉(zhuǎn)速，T是電機轉(zhuǎn)矩。
由前面分析可知，輪軌間能傳遞的最大牽引力取決于當前粘著系數(shù)的最大值，即 Fmax＝μmaxQ(4) 機車正常加速時，電機轉(zhuǎn)矩增大，蠕滑速度也不斷增大，但由于此時粘著工作點位于最高粘著點左邊的穩(wěn)定區(qū)，vslip＜vSOPT，F(xiàn)＜Fmax，因此車輪不會發(fā)生空轉(zhuǎn)。當粘著工作點達到最高點后，輪軌間傳遞的牽引力也達到最大值，即F＝Fmax，如果此時繼續(xù)增加電機轉(zhuǎn)矩，將使得動輪驅(qū)動力矩T大于輪軌間能傳遞的最大力矩Fmax·R，由機電運動方程可知車輪將加速轉(zhuǎn)動，而在這一過程中列車行進的速度近似不變，這導致蠕滑速度急劇增大，粘著工作點迅速向最高粘著點右邊的非穩(wěn)定區(qū)移動，從而破壞了輪軌的粘著狀態(tài)并導致空轉(zhuǎn)的產(chǎn)生。因此，要想抑制空轉(zhuǎn)，恢復輪軌粘著，必須迅速減小動輪驅(qū)動力矩即電機轉(zhuǎn)矩T，以減小蠕滑速度，使粘著工作點從不穩(wěn)定區(qū)回到穩(wěn)定區(qū)。可見，從空轉(zhuǎn)發(fā)生到被抑制的整個過程中，車輪加速度

是一個變化非常敏感的信號，其變化過程如圖7所示。
由圖7可見，空轉(zhuǎn)發(fā)生時，加速度急劇增大，當其超過防空轉(zhuǎn)系統(tǒng)設定的保護閾值ag時，系統(tǒng)開始進行空轉(zhuǎn)保護卸載即降低電機轉(zhuǎn)矩T，由于機車傳動系統(tǒng)是一個慣性環(huán)節(jié)，有一定的時間延遲，加速度不會立即減小而是繼續(xù)增大，但其增加速率將逐漸變小，即加速度微分

且

不斷減?。淮藭r如果一直保持卸載，則車輪加速度將出現(xiàn)一個峰值amax，即

然后加速度將逐漸減小，即

直至變?yōu)樨撝底罱K使車輪轉(zhuǎn)動由加速變?yōu)闇p速。
綜上所述，可以總結(jié)出，空轉(zhuǎn)保護過程中加速度的變化規(guī)律為
相應的加速度微分的變化規(guī)律為 由于在傳統(tǒng)的防空轉(zhuǎn)防滑行控制算法中，力矩的卸載直至加速度或者蠕滑率低于設定的閾值時才停止，卸載動作持續(xù)時間較長，在發(fā)生較嚴重的空轉(zhuǎn)/滑行時，往往導致空轉(zhuǎn)/滑行前后的驅(qū)動力矩變化很大，這不但造成牽引力的巨大損失，降低粘著利用，還會引起機車前后沖擊，給機械傳動系統(tǒng)的壽命和乘坐舒適度帶來不利影響；同時，由于負載的突然失去引起主回路中間直流電壓急劇上升，將導致直流過壓等一系列的問題。造成上述問題的原因在于停止卸載動作、退出空轉(zhuǎn)保護的時刻選擇不佳，確切的說是停止卸載的時刻已經(jīng)滯后，因此，要解決這一問題，首先必須確立一個停止卸載的最佳時刻，然后是找出這個最佳時刻。
1.停止卸載最佳時刻的確立 分析圖2不同軌面狀態(tài)下的粘著特性曲線，空轉(zhuǎn)發(fā)生時，輪軌粘著被破壞，粘著工作點處于最高粘著點右邊的非穩(wěn)定區(qū)并向右移動，蠕滑率增大，粘著力減小，即 空轉(zhuǎn)被抑制，粘著重新恢復時，粘著工作點向左移動并最終將處于最高粘著點左邊的穩(wěn)定區(qū)，蠕滑率減小，粘著力增大，即 因此從空轉(zhuǎn)發(fā)生到粘著重新恢復，粘著牽引力的變化過程為 顯然，在這個過程中，

是臨界點，它表明粘著工作點已停止向右移動，即將向左移動，準備開始恢復粘著。經(jīng)過臨界點

后，由于

粘著開始恢復。由于在

后有

粘著開始恢復，所以從

時刻起不必繼續(xù)卸載。因此，

是停止卸載的最佳時刻。
2.停止卸載最佳時刻的推導 上節(jié)的分析表明，在空轉(zhuǎn)保護的過程中，如果在

后有

那么

是停止力矩卸載的最佳時刻。在實際應用中，由于粘著牽引力F難以檢測，因此不能直接通過牽引力來確定這一最佳時刻，必須找到簡單易行的方法。
前面對控制保護過程的分析已經(jīng)指出，在空轉(zhuǎn)保護過程中，車輪加速度變化規(guī)律為 并且由式(3)機電運動方程可得 顯然如果在加速度峰值點處，即

停止卸載，那么由于電機轉(zhuǎn)矩T不再變化，故有 此時根據(jù)式(8)及


必有 而在過了加速度峰值點后，由于

由式(8)、式(10)有 這樣如果在加速度峰值點處就停止卸載，由于在

時有

在

后有

因此

處，即車輪加速度達到峰值點時，是停止力矩卸載的最佳時刻此時停止卸載不僅可行，而且最佳。
基于上述分析，本發(fā)明技術(shù)方案提出如下的空轉(zhuǎn)/滑行保護控制方案實時檢測車輪加速度，當加速度超過保護閾值時開始卸載，并在卸載過程中不斷搜索加速度的峰值，當搜索到峰值時立即停止卸載。該方案如圖8所示，為便于比較，圖中同時畫出了傳統(tǒng)卸載方案的力矩變化情況。
圖中，上部的實線表示本專利提出的卸載方案，虛線表示傳統(tǒng)卸載方案。由圖8可見，兩種方案力矩均在加速度超過保護閾值時(ta)開始卸載；但新方案在加速度達到峰值時(tb)就停止卸載，力矩的下降幅度為ΔT2＝T0-T2；而傳統(tǒng)方案在加速度低于保護閾值時(tc)才停止卸載，力矩的下降幅度為ΔT1＝T0-T1；顯然，ΔT2小于50％ΔT1，可見本專利提出的空轉(zhuǎn)/滑行保護方案在減小牽引力損失、提高粘著利用方面有著較大的優(yōu)越性。
如圖10所示，機車輪對輸出轉(zhuǎn)矩卸載的過程具體包括 S01、根據(jù)公式a＝(vk-vk-1)/Ts計算機車輪對的加速度，其中，Ts為采樣周期； S02、判斷機車輪對加速度a是否大于設定加速度保護閥值ag，如果a＜ag，則結(jié)束；如果a≥ag，則轉(zhuǎn)入步驟S03； S03、進入空轉(zhuǎn)保護卸載步驟，卸載就是減小電機輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)公式ΔT＝k×(a-ag)計算每個周期要卸載的輸出轉(zhuǎn)矩量，根據(jù)公式Tk＝Tk-1-ΔT計算K時刻的電機輸出轉(zhuǎn)矩量，其中，ΔT為輸出轉(zhuǎn)矩卸載量，k為卸載系數(shù)，a為當前檢測的機車輪對加速度，ag為加速度保護閥值，Tk為K時刻的電機輸出轉(zhuǎn)矩量，Tk-1為K-1時刻的電機輸出轉(zhuǎn)矩量； S04、進入加速度峰值檢測步驟，檢測加速度峰值； S05、如果檢測到加速度峰值，則停止力矩卸載，如果未檢測到加速度峰值，則返回步驟S03。
加速度峰值檢測的步驟包括 對于本專利提出的控制算法，關鍵在于準確檢測車輪加速度達到峰值的時刻。由于加速度微分信號噪聲較大不適合作為控制信號，因此不能通過

來檢測加速度峰值?；诜揽辙D(zhuǎn)防滑系統(tǒng)為周期采樣控制系統(tǒng)，本專利采用如下步驟來檢測加速度峰值點。
步驟S11進入空轉(zhuǎn)保護卸載后，將當前周期的加速度值a0設為加速度峰值amax，并將峰值搜索計數(shù)器清零，下一周期進入步驟S12。
步驟S12比較當前周期加速度值ak與amax的大小，如果ak＜＝amax，將峰值搜索計數(shù)器加1，進入步驟S13；如果ak＞amax，則使amax＝ak，并將峰值搜索計數(shù)器清零，下一周期進入步驟S12； 步驟S13檢查峰值搜索計數(shù)器的值，如果大于等于n(程序中設定的常量)，進入步驟S14；否則，下一周期進入步驟S12； 步驟S14將當前周期作為加速度峰值點，amax為檢測到的加速度峰值。
加速度峰值搜索過程如圖9所示。
圖中，t0，tk，…，為采樣時刻；tp為峰值出現(xiàn)的時刻，tp+n為系統(tǒng)檢測到峰值的時刻，ap為檢測到的加速度峰值。由圖9可見，雖然系統(tǒng)檢測到峰值的時刻比峰值出現(xiàn)的時刻滯后n個周期，作為一種較佳的實施方式，加速度峰值檢測滯后周期n的取值一般為2～5，但由于微處理器控制的防空轉(zhuǎn)防滑系統(tǒng)控制周期很短，所以此處滯后造成的牽引力損失很?。淮送?，由于這個滯后的存在，可以確保力矩卸載停止后

從而增加了控制的可靠性。
為驗證本專利提出的機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法的優(yōu)越性，將它應用到了HXD1C交流傳動電力機車粘著利用控制系統(tǒng)中，圖11為現(xiàn)場采集的空轉(zhuǎn)保護波形。為了進行對比，圖12給出了采用傳統(tǒng)方案的波形。本發(fā)明所描述的機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法也可以適用和移植于其他軌道交通車輛的空轉(zhuǎn)滑行保護控制。
圖11、圖12清晰地表明，二者空轉(zhuǎn)程度相當，在整個空轉(zhuǎn)保護過程中，采用新方案的力矩下降幅度不到傳統(tǒng)方案的50％，足見其巨大的優(yōu)越性。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法，其特征在于，包括以下步驟
實時檢測機車輪對加速度
當加速度超過保護閾值時，即在
時開始卸載力矩，并在卸載過程中不斷搜索加速度的峰值，即在
時達到峰值，當搜索到峰值時立即停止卸載力矩，電機轉(zhuǎn)矩變化率
機車輪對粘著重新恢復，機車輪對粘著力變化率
其中，ω為機車輪對的角速度，t為時間，ag為加速度保護閥值，T為電機施加于機車輪對的轉(zhuǎn)矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法，其特征在于，包括以下步驟
在檢測到加速度微分信號
之前，即加速度達到峰值之前，加速度微分信號
機車輪對轉(zhuǎn)動加速度增加速率逐漸變小；
在檢測到加速度微分信號
之后，即加速度達到峰值之后，加速度微分信號
機車輪對轉(zhuǎn)動加速度逐漸變小。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法，其特征在于，包括以下步驟
S01、根據(jù)公式A＝(vk-vk-1)/Ts計算機車輪對的加速度，其中，Ts為采樣周期；
S02、判斷機車輪對加速度a是否大于設定加速度保護閥值ag，如果a＜ag，則結(jié)束；如果A≥ag，則轉(zhuǎn)入步驟S03；
S03、進入空轉(zhuǎn)保護卸載步驟，卸載就是減小電機輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)公式ΔT＝k×(a-ag)計算每個周期要卸載的輸出轉(zhuǎn)矩量，根據(jù)公式Tk＝Tk-1-ΔT計算K時刻的電機輸出轉(zhuǎn)矩量，其中，ΔT為輸出轉(zhuǎn)矩卸載量，k為卸載系數(shù)，a為當前檢測的機車輪對加速度，ag為加速度保護閥值，Tk為K時刻的電機輸出轉(zhuǎn)矩量，Tk-1為K-1時刻的電機輸出轉(zhuǎn)矩量；
S04、進入加速度峰值檢測步驟，檢測加速度峰值；
S05、如果檢測到加速度峰值，則停止力矩卸載，如果未檢測到加速度峰值，則返回步驟S03。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法，其特征在于，所述加速度峰值的搜索過程包括以下步驟
S11、進入空轉(zhuǎn)保護卸載后，將當前周期的加速度值a0設為加速度峰值amax，并將峰值搜索計數(shù)器清零，下一周期進入步驟S12；
S12、比較當前周期加速度值ak與amax的大小，如果ak≤amax，將峰值搜索計數(shù)器加1，進入步驟S13；如果ak＞amax，則使amax＝ak，并將峰值搜索計數(shù)器清零，下一周期進入步驟S12；
S13、檢查峰值搜索計數(shù)器的值，如果大于等于n，進入步驟S14；否則，下一周期進入步驟S12；
S14、將當前周期作為加速度峰值點，amax為檢測到的加速度峰值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法，其特征在于，所述的加速度峰值檢測滯后周期n為2～5。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法，其特征在于，在搜索到加速度峰值之后就停止力矩的卸載，退出機車輪對空轉(zhuǎn)滑行保護控制模式，機車牽引力的控制隨即進入輪對粘著調(diào)節(jié)模式階段。
全文摘要
一種機車空轉(zhuǎn)滑行保護控制方法，包括以下步驟實時檢測機車輪對加速度當加速度超過保護閾值時，即在時開始卸載力矩，并在卸載過程中不斷搜索加速度的峰值，即在時達到峰值，當搜索到峰值時立即停止卸載力矩，此時電機轉(zhuǎn)矩變化率機車輪軌粘著重新恢復，機車輪軌粘著力變化率該發(fā)明可以很好地克服現(xiàn)有技術(shù)存在的卸載深度過大，不僅使機車牽引力損失過大，影響機車的粘著利用，而且造成機車前后沖擊的技術(shù)問題。
文檔編號B61L23/00GK101830231SQ20101016018
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者丁榮軍, 李江紅, 陳華國, 徐立恩, 曾云, 彭輝水 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司