CN104590038B - 一种电力机车制动控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力机车制动控制方法,包括接收人为给定的指令以及传感器反馈的机车速度v，确定机车处于制动状态并开启制动控制逻辑；指令包括司控器级位N和状态量；依据司控器级位N、机车速度v以及限流、准恒制动力特性关系式和限制关系式，分别得到特性电流I₁和限制电流I₂，取特性电流I₁和限制电流I₂中的最小值作为目标制动电流I_Z；将目标制动电流I_Z作为电力机车制动闭环控制系统的输入，控制制动电流I_m对目标制动电流I_Z的电流进行跟随，本发明还公开了一种电力机车制动控制系统，本发明使得电力机车在周期性机车速度突变工况下，制动发电电压、制动电流变化更趋平缓，有效消除了电气冲击对电动机的影响，同时也优化了换向性能、改善了换向器工作环境。

Description

一种电力机车制动控制方法及系统

技术领域

本发明涉及机车制动控制技术领域，特别是涉及一种电力机车制动控制方法及系统。

背景技术

SS4B型电力机车是20世纪末期研制的一种8轴重载货运交直电力机车，由两节完全相同的4轴电力机车通过内重联组成，机车主电路采用不等分三段半控桥和脉流电动机，通过微机柜相控调压实现恒流、准恒速牵引控制和传统的限流、准恒速加馈电阻制动控制。

SS4B型电力机车在长大坡道下坡时，其电制动力不能满足重载列车的制动要求，乘务员需要频繁投入空气制动来进行降速运行。例如，SS4B型电力机车牵引5000t级重载列车在长大坡道下坡，由于机车电制动力小于整列车的下滑力，机车速度迅速上升，机车速度达到75km/h左右(限速80km/h)时，乘务员会及时投入空气补足制动，机车速度快速下降；当机车速度快速下降至45km/h左右时，乘务员缓解空气补足制动，机车速度又快速回升。这过程中，假设乘务员固定级位7级，当速度达到75km/h时，制动电流为最大775A，当速度降到45km/h时，制动电流快速降至最小70A。然而，制动工况下较大的du/dt、di/dt一方面会造成电动机电气疲劳性冲击以及换向性能恶化，长此以往，会造成电动机换向性能恶化，引发换向器表面电弧灼伤，使换向器表面和电刷出现非正常磨损，加速了对换向器正常工作状态的破坏，另一方面，机车速度突变的不稳定性，造成轮轨动态粘着的下降，极易发生滑行下的车轮檫伤，累积出现车轮严重的不圆顺，使机车动力学性能恶化和造成机车粘着下降的恶性循环。

因此，如何有效提供一种解决机车在制动过程中电流、电压变化快造成电动机电气疲劳性冲击、换向性能恶化以及滑行率高的问题的方法是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力机车制动控制方法，在周期性机车速度突变工况下，制动发电电压、制动电流变化更趋平缓，有效消除了电气冲击对电动机的影响，同时也优化了换向性能、改善了换向器工作环境，最大限度地降低了滑行率；本发明的另一目的是提供一种电力机车制动控制系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电力机车制动控制方法，包括：

步骤A：接收人为给定的指令以及传感器反馈的机车速度v，确定机车处于制动状态以及开启制动控制逻辑；其中，所述指令包括司控器级位N和状态量；

步骤B：依据所述司控器级位N、机车速度v以及限流、准恒制动力特性关系式和限制关系式，分别得到特性电流I₁和限制电流I₂，其中：

所述特性关系式为特性电流 $I_1=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{1197.1\·(11-N)\·v},& N\∈\left[\mathrm{1,10}\right],v\≥v_N\\ 62.9\·(11-N),& N\∈\left[\mathrm{1,10}\right],v\≤v_N\end{array}\right.;$

所述限制关系式为限制电流 $I_2=\left\{\begin{array}{cc}56.61v+62.9,& v\∈\left[\mathrm{0,10}\right]\\ \sqrt{60008.9\·(11-N)},& N\∈\left[\mathrm{1,4}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\\ 648,& N\∈\left[\mathrm{4,10}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\\ 1441-7.4v,& v\≥90\mathrm{km}/h\end{array}\right.$

其中，所述级位N为1至10中的任意一个正实数，所述v_N为特性速度；

步骤C：取所述特性电流I₁和所述限制电流I₂中的最小值作为目标制动电流I_Z；

步骤D：将所述目标制动电流I_Z作为电力机车制动闭环控制系统的输入，控制制动电流I_m对所述目标制动电流I_Z的电流进行跟随。

优选地，步骤D中所述控制制动电流I_m对所述目标制动电流I_Z的电流进行跟随过程包括：

当v≥v_N时，所述制动控制逻辑控制励磁电路中励磁桥的励磁电流I_f，进而控制电枢电路中电动机的发电电压E，最终间接地控制制动电流I_m，直至所述制动电流I_m等于所述目标制动电流I_Z。

优选地，所述制动电流

其中，E：电动机电势也即所述发电电压，单位：V；

C_e：电动机电势常数；

∑R_Z：电动机制动回路电阻；

φ：电动机磁通，与所述励磁电流I_f有关；

n_d:电动机转速。

优选地，步骤D中所述控制制动电流I_m对所述目标制动电流I_Z的电流进行跟随过程包括：

当v≤v_N时，所述制动控制逻辑控制所述励磁电路中励磁桥的励磁电流I_f达到最大目标励磁电流，并开通所述电枢电路中加馈桥，进而控制制动电流I_m，直至所述制动电流I_m等于所述目标制动电流I_Z。

优选地，

所述制动电流 $I_m=\frac{U_d+E}{\mathrm{\Σ}{R}_Z}=\frac{U_d+C_e\mathrm{\φ}{n}_d}{\mathrm{\Σ}{R}_Z};$

其中，所述U_d为所述加馈桥两端的输出电压。

优选地，所述最大目标励磁电流为930A。

优选地，所述特性速度v_N具体为：

$v_N=33.2\·\left(\frac{11-N}{10}\right),$ ，N∈[110]。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种电力机车制动控制系统，包括：

逻辑确定模块，用于接收人为给定的指令以及传感器反馈的机车速度v，确定机车处于制动状态以及开启制动控制逻辑；其中，所述指令包括司控器级位N和状态量；

目标电流计算模块，用于依据所述司控器级位N、机车速度v以及限流、准恒制动力特性关系式和限制关系式，分别得到特性电流I₁和限制电流I₂，其中：

所述特性关系式为特性电流 $I_1=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{1197.1\·(11-N)\·v},& N\∈\left[\mathrm{1,10}\right],v\≥v_N\\ 62.9\·(11-N),& N\∈\left[\mathrm{1,10}\right],v\≤v_N\end{array}\right.;$

所述限制关系式为限制电流 $I_2=\left\{\begin{array}{cc}56.61v+62.9,& v\∈\left[\mathrm{0,10}\right]\\ \sqrt{60008.9\·(11-N)},& N\∈\left[\mathrm{1,4}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\\ 648,& N\∈\left[\mathrm{4,10}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\\ 1441-7.4v,& v\≥90\mathrm{km}/h\end{array}\right.$

其中，所述级位N为1至10中的任意一个正实数，所述v_N为特性速度；

目标制动电流确定模块，用于取所述特性电流I₁和所述限制电流I₂中的最小值作为目标制动电流I_Z；

制动控制逻辑模块，用于将所述目标制动电流I_Z作为电力机车制动闭环控制系统的输入，控制制动电流I_m对所述目标制动电流I_Z的电流进行跟随。

本发明提供的一种电力机车制动控制方法，首先将由特性关系式以及限制关系式得到的目标制动电流作为电力机车制动闭环控制系统的输入，再通过制动控制逻辑控制制动电流对目标制动电流的电流进行跟随，在周期性机车速度突变工况下，制动发电电压、制动电流变化更趋平缓，有效消除了电气冲击对电动机的影响，同时也优化了换向性能、改善了换向器工作环境；而制动电流的稳定也将实现机车制动力稳定，保持相对充足的制动力去平衡下滑力，有利于提高平均制动力、减少空气补足制动的次数，另外还可以通过调节司控器级位来选择机车可发挥的最大轮周制动功率(可线性选择0.7～1.0倍额定轮周制动功率)，在不同的天气情况下(雨、雪、霜冻、沙尘等)可灵活的、最大限度提高轮轨粘着系数，最大限度地降低滑行率，保护轮轨、保障行车安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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1为本发明提供的一种电力机车制动控制方法的过程的流程图；

图2为本发明提供的SS4B型电力机车限流、准恒制动力特性曲线图；

图3为本发明提供的另一种电力机车制动控制方法的过程的流程图；

图4为本发明提供的一种电力机车制动控制系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种电力机车制动控制方法，在周期性机车速度突变工况下，制动发电电压、制动电流变化更趋平缓，有效消除了电气冲击对电动机的影响，同时也优化了换向性能、改善了换向器工作环境，最大限度地降低了滑行率；本发明的另一核心是提供一种电力机车制动控制系统。

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做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。

实施例一

请参照图1，图1为本发明提供的一种电力机车制动控制方法的过程的流程图，该方法包括：

步骤s101：接收人为给定的指令以及传感器反馈的机车速度v，确定机车处于制动状态以及开启制动控制逻辑；其中，指令包括司控器级位N和状态量；

可以理解的是，电力机车的控制柜中的逻辑确定模块首先接收人为给定的指令和机车传感器反馈回来的机车速度v，并依据指令和机车速度v确定机车处于制动状态，随即微机柜开启制动控制逻辑。

步骤s102：依据司控器级位N和机车速度v以及限流、准恒制动力特性关系式和限制关系式，分别得到特性电流I₁和限制电流I₂，其中：

特性关系式为 $I_1=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{1197.1\·(11-N)\·v},& N\∈\left[\mathrm{1,10}\right],v\≥v_N\\ 62.9\·(11-N),& N\∈\left[\mathrm{1,10}\right],v\≤v_N\end{array}\right.;$

限制关系式为 $I_2=\left\{\begin{array}{cc}56.61v+62.9,& v\∈\left[\mathrm{0,10}\right]\\ \sqrt{60008.9\·(11-N)},& N\∈\left[\mathrm{1,4}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\\ 648,& N\∈\left[\mathrm{4,10}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\\ 1441-7.4v,& v\≥90\mathrm{km}/h\end{array}\right.$

其中，级位N为1至10中的任意一个正实数，v_N为特性速度；

可以理解的是，将司控器级位N和机车速度v带入限流、准恒制动力特性关系式和限制关系式，分别得到特性电流I₁和限制电流I₂，v分在不同情况下带入不同的方程，得到不同的特性电流I₁和限制电流I₂。

步骤s103：取特性电流I₁和限制电流I₂中的最小值作为目标制动电流I_Z；

可以理解的是，得到特性电流I₁和限制电流I₂后，取两者中较小值作为目标制动电流I_Z；

步骤s104：将目标制动电流I_Z作为电力机车制动闭环控制系统的输入，控制制动电流I_m对目标制动电流I_Z的电流进行跟随。

可以理解的是，得到目标制动电流I_Z后将其作为电力机车制动闭环控制系统中调节器的输入，并通过调节器的闭环调节控制实现制动电流I_m对目标制动电流I_Z的电流进行跟随，实现电力机车的制动。

下面就限流、准恒制动力特性关系式和限制关系式的获得过程作介绍，表1为以SS4B型电力机车为例，SS4B型电力机车的主电路及控制参数表：

名称	数值	备注
			电阻制动回路总电阻∑Rz(Ω)	1.1029578	测量经验值
动轮直径D(mm)	1200	按半磨耗算
			动轮数md	8
齿轮传动比μc	4.35	电动机转速nd与动轮转速之比nD
			齿轮传动效率(ηc)	0.975
电动机空载效率(ηd)	0.975
			电动机额定效率(ηD)	0.938
最大轮周制动功率PD(kW)	5570	速度范围50～90km/h
			最大轮周电制动力BD(kN)	400	速度范围10～50km/h
最大制动电流限制(A)	775
			最大目标励磁电流限制(A)	930
最大励磁磁通系数CeφM	1.0683333	试验综合值

表1SS4B型电力机车的主电路及控制参数表

特性速度v_N形成

力矩平衡方程：M_b·n_D·η_c·η_d＝m_d·M_d·n_d；

齿轮转动方程：

电动机电势方程：E＝C_e·φ·n_d；

电动机力矩方程：M_d＝C_m·φ·Iz；

电动机电势常数：

电动机转矩常数： $C_m=\frac{p{N}_d}{2\mathrm{\πa}}=\frac{30C_e}{\mathrm{\π}};$

机车速度方程： $1000v=\frac{60\mathrm{\π}\·D\·n_d}{{\mathrm{\μ}}_c};$

式中，C_m：电动机转矩常数；

C_e：电动机电势常数；

M_b：动轮力矩，单位：N·M；

M_d：电动机力矩，单位：N·M；

E：电动机电势，也即发电电压，单位：V；

φ：电动机磁通，与励磁电流I_f有关；

v：机车速度，单位：km/h；

n_d:电动机转速；

p、N_d、a分别为电动机极对数、总导体数、支路对数。

由以上公式推出：

$B_N=1000\frac{11-N}{10}\·B_D\·\frac{D}{2}\·{\mathrm{\η}}_c\·{\mathrm{\η}}_d=m_d\·C_m\mathrm{\φ}\·\frac{C_e\mathrm{\φ}\·n_d+U_d}{\mathrm{\Σ}{R}_Z}\·{\mathrm{\μ}}_c...\left(1\right)$

式中，N：司控器级位，1-10级；

B_N：级位N下的周制动力，单位：N；

U_d：加馈桥两端的输出电压；

∑R_Z：制动回路电阻。

根据限流、准恒制动力特性，机车轮周电制动力B_N与司控器级位N成比例，因此，由式(1)可知，B、m_d、μ_c、D、η_c、η_d、∑R_z均为定值，司控器级位N一定时，对应该级位下的轮周电制动力B_N也一定。随着机车速度由高到低(高速不投入加馈制动)，励磁电流(磁通)由小到大，通过调节励磁电流实现准恒制动力电阻制动；当励磁电流达到最大时(此时磁通也基本达到饱和)，随着机车速度继续降低，已不能通过继续调节励磁电流(电动机发电电压)来维持轮周电制动力，此时需要投入加馈桥补足能量U_d来维持轮周电制动力，即加馈电阻制动。

定义励磁电流达到最大时的临界速度为特性速度，特性速度为纯电阻制动和加馈电阻制动的速度分界点。当机车速度高于特性速度时，制动控制逻辑通过调节励磁桥晶闸管的导通角来实现机车电阻制动；当机车速度低于特性速度时，保持励磁电流最大值，制动控制逻辑投入加馈桥补足能量来实现加馈电阻制动。

因此，根据特性速度时励磁电流达到最大，磁通饱和，加馈能量U_d为0，由式(1)可以得出：

$\begin{array}{c}1000\frac{11-N}{10}\·B_D\·\frac{D}{2}\·{\mathrm{\η}}_c\·{\mathrm{\η}}_d=m_d\·C_m\mathrm{\φ}\·\frac{C_e\mathrm{\φ}\·n_d}{\mathrm{\Σ}{R}_z}\·{\mathrm{\μ}}_c=\frac{30\·m_d\·{\mathrm{\μ}}_c\·{\left(C_e\mathrm{\φ}\right)}^2}{\mathrm{\π\Σ}{R}_z}\·n_d\frac{30m_d\·{\mathrm{\μ}}_c\·{\left(C_e\mathrm{\φ}\right)}^2}{\mathrm{\π\Σ}{R}_z}\·\frac{1000v\·{\mathrm{\μ}}_c}{60\mathrm{\π}\·D}\\ \⇒B_N=\frac{(11-N)\·B_D}{10}=\frac{m_d\·{{\mathrm{\μ}}_c}^2{\left(C_e\mathrm{\φ}\right)}^{2}v}{{\mathrm{\π}}^2\·D^2\·{\mathrm{\η}}_c\·{\mathrm{\η}}_d\·\mathrm{\Σ}{R}_z}\\ \⇒v_N=\frac{(11-N)\·B_D\·{\mathrm{\π}}^2\·D^2\·{\mathrm{\η}}_c\·{\mathrm{\η}}_d\·\mathrm{\Σ}{R}_z}{10m_d\·{{\mathrm{\μ}}_c}^2\·{\left(C_e\mathrm{\φ}\right)}^2}\end{array}...\left(2\right)$

式中，

v_N：对应级位下的特性速度，单位：km/h；

带入上表1中各已知参数，则得到特性速度与司控器级位的函数关系：

$v_N=33.2\left(\frac{11-N}{10}\right)N\∈\left[\mathrm{1,10}\right]...\left(3\right)$

加馈限制特性

当机车速度低于特性速度v_N时，SS4B型电力机车电制动处于低速加馈电阻制动模式，此时励磁电流维持最大(磁通饱和)，根据电动机力矩方程，磁通饱和时电制动力只与电流相关，由式(1)可知：

$\begin{array}{c}{B}_N=\frac{11-N}{10}\·1000B_D\·\frac{D}{2}\·{\mathrm{\η}}_c\·{\mathrm{\η}}_d=m_d\·C_m{\mathrm{\φ}}_M\·\mathrm{Iz}\·{\mathrm{\μ}}_c=\frac{3m_d\·C_e{\mathrm{\φ}}_M\·I_Z\·{\mathrm{\μ}}_c}{\mathrm{\π}}\\ \⇒I_Z=\frac{5(11-N)\·B_D\·D\·{\mathrm{\η}}_c\·{\mathrm{\η}}_D\·\mathrm{\π}}{3m_d\·C_e{\mathrm{\φ}}_M\·{\mathrm{\μ}}_c}=\frac{5\·B_D\·D\·{\mathrm{\η}}_c\·{\mathrm{\η}}_D\·\mathrm{\π}}{3m_d\·C_e{\mathrm{\φ}}_M\·{\mathrm{\μ}}_c}(11-N)N\∈\left[\mathrm{1,10}\right]\end{array}...\left(4\right)$

因此，由式(4)可知，目标制动电流I_Z为司控器级位N的函数。

此外，为防止低速大电制动力造成机车回牵(即机车倒退)，在速度小于10km/h时，目标制动电流I_Z需要根据机车速度进行线性减载，即机车速度在0km/h～10km/h变化，轮周电制动力从400kN线性减到40kN。

由式(4)可知，轮周电制动力为400kN和40kN时，目标制动电流分别为629A和62.9A，因此，速度小于10km/h时，目标制动电流I_Z还应符合(不大于)：

$I_Z=\frac{629-62.9}{10-0}(v-0)+62.9=56.61v+62.9,v\∈\left[\mathrm{0,10}\right]...\left(5\right)$

因此，综合以上两种低速特性，代入上表1中各已知参数，得出加馈限制特性：

$I_Z={\left\{\begin{array}{cc}56.61v+62.9& v\∈\left[\mathrm{0,10}\right]\\ 62.9(11-N)& N\∈\left[\mathrm{1,10}\right],v\∈(0,v_N)\end{array}\right\}}_{\mathrm{MIN}}...\left(6\right)$

准恒制动力特性

当机车速度大于特性速度v_N，SS4B型电力机车电制动处于高速纯电阻制动模式，在保证机车轮周制动功率不超过机车额定轮周功率的情况下，根据功率守恒定律，轮周制动功率应该为制动回路总电阻消耗功率和传动损耗之和，则：

$P_z=\frac{B_{N}v}{3.6}=\frac{m_d{I_z}^2\mathrm{\Σ}{R}_z}{1000{\mathrm{\η}}_c\·{\mathrm{\η}}_d}...\left(7\right)$

式中，

P_z：轮周制动功率，单位：kW；

由式(7)可以推出准恒制动力特性：

$\begin{array}{c}{B}_N=\frac{(11-N)}{10}{B}_D=\frac{3.6m_d\·{I_Z}^2\·\mathrm{\Σ}{R}_Z}{1000v\·{\mathrm{\η}}_c\·{\mathrm{\η}}_d}\\ \⇒I_Z=\sqrt{\frac{(11-N)\·B_D\·v\·{\mathrm{\η}}_c\·{\mathrm{\η}}_d}{0.36m_d\·\mathrm{\Σ}{R}_Z}}=\sqrt{\frac{B_D\·{\mathrm{\η}}_c\·{\mathrm{\η}}_d}{0.36m_d\·\mathrm{\Σ}{R}_Z}(11-N)\·v}N\∈\left[\mathrm{1,10}\right],v\≥v_N\end{array}$

代入上表1中的各已知参数，得到准恒制动力特性：

$I_Z=\sqrt{1197.1(11-N)\·v}N\∈\left[\mathrm{1,10}\right],v\≥v_N...\left(8\right)$

综上所述，在轮周制动功率不超过相应司控器级位下最大轮周制动功率的情况下，机车轮周电制动力与司控器级位线性成比例(即每级级位对应轮周电制动力相差40kN)；机车速度低于特性速度v_N，准恒制动力特性通过目标制动电流与司控器级位N的函数I_Z＝f(N)实现，即式(4)；机车速度大于特性速度v_N，准恒制动力特性通过目标制动电流与司控器级位N、机车速度v的函数I_Z＝f(N,v)实现，即式(8)。

恒功粘着特性

根据准恒制动力特性理论，轮周电制动力与司控器级位成比例，依据式(7)，在司控器级位一定，轮周电制动力一定时，随着速度增加，轮周制动功率线性增加，但轮周制动功率还受限于电动机的功率限制，例如轮周制动功率应小于最大轮周制动功率P_D即5570kW(此时机车速度50km/h)，当轮周制动功率等于额定功率时，随着机车速度的继续增加，需要减小轮周电制动力以保证轮周制动功率不超限(保护电动机)，机车电阻制动进入恒功电阻制动模式。

同时，考虑到雨、雪、霜冻、沙尘等恶劣环境对机车轮轨黏着的影响，根据现场应用经验，在进入恒功电阻制动模式后(速度大于50km/h)，可根据司控器级位选择合适的制动轮周功率：即司控器级位在4级以上时，轮周制动功率限制在0.7倍额定功率，级位在1～4级时，轮周制动功率随级位增加线性减小，即恒功黏着特性：

$P_Z=\left\{\begin{array}{cc}\frac{11-N}{10}{P}_D& N\∈\left[\mathrm{1,4}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\\ 0.7P_D& N\∈\left[\mathrm{4,11}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\end{array}\right....\left(9\right)$

由式(7)可以推算出，在速度大于50km/h，目标制动电流还受限于(不大于)：

$I_Z=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{100(11-N)\·P_D\·{\mathrm{\η}}_c\·{\mathrm{\η}}_d}{m_d\mathrm{\Σ}{R}_z}}& N\∈\left[\mathrm{1,4}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\\ \sqrt{\frac{700P_D\·{\mathrm{\η}}_c\·{\mathrm{\η}}_d}{m_d\mathrm{\Σ}{R}_z}}& N\∈\left[\mathrm{4,10}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\end{array}\right.$

代入上表1中各已知参数，得到恒功粘着特性：

$I_Z=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{60008.9(11-N)}& N\∈\left[\mathrm{1,4}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\\ 648& N\∈\left[\mathrm{4,10}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\end{array}\right....\left(10\right)$

综上所述，机车速度大于50km/h，司控器级位在1～4级线性变化时，机车最大轮周制动功率线性的设计为额定轮周制动功率的0.7～1.0倍；司控器级位为4～10级时，机车实际的最大轮周制动功率设定为额定轮周制动功率的0.7倍，并通过目标制动电流恒功黏着限制函数I_Z＝f(N)来实现，即式(10)。

高速限流特性

随着机车速度的持续增加，直流电动机换向器换向环境会恶化，持续的高速大电流将引起换向器性能下降、环火，电动机烧损，因此，需要针对机车速度大于90km/h时制动电流进行限制，在综合分析SS4B型电力机车电动机性能及现场运用实践经验后，提出高速限流特性：

$I_Z=\frac{701-775}{100-90}(v-90)+775=1441-7.4v,v\≥90\mathrm{km}/h$

限流、准恒制动力特性技术方案

综上所述，限流、准恒制动力特性技术方案有特性算法和限制算法组成：

特性算法：

$I_1=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{1197.1(11-N)\·v}& N\∈\left[\mathrm{1,10}\right],v\≥v_N\\ 62.9(11-N)& N\∈\left[\mathrm{1,10}\right],v\≤v_N\end{array}\right.$

限制算法：

$I_2=\left\{\begin{array}{cc}56.61v+62.9& v\∈\left[\mathrm{0,10}\right]\\ \sqrt{60008.9(11-N)}& N\∈\left[\mathrm{1,4}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\\ 648& N\∈\left[\mathrm{4,10}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\\ 1441-7.4v& v\≥90\mathrm{km}/h\end{array}\right.$

因此，限流、准恒制动力特性制动目标电流I_Z为：

$I_Z={\left\{\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\end{array}\right\}}_{\mathrm{MIN}}$

结合上述得到的限流、准恒制动力特性制动目标电流I_Z的关系式，请参照图2，图2为本发明提供的SS4B型电力机车限流、准恒制动力特性曲线图。

结合上述得到的限流、准恒制动力特性制动目标电流I_Z的关系式，还可得到表2，请参照表2，表2为本发明提供的SS4B型电力机车限流、准恒制动力特性表：

表2SS4B型电力机车限流、准恒制动力特性表

本发明提供的一种电力机车制动控制方法，由特性关系式以及限制关系式得到的目标制动电流作为电力机车制动闭环控制系统的输入，通过制动控制逻辑控制制动电流对目标制动电流的电流进行跟随，在周期性机车速度突变工况下，制动发电电压、制动电流变化更趋平缓，有效消除了电气冲击对电动机的影响，同时也优化了换向性能、改善了换向器工作环境；而制动电流的稳定也将实现机车制动力稳定，保持相对充足的制动力去平衡下滑力，有利于提高平均制动力、减少空气补足制动的次数，另外可以通过调节司控器级位来选择机车可发挥的最大轮周制动功率(可线性选择1.0～0.7倍额定轮周制动功率)，在不同的天气情况下(雨、雪、霜冻、沙尘等)可灵活的、最大限度提高轮轨粘着系数，最大限度地降低滑行率，保护轮轨、保障行车安全。

实施例二

本实施例以实施例一为基础，请参照图3，图3为本发明提供的另一种电力机车制动控制方法的过程的流程图，该方法包括：

步骤s201：接收人为给定的指令以及传感器反馈的机车速度，确定机车处于制动状态以及开启制动控制逻辑；其中，指令包括司控器级位N和状态量；

步骤s202：依据司控器级位N和机车速度v以及限流、准恒制动力特性关系式和限制关系式，分别得到特性电流I₁和限制电流I₂，其中：

特性关系式为 $I_1=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{1197.1\·(11-N)\·v},& N\∈\left[\mathrm{1,10}\right],v\≥v_N\\ 62.9\·(11-N),& N\∈\left[\mathrm{1,10}\right],v\≤v_N\end{array}\right.;$

限制关系式为 $I_2=\left\{\begin{array}{cc}56.61v+62.9,& v\∈\left[\mathrm{0,10}\right]\\ \sqrt{60008.9\·(11-N)},& N\∈\left[\mathrm{1,4}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\\ 648,& N\∈\left[\mathrm{4,10}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\\ 1441-7.4v,& v\≥90\mathrm{km}/h\end{array}\right.$

其中，级位N为1至10中的任意一个正实数，v_N为特性速度；

步骤s203：取特性电流I₁和限制电流I₂中的最小值作为目标制动电流I_Z；

步骤s204：判断机车速度v是否大于特性速度v_N，如果是，则进入步骤s205，否则进入步骤s206；

步骤s205：制动控制逻辑控制励磁电路中励磁桥的励磁电流I_f，进而控制电枢电路中电动机的发电电压E，最终间接地控制制动电流I_m，直至制动电流I_m等于目标制动电流I_Z。

可以理解的是，当v≥v_N处于高速时，根据电动机的电势公式，E＝Ceφn，电动机的发电电压足以维持电动机电流，此时，制动控制逻辑模块关闭加馈桥，励磁PI调节器通过目标制动电流I_Z与电动机的反馈电流也即制动电流I_m闭环来调节励磁电流I_f以实现制动电流I_m的闭环控制，即使I_Z＝I_m＝(U_d+E)/∑R_Z＝(0+Ceφn)/∑R_Z。当目标制动电流I_Z一定时，此时的反馈电流I_m与φn有关，当机车实际速度增加时，励磁电流减小，机车实际速度减小，励磁电流增大。此时，由于励磁电流与最大目标励磁电流930A相差较大，最大励磁PI调节器处于正饱和，制动控制逻辑模块判断励磁PI调节器与最大励磁PI调节器输出并通过取小值模块取两者中的较小值，即取励磁PI调节器输出作为励磁桥的变流级控制信号，第一变流级控制模块主要实现将该控制信号转成控制晶闸管的脉冲信号。脉冲信号触发晶闸管导通，制动控制逻辑模块通过控制晶闸管的导通角大小来控制励磁电流I_f的大小，进而控制电枢电路中电动机的发电电压E，最终间接地控制制动电流I_m，直至制动电流I_m等于目标制动电流I_Z。

步骤s206：制动控制逻辑控制励磁电路中励磁桥的励磁电流I_f达到最大目标励磁电流，并开通电枢电路中加馈桥，进而控制制动电流I_m，直至制动电流I_m等于目标制动电流I_Z。

随着机车实际速度降低，励磁PI调节器调节励磁电流I_f不断增大并最终趋于正饱和，而随着励磁电流I_f接近并大于最大目标励磁电流930A时，最大励磁PI调节器通过最大目标励磁电流930A与励磁电流I_f的闭环快速退饱和，制动控制逻辑模块判断励磁PI调节器与最大励磁PI调节器输出并取小值，即取最大励磁PI调节器输出作为励磁桥变流级控制信号，第二变流级控制模块将该控制信号转成控制晶闸管的脉冲信号。脉冲信号触发晶闸管导通，制动控制逻辑模块通过控制晶闸管的导通角大小来控制励磁电流I_f增大直至等于最大目标励磁电流930A。

当机车实际速度继续降低，且v≤v_N时，励磁电流达到最大，等于最大目标励磁电流930A，而要实现I_Z＝I_m＝(U_d+E)/∑R_Z＝(U_d+Ceφn)/∑R_Z，则需要开通加馈桥来补充制动能量，制动控制逻辑模块判断最大励磁PI调节器已取得励磁控制权，随即开通加馈桥，电枢PI调节器通过目标制动电流I_Z与电动机电流的闭环调节加馈桥输出电压，实现电动机反馈电流I_m与目标制动电流I_Z的跟随。当电枢PI调节器处于调节状态时，制动控制逻辑模块强制取最大励磁PI调节器的输出作为励磁桥变流级控制信号，只有电枢PI调节器处于负偏时，制动控制逻辑模块才会恢复判断励磁PI调节器与最大励磁PI调节器输出并取小值逻辑，至此完成了电力机车的制动。

值得注意的是，这里的最大目标励磁电流为930A，但并不仅限于930A，具体数值根据实际情况以及机车型号来决定，在此本发明不做特别的限定。

本发明提供的一种电力机车制动控制方法，通过采集司控器级位、机车速度及状态量，经过限流、准恒制动力特性运算，产生目标制动电流，高速时通过与反馈电流进行比较、闭环调节，输出励磁桥触发脉冲控制励磁电流(电动机发电电压)；低速时，通过与反馈电流进行比较、闭环调节，输出加馈桥触发脉冲补足制动电流，直至制动电流等于目标制动电流，在周期性机车速度突变工况下，制动发电电压、制动电流变化更趋平缓，有效消除了电气冲击对电动机的影响，同时也优化了换向性能、改善了换向器工作环境；而制动电流的稳定也将实现机车制动力稳定，保持相对充足的制动力去平衡下滑力，有利于提高平均制动力、减少空气补足制动的次数，另外可以通过调节司控器级位来选择机车可发挥的最大轮周制动功率(可线性选择1.0～0.7倍额定轮周制动功率)，在不同的天气情况下(雨、雪、霜冻、沙尘等)可灵活的、最大限度提高轮轨粘着系数，最大限度地降低滑行率，保护轮轨、保障行车安全。

与上述方法实施例对应，本发明还提供了一种电力机车制动控制系统，请参照图4，该系统包括，

逻辑确定模块10，用于接收人为给定的指令以及传感器反馈的机车速度v，确定机车处于制动状态以及开启制动控制逻辑；其中，指令包括司控器级位N和状态量；

目标电流计算模块11，用于依据司控器级位N、机车速度v以及限流、准恒制动力特性关系式和限制关系式，分别得到特性电流I₁和限制电流I₂，其中：

特性关系式为特性电流 $I_1=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{1197.1\·(11-N)\·v}& ,N\∈\left[\mathrm{1,10}\right],v\≥v_N\\ 62.9\·(11-N)& ,N\∈\left[\mathrm{1,10}\right],v\≤v_N\end{array}\right.;$

限制关系式为限制电流 $I_2=\left\{\begin{array}{cc}56.61v+62.9,& v\∈\left[\mathrm{0,10}\right]\\ \sqrt{60008.9\·(11-N)},& N\∈\left[\mathrm{1,4}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\\ 648,& N\∈\left[\mathrm{4,10}\right],v\≥50\mathrm{km}/h\\ 1441-7.4v,& v\≥90\mathrm{km}/h\end{array}\right.$

其中，级位N为1至10中的任意一个正实数，v_N为特性速度；

目标制动电流确定模块12，用于取特性电流I₁和限制电流I₂中的最小值作为目标制动电流I_Z；

制动控制逻辑模块13，用于将目标制动电流I_Z作为电力机车制动闭环控制系统的输入，控制制动电流I_m对目标制动电流I_Z的电流进行跟随。

下面结合图3中各模块对电力机车的制动控制过程进行介绍：

可以理解的是，A2-X2、A5-X5为机车变压器次边绕组，分别为AC695.4V和AC104.3V。

当然，这里并不仅限于数值只为AC695.4V和AC104.3V，具体数值根据具体实际情况来选择，在此本发明不做特别的限定。

制动时，逻辑确定模块10接收上位机发来的状态信号，确定机车处于制动状态，随即微机柜开启制动控制逻辑模块，目标电流计算模块11根据接收到的司控器级位N、机车速度v，经过限流、准恒制动力特性运算，形成目标制动电流I_Z，依据公式I＝(U_d+E)/∑R_Z，其中，I为电机电流、U_d为加馈桥两端输出电压、E为电机发电电压，∑R_Z为电动机制动回路电阻。

当v≥v_N处于高速时，根据电动机19的电势公式，E＝Ceφn，电动机19的发电电压足以维持电动机19电流，此时，制动控制逻辑模块13关闭加馈桥18，励磁PI调节器142通过目标制动电流I_Z与电动机19的反馈电流也即制动电流I_m闭环来调节励磁电流I_f以实现制动电流I_m的闭环控制，即使I_Z＝I_m＝(U_d+E)/∑R_Z＝(0+Ceφn)/∑R_Z。当目标制动电流I_Z一定时，此时的反馈电流I_m与φn有关，当机车实际速度增加时，励磁电流减小，机车速度减小，励磁电流增大。此时，由于励磁电流与最大目标励磁电流930A相差较大，最大励磁PI调节器141处于正饱和，制动控制逻辑模块13判断励磁PI调节器142与最大励磁PI调节器141输出并通过取小值模块15取两者中的较小值，即取励磁PI调节器142输出作为励磁桥17的变流级控制信号，第一变流级控制模块161主要实现将该控制信号转成控制晶闸管的脉冲信号。脉冲信号触发晶闸管导通，制动控制逻辑模块13通过控制晶闸管的导通角大小来控制励磁电流I_f的大小，进而控制电枢电路中电动机19的发电电压E，最终间接地控制制动电流I_m，直至制动电流I_m等于目标制动电流I_Z。

随着机车实际速度降低，励磁PI调节器142调节励磁电流I_f不断增大并最终趋于正饱和，而随着励磁电流I_f接近并大于最大目标励磁电流930A时，最大励磁PI调节器141通过最大目标励磁电流930A与励磁电流I_f的闭环快速退饱和，制动控制逻辑模块13判断励磁PI调节器142与最大励磁PI调节器141输出并取小值，即取最大励磁PI调节器141输出作为励磁桥17变流级控制信号，第一变流级控制模块161将该控制信号转成控制晶闸管的脉冲信号。脉冲信号触发晶闸管导通，制动控制逻辑模块13通过控制晶闸管的导通角大小来控制励磁电流I_f增大直至等于最大目标励磁电流930A。

随着机车实际速度的继续降低且v≤v_N时，励磁电流达到最大，等于最大目标励磁电流930A，而要实现I_Z＝I_m＝(U_d+E)/∑R_Z＝(U_d+Ceφn)/∑R_Z，则需要开通加馈桥18来补充制动能量，制动控制逻辑模块13判断最大励磁PI调节器141已取得励磁控制权，随即开通加馈桥18，电枢PI调节器143通过目标制动电流I_Z与电动机19电流的闭环调节加馈桥18输出电压U_d，实现电动机19反馈电流I_m与目标制动电流I_Z的跟随。当电枢PI调节器143处于调节状态时，制动控制逻辑模块13强制取最大励磁PI调节器141的输出作为励磁桥17变流级控制信号，只有电枢PI调节器143处于负偏时，制动控制逻辑模块13才会恢复判断励磁PI调节器142与最大励磁PI调节器141输出并取小值逻辑，至此完成电力机车的制动。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种电力机车制动控制方法，其特征在于，包括：

步骤A：接收人为给定的指令以及传感器反馈的机车速度v，确定机车处于制动状态以及开启制动控制逻辑；其中，所述指令包括司控器级位N和状态量；

步骤B：依据所述司控器级位N、机车速度v以及限流、准恒制动力特性关系式和限制关系式，分别得到特性电流I₁和限制电流I₂，其中：

所述特性关系式为特性电流

所述限制关系式为限制电流

其中，所述级位N为1至10中的任意一个正实数，所述v_N为特性速度；

步骤C：取所述特性电流I₁和所述限制电流I₂中的最小值作为目标制动电流I_Z；

步骤D：将所述目标制动电流I_Z作为电力机车制动闭环控制系统的输入，控制制动电流I_m对所述目标制动电流I_Z的电流进行跟随。

2.如权利要求1所述的电力机车制动控制方法，其特征在于，步骤D中所述控制制动电流I_m对所述目标制动电流I_Z的电流进行跟随过程包括：

当v≥v_N时，所述制动控制逻辑控制励磁电路中励磁桥的励磁电流I_f，进而控制电枢电路中电动机的发电电压E，最终间接地控制所述制动电流I_m，直至所述制动电流I_m等于所述目标制动电流I_Z。

3.如权利要求2所述的电力机车制动控制方法，其特征在于，所述制动电流

其中，E：电动机电势也即所述发电电压，单位：V；

C_e：电动机电势常数；

∑R_Z：电动机制动回路电阻；

φ：电动机磁通，与所述励磁电流I_f有关；

n_d:电动机转速。

4.如权利要求1所述的电力机车制动控制方法，其特征在于，步骤D中所述控制制动电流I_m对所述目标制动电流I_Z的电流进行跟随过程包括：

当v≤v_N时，所述制动控制逻辑控制励磁电路中励磁桥的励磁电流I_f达到最大目标励磁电流，并开通电枢电路中加馈桥，进而控制制动电流I_m，直至所述制动电流I_m等于所述目标制动电流I_Z。

5.如权利要求4所述的电力机车制动控制方法，其特征在于，

所述制动电流

其中，E：电动机电势也即所述发电电压，单位：V；

C_e：电动机电势常数；

∑R_Z：电动机制动回路电阻；

φ：电动机磁通，与所述励磁电流I_f有关；

n_d:电动机转速；

所述U_d为所述加馈桥两端的输出电压。

6.如权利要求4所述的电力机车制动控制方法，其特征在于，所述最大目标励磁电流为930A。

7.如权利要求1所述的电力机车制动控制方法，其特征在于，所述特性速度v_N具体为：

$v_N=33.2\·\left(\frac{11-N}{10}\right),N\∈\[1,10\].$

8.一种电力机车制动控制系统，其特征在于，包括：

逻辑确定模块，用于接收人为给定的指令以及传感器反馈的机车速度v，确定机车处于制动状态以及开启制动控制逻辑；其中，所述指令包括司控器级位N和状态量；

目标电流计算模块，用于依据所述司控器级位N、机车速度v以及限流、准恒制动力特性关系式和限制关系式，分别得到特性电流I₁和限制电流I₂，其中：

所述特性关系式为特性电流

所述限制关系式为限制电流

其中，所述级位N为1至10中的任意一个正实数，所述v_N为特性速度；

目标制动电流确定模块，用于取所述特性电流I₁和所述限制电流I₂中的最小值作为目标制动电流I_Z；

制动控制逻辑模块，用于将所述目标制动电流I_Z作为电力机车制动闭环控制系统的输入，控制制动电流I_m对所述目标制动电流I_Z的电流进行跟随。