CN106864445B - 新型分布式网络控制制动机电子制动阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀。本装置包括：控制模块，电源转换模块，PWM输出模块，模拟量采集模块，信号输入模块，CAN网络控制芯片，CAN收发器，SPI通信芯片，RS485电平转换模块，隔离模块，滤波模块，制动闸，角度传感器等。本发明的新型分布式网络控制制动机电子制动阀，采用高速率高精度绝对式编码器作为角度传感器采集制动闸信息，采用滑动平均滤波算法进行信号处理，采用冗余CAN网络传输制动指令，采用低计算量的显示模型预测控制(EMPC)算法控制制动缸压力，具有传输精度高，抗干扰性能强，在线计算量小，安装调试方便等特点。

Description

新型分布式网络控制制动机电子制动阀

技术领域

本发明涉及一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀。

背景技术

列车运行时，司机需要根据实际运行情况对列车进行制动控制，包括运转，初制动，全制动，抑制，重联，紧急以及缓解解除制动等控制操作。制动闸的不同位置代表不同的制动命令。制动阀用来采集制动闸的角度信息，同时传输信号给列车制动控制单元，进行制动操作。

传统的制动阀，采用机械传递刹车指令，这就使得该终端体积庞大、易出现指令错误、故障率高、响应慢等缺点，随着机车设备的发展，不再适合于新一代的高速铁路交通系统。此外，传统的制动阀采用电位器采集制动闸角度信息，电位器阻值易受温度影响，采集信息也会受到AD采样精度的影响，制动信号的采集稳定性较差。并且传统的制动阀无法检测BCU故障，当BCU出现故障时，不具有故障容错功能。因此，如何稳定可靠的采集制动闸信息，同时准确的传输给制动控制单元，并且在BCU出现故障时，替代BCU进行制动功能是机车制动面临的难题和挑战，更是当前迫切要解决的问题。

该系统的开发由国家自然科学基金项目61379111，61672537，61672539，61402538，61403424，61602529，61502055和61503048提供部分支持。

发明内容

本发明要解决的技术问题是设计一种新型制动阀，可以稳定可靠的采集制动闸信息，同时准确的传输给制动控制单元，并且能够检测制动控制单元故障，替代制动控制单元进行紧急制动。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，包括

一用于提供稳压电源的电源转换模块；

一用于无触点输出的PWM输出模块；

一用于采集制动闸侧压信号和硬线识别的信号输入模块；

一用于判断输入信号，控制PWM输出，接收机车内部网络信号，进行信号滤波处理的控制模块；

一用于机车内部通信的通信模块；

一用于存储制动闸校准信息和机车制动显示控制率的存储模块；

二用于控制制动的制动闸；

二用于采集制动闸角度信息的角度传感器；

一用于采集制动缸压力信号的模拟量采集模块。

所述的控制模块为MCU，并通过MCU通用IO口连接输入模块，通过MCU的一PWM接口连接PWM输出模块，通过MCU外部地址数据总线连接通信模块，通过IIC接口连接存储模块，所述的角度传感器安装在制动闸上，所述的制动闸通过角度传感器连接到通信模块，所述的通信模块同时连接到列车内部CAN网络，所述的电源转换模块为整个电子制动阀提供电源。

所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，所述的通信模块包括

一CAN网络通信模块；

一SPI网络通信模块；

所述的控制模块分别通过CAN网络通信模块和SPI网络通信模块连接列车内部CAN网络和制动闸。

所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，所述的CAN网络通信模块冗余双芯片CAN通信模块,包括，

一用于实现控制模块与CAN网络通信模块数据交换的双口RAM；

二用于实现CAN网络通讯的CAN通讯芯片；

二用于实现与列车内部其他CAN网络设备之间进行数据接收和发送的数据收发器；

二用于实现抑制共模和差模干扰的滤波模块；

二用于实现数据隔离的隔离模块；

所述的二CAN通讯芯片分别通过二CAN网络数据收发器通信连接列车内部其他CAN网络设备，控制模块外部地址数据总线和一双口RAM与CAN通讯芯片通信连接。

所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，其特征在于，所述的SPI通信模块包括，

一用于实现与外部编码器实现数据交换的双口RAM；

二用于实现SPI通信的SPI控制芯片；

二用于实现电平转换的RS485模块；

所述的二SPI模块分别通过二RS485电平转换器连接到用于采集制动闸信息的二角度传感器，控制模块通过外部地址数据总线和一双口RAM来与SPI控制芯片通信连接。

所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，所述的控制模块采用滑动平均滤波算法用来对制动闸角度传感器采集到的角度信号进行优化处理。

所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，所述的控制模块包括校准模式和正常工作模式两种模式，两种模式根据CAN网络通信模块接收到的CAN报文命令来进行选择。

所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，所述的校准模式采用径向基函数神经网络方法对角度传感器输入—输出间受环境影响所产生的不确定性和非线性进行校准。

所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，所述的控制模块通过CAN网络信号发送制动指令给列车制动控制单元，列车制动控制单元收到制动指令后返回应答信号，当CAN网络故障或列车制动控制单元故障时，电子制动阀无法收到应答信号，从而判定故障；所述的PWM模块连接至机车制动缸的充气阀和放气阀的控制端，当控制模块检测到故障时，控制模块通过PWM模块控制充气阀和放气阀的开关，使制动缸快速放气到指定压力值，从而进行紧急制动。

所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，进行紧急制动时，模拟量采集模块采集制动缸压力信号，并采用显示模型预测控制算法控制制动缸压力，包括以下步骤：

步骤1，离线计算过程：把代表充气阀和放气阀的PWM占空比的控制率求解过程转化为离线计算，即预先通过对实际制动缸压力值和目标值进行分区，得到每个区域下控制率与状态分区的线性函数，并存储到存储模块；

步骤2，制动缸压强在线调节过程：根据制动缸当前压力和目标压力值确定当前所在分区，然后通过线性计算获得最优控制率，从而减少了控制器的在线计算量。

本发明的技术效果在于，该发明保证了制动阀可以稳定可靠的采集制动闸信息，同时准确的传输给制动控制单元，同时具有设备机械体积小，安装调试方便，控制命令传输实时性强，可靠性高等优点，可以针对多种不同车型进行安装，兼容性强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的电源转换模块示意图；

图3为本发明的性能测试工作示意图；

图4为本发明的软件工作流程图；

图5为本发明的制动闸校准流程图；

图6为本发明的EMPC算法示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，在附图中，相同的标识表示相同或相似的组件或元素。

参见图1，本实施例包括：控制模块，电源转换模块，PWM输出模块，信号输入模块，校准信息存储模块，第一CAN网络通信芯片，第二CAN网络通信芯片，第一CAN收发器，第二CAN收发器，第一隔离芯片，第二隔离芯片，第一滤波模块，第二滤波模块，第一SPI控制芯片，第二SPI控制芯片，第一RS485电平转换模块，第二RS485电平转换模块，制动大闸，制动小闸，第一角度传感器，第二角度传感器，滑动平均滤波算法。其中控制模块通过MCU IO口连接输入模块，通过MCU PWM接口连接PWM输出模块，通过MCU外部地址数据总线连接双口RAM，通过IIC接口连接存储模块。制动闸通过角度传感器连接至RS485电平转换芯片，再连接到SPI控制芯片，SPI通信芯片通过双口RAM与控制器进行数据交换。外部列车制动控制单元通过CAN收发器及隔离芯片连接至CAN通讯芯片，CAN通讯芯片通过双口RAM与控制器进行数据交换。两路CAN起到冗余热备的作用。

各个模块的功能如下：

电源转换模块：将列车提供的110V的工作电源，转换为5V的工作电源给控制器工作，转换为24的电源用来作为PWM输出。

PWM输出模块，控制制动缸的充气阀和放气阀的开闭，完成紧急制动；

信号输入模块：采集制动闸侧压信号和硬线识别信号，完成紧急制动命令的采集和制动闸的切换；

第一CAN收发器和第二CAN收发器：发送及接受CAN数据；

第一CAN通信芯片和第二CAN通信芯片：用于实现与机车制动控制单元的CAN网络通信，相当于机车网络的一个子网络。两路CAN起到热备冗余的作用，保证通信的可靠性；

第一隔离芯片和第二隔离芯片：用于CAN信号与控制模块的电平隔离；

大闸：作为自动制动手柄，负责列车的运转，初制动，全制动，抑制，重联，紧急制动；

小闸：作为单独制动手柄，负责运转和全制；

司机通过操纵制动手柄，使其处于不同的档位上，来发送不同的命令；

第一角度传感器：用来采集大闸的角度；

第二角度传感器：用来采集小闸的角度；

角速度传感器不同角度对应不同的制动指令，本发明使用14位绝对式编码器WNS30-14-SBC。该编码器的有效角度范围0-360度，数据范围为0x0-0x3FF。编码器通过SPI总线与SPI控制芯片相连具体如下表1所示：

表1编码器连接SPI控制芯片对应表

第一RS485电平转换器与第二RS485电平转换器：电平转换作用，因为角度传感器的电气特性为RS485电平，SPI控制器的电气特性为TTL电平。

第一SPI控制芯片和第二SPI控制芯片：控制与角度传感器之间的SPI通信。

双口RAM：用于控制模块与SPI控制芯片和CAN通信芯片的数据交换。校准信息储存模块：用于存储角度传感器的误差校准信息，在列车运行时根据校准信息来调节角度传感器的采集值，以获得准确可靠的制动信息。

图2示出本发明的电源模块示意图，外部110电源首先经过EMI滤波模块滤出高频干扰信号，然后通过DC-DC转换出稳定的24V电源供PWM输出使用，稳定的5V电源供数字逻辑使用。短路保护模块在负载短路时起到保护作用。

图3示出本发明的测试示意图，其中电源转换模块提供低纹波高可靠性的直流110V供电电源；虚拟LCDM模块将负责对电子制动阀进行初始化和发送校准命令；虚拟DBPU模块将对电子制动阀发送的数据进行分析，检测其CAN网络通讯性能，根据大闸和小闸的动作来判断其网络特性参数是否满足实际需求。

图4示出本发明软件工作流程图。列车在运行时，程序首先对系统参数初始化，然后判断是否有校准命令，如果有则读取校准信息存储模块的初始加载值，对编码器信息进行校准。获取编码器信息后，对获取的信息采用滑动平均滤波算法进行滤波处理，然后通过CAN网络发送给机车制动控制单元(DBPU)。其中校准模式采用径向基函数神经网络方法对角度传感器输入—输出间受环境影响所产生的不确定性和非线性进行校准，角度传感器的输入是制动闸的角度，输出是采样的数字量，其理论上是线性关系，但是由于环境等因素影响，传感器会存在着非线性和不确定性，传感器输出的值可能是理论值，故需要进行校准。

图5示出本发明制动闸校准流程图。首先将自动控制手柄(大闸)和单独制动手柄(小闸)拨到各自的运转位，然后建立LCDM与电子制动阀的CAN网络通信，此时通过LCDM人机交互界面发送CAN_ID为0x88，报文内容为0x55的CAN通信报文，同时继续监测CAN网络上的数据，如果收到CAN_ID为0x1A7的报文，且内容的第二字节为0x82，表示校准成功。此时用LCDM发送CAN_ID为0x88，报文内容为0x00的CAN通信报文,终止校准模式，程序进入正常工作模式。由于在校准模式中加入了延时函数，所以在校准模式和正常工作模式下CAN报文收发速度会有较大区别，有利于区别两种工作模式。

图6为本发明的EMPC算法示意图。首先是离线计算过程，把制动缸目标压强值和实际值分成若干个区域，分区采用多参数非线性规划方法来进行，并获得各分区下的显示控制率。分区的过程是对整个状态集合不断细分并求解的过程，如果当前集合可以获得线性控制率，则不再细分，否则继续细分，直至整个状态集合的所有分区都对应一个线性控制率，则分区完毕。在每个区域内求解最优控制率，最优控制率和状态分区成线性关系，然后把线性控制率存储到制动阀的存储模块。其次是在线优化过程，当BCU出现故障时，制动阀将快速的控制制动缸压力到目标值完成紧急制动。在这个过程中，首先根据当前目标值和压力值的大小确定所在状态分区，然后在相应的分区内进行简单的线性计算获得最优控制率，通过PWM模块控制充气阀和放气阀完成制动缸压力的控制。采用该方式进行紧急制动控制，减少了控制模块的在线计算量，解决了CPU的资源和计算能力有限问题

本实施例在通过CAN网络与电子制动阀相连的列车制动控制单元(BCU)出现故障时，PWM输出模块可直接控制紧急排风阀进行紧急制动，无需通过CAN网络发送制动命令。控制模块通过CAN网络信号发送制动指令给列车制动控制单元，列车制动控制单元收到制动指令后返回应答信号，当CAN网络故障或列车制动控制单元故障时，电子制动阀无法收到应答信号，从而判定故障；由于列车是压缩空气制动，所以制动是通过控制制动缸的压力进行的，而制动缸的压力是由充气阀和放气阀来进行的。正常情况下制动命令由制电子制动阀发送给BCU，由BCU来控制制动缸压力。当通信故障时，由PWM模块来控制制动缸压力。PWM模块连接至机车制动缸的充气阀和放气阀的控制端，当控制模块检测到故障时，控制模块采用EMPC算法，通过PWM模块控制充气阀和放气阀的开关，使制动缸快速放气到指定压力值，从而进行紧急制动。

Claims (9)

1.一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，其特征在于，包括

一个用于提供稳压电源的电源转换模块；

一个用于无触点输出的PWM输出模块；

一个用于采集制动闸侧压信号和硬线识别的信号输入模块；

一个用于判断输入信号，控制PWM输出，接收机车内部网络信号，进行信号滤波处理的控制模块；

一个用于机车内部通信的通信模块；

一个用于存储制动闸校准信息和机车制动显示控制率的存储模块；

二个用于控制制动的制动闸；

二个用于采集制动闸角度信息的角度传感器；

一个用于采集制动缸压力信号的模拟量采集模块；

所述的控制模块为MCU，并通过MCU通用IO口连接输入模块，通过MCU的PWM接口连接PWM输出模块，通过MCU外部地址数据总线连接通信模块，通过IIC接口连接存储模块，通过模拟量接口连接模拟量采集模块；所述的角度传感器安装在制动闸上，所述的制动闸通过角度传感器连接到通信模块，所述的通信模块同时连接到列车内部CAN网络，所述的电源转换模块为整个电子制动阀提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，其特征在于，所述的通信模块包括

一个CAN网络通信模块；

一个SPI网络通信模块；

所述的控制模块分别通过CAN网络通信模块和SPI网络通信模块连接列车内部CAN网络和制动闸。

3.根据权利要求2所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，其特征在于，所述的CAN网络通信模块冗余双芯片CAN通信模块,包括，

一个用于实现控制模块与CAN网络通信模块数据交换的双口RAM；

二个用于实现CAN网络通讯的CAN通讯芯片；

二个用于实现与列车内部其他CAN网络设备之间进行数据接收和发送的数据收发器；

二个用于实现抑制共模和差模干扰的滤波模块；

二个用于实现数据隔离的隔离模块；

所述的二个CAN通讯芯片分别通过二个CAN网络数据收发器通信连接列车内部其他CAN网络设备，控制模块外部地址数据总线和一双口RAM与CAN通讯芯片通信连接。

4.根据权利要求2所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，其特征在于，所述的SPI网络通信模块包括，

一个用于实现与外部编码器实现数据交换的双口RAM；

二个用于实现SPI通信的SPI控制芯片；

二个用于实现电平转换的RS485模块；

所述的二个SPI控制芯片分别通过二个RS485模块连接到用于采集制动闸信息的二个角度传感器，控制模块通过外部地址数据总线和一个双口RAM来与SPI控制芯片通信连接。

5.根据权利要求1所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，其特征在于，所述的控制模块采用滑动平均滤波算法用来对制动闸角度传感器采集到的角度信号进行优化处理。

6.根据权利要求1所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，其特征在于，所述的控制模块包括校准模式和正常工作模式两种模式，两种模式根据CAN网络通信模块接收到的CAN报文命令来进行选择。

7.根据权利要求6所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，其特征在于，所述的校准模式采用径向基函数神经网络方法对角度传感器输入—输出间受环境影响所产生的不确定性和非线性进行校准。

8.根据权利要求1所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，其特征在于，所述的控制模块通过CAN网络信号发送制动指令给列车制动控制单元，列车制动控制单元收到制动指令后返回应答信号，当CAN网络故障或列车制动控制单元故障时，电子制动阀无法收到应答信号，从而判定故障；所述的PWM模块连接至机车制动缸的充气阀和放气阀的控制端，当控制模块检测到故障时，控制模块通过PWM模块控制充气阀和放气阀的开关，使制动缸快速放气到指定压力值，从而进行紧急制动。

9.根据权利要求8所述的一种新型分布式网络控制制动机电子制动阀，其特征在于，进行紧急制动时，模拟量采集模块采集制动缸压力信号，并采用显示模型预测控制算法控制制动缸压力，包括以下步骤：

步骤1，离线计算过程：把代表充气阀和放气阀的PWM占空比的控制率求解过程转化为离线计算，即预先通过对实际制动缸压力值和目标值进行分区，得到每个区域下控制率与状态分区的线性函数，并存储到存储模块；

步骤2，制动缸压强在线调节过程：根据制动缸当前压力和目标压力值确定当前所在分区，然后通过线性计算获得最优控制率，从而减少了控制器的在线计算量。