轨道车辆司机控制器制动指令转换研究

王业泰, 鹿峰凯, 王 群

(南京中车浦镇海泰制动设备有限公司 技术中心， 南京 211800)

轨道车辆司机控制器又称主控手柄，简称司控器，是司机用来操纵列车运行的主令控制器，通过操作司控器可实现轨道车辆的牵引、制动、换向等功能，在车辆制动过程中，按照制动力的大小通常分为常用制动、快速制动和紧急制动。其中，快速制动和紧急制动的减速度相对较高，一般通过单根硬线或单个网络协议表示。常用制动力大小对应司机手柄级位，通常采用级位编码硬线(有档分级制动，以下简称分级)或无级模拟量(无档无级制动，以下简称无级)来表示。分级制动通常采用多根硬线将司机手柄级位信号编码后传输给制动系统；而无级制动通常采用以硬线为介质传输的PWM信号和以网络为介质的模拟量信号输出给制动系统。

无论分级制动还是无级制动，根据车型设计特点，各有优劣，但当选用无级制动指令的司控器时，将不能匹配分级制动系统，文中研究将无级制动指令应用于分级制动控制的制动系统。

1 无级制动指令

输出无级制动指令的司控器面板上一般有控制手柄、换向手柄两种可操作机构(如图1)。控制手柄有：牵引区、0位、制动区、快速制动位；换向手柄有：向后、0位、向前3个档位。司控器的控制手柄0位、牵引最大位、制动最大位、快速制动位(有定位)；在这些档位之间无级调节。

目前国内CRH5型动车组及大部分地铁项目(如广州地铁1号、2号、4号、5号线，上海轨道交通7号、9号、11号、12号、13号线，深圳地铁1号、5号线，苏州地铁1号线，杭州地铁1号线，武汉地铁2号线，上海轨道交通6号、8号线等)[1]均采用输出无级制动指令的司控器和无级制动的制动系统。

图1 某无级司控器

2 分级制动指令

输出分级制动指令的司控器面板上一般有控制手柄、换向手柄等可操作机构。控制手柄由牵引和制动分开独立控制(如图2所示制动手柄)或牵引、制动为一体控制(如图3所示控制手柄)，分级制动的司控器均有清晰的制动档位。

图2 某分级制动的司控器(牵引和制动分体)

目前国内CRH1型、CRH2型、CRH3型、CRH6型动车组及部分地铁项目(广佛线地铁，北京房山线，西安地铁1号、2号线，重庆轨道交通6号线，新加坡地铁，大连202轻轨延伸线等)均采用输出分级制动指令的司控器和分级制动的制动系统。

图3 某分级制动的司控器(牵引和制动一体)

3 分级制动控制优势

分级制动通常采用多根硬线将制动级位指令发送给制动系统，通过车辆电气控制逻辑，实现列车的故障导向安全。

3.1 制动级位的向下覆盖

通过司控器的机械原理实现，具有高位优先的冗余特性，在某制动级位输出异常时，可按低一级制动的级位进行控制(如图4)，如施加7级常用制动时，若7级继电器故障，可以输出6级制动。

无级制动指令一般是通过模拟量传递，无法实现此功能。

图4 分级制动司控器逻辑

3.2 制动力不足检测

将制动级位继电器(见图4)的触点接入车辆电气逻辑中，作为制动力不足检测的触发条件，当空气制动力输出不足时，触发紧急制动，保障车辆安全，如CRH2型车的制动力不足检测设计[2]。

无级制动指令由于是模拟量信号，不能驱动相应的电气回路，无法直接实现此功能。

3.3 精确控车

进行空气制动力控制时，由于机械阀有其自身的控制灵敏度，当无级指令变化区间太小，达不到机械阀的动作灵敏度时，制动系统将无法输出相应的空气制动力。而分级制动控制在进行减速度设计时，已考虑了阀的动作特性，制动级位变化时不会出现制动力不变化的情况。

3.4 救援回送

无备用制动系统的车辆进行救援回送时，根据机车或救援车的BP管空气压力转换成对应的制动级位，通过车辆电气逻辑回路及网络系统将制动指令传送给各车实现救援回送功能[2]。

“咦？”霍铁和小达忍不住叫了出来。小达仔细端详着小姑娘，然后哈哈大笑起来。她扭头扯了扯霍铁的胳膊：“哥哥，你忘了？几个月前的那次体操表演赛，我还采访过她呢！”

无备用制动系统的车辆采用无级制动难以实现此功能。

3.5 备用制动指令

无级制动指令一般通过网络系统向各车制动控制系统传递，严重依赖于网络系统。当网络通信异常时，制动控制系统将无法识别制动级位，从而存在无法施加制动力的风险。

如果采用分级制动控制可以设置分级备用指令硬线作为制动系统的制动指令冗余输入，实现在网络异常时的制动力控制。

4 无级制动转分级制动

为将无级制动指令应用于分级制动系统，需要将无级制动指令转为分级制动指令，通过分级指令硬线电路逻辑实现分级制动系统的优势。

4.1 制动指令传输

司控器分两路传输无级制动指令模拟量信息(信号规格相同)，如图5所示。

图5 司控器的指令传输

A路：司控器的无级制动指令以电压模拟量传输给网络系统，网络以通信字节位发送给各车电子制动控制单元(简称EBCU)，由EBCU将无级制动指令转换成对应的制动级位，进行分级制动控制。

B路：司控器的无级制动指令以电压模拟量传输给指令转换器，指令转换器根据无级制动指令转换成对应的制动级位，并励磁对应的制动级位继电器，同时将制动级位继电器的常开触点接入整车电气逻辑中，实现分级制动控制的制动力不足检测及备用制动指令冗余功能(如图1)。

4.2 无级制动指令分级

①0位：3±0.1 V DC；

②制动最大位：8±0.15 V DC；

③快速制动：8.3±0.15 V DC。

0位和制动最大位之间为线性输出，0位到制动最大位分别对应0～100%制动力，如图6所示。

图6 司控器制动输出电压特性

EBCU(或指令转换器)根据制动指令无级信号按需要进行级位分级，制动级位细分到什么程度，需要根据车辆设计、减速度规格、阀的供给与排气灵敏度等进行确定，以分为7个制动级位为例，如表1所示：EBCU(或指令转换器)根据制动级位模拟量信号解析制动级位，实现制动分级控制，同时为避免制动电压信号在级位分界点造成制动级位的频繁跳变，可以将同一制动级位的施加和缓解电压设置一定的迟滞区间。

4.3 故障诊断

基于安全导向，考虑可能存在的异常，EBCU(或指令转换器)需对接收到的无级指令信号进行异常检测，当电压超出设定的最大值或低于设定的最小值时判定为指令异常。

表1 制动指令级位转换

4.4 指令转换器的集成功能

在分级制动控制的车型中一般设有救援指令转换装置(根据机车或救援列车的BP管空气压力，输出对应的制动级位，实现对本车的救援回送功能)，本指令转换器可以集成到救援指令转换装置中或制动控制装置中。

通过以上设计可以实现将无级制动指令应用于分级控制的制动系统中，并通过分级制动的电气逻辑实现分级制动控制的优势。

5 结 论

无论分级制动还是无级制动，根据车型设计特点，各有优劣，当选用无级制动指令的司控器时，将不能匹配分级制动系统，文中介绍了目前输出无级制动指令和分级制动指令的司控器主要特点及应用范围，基于分级制动的控制优势，设计了指令转换器，对无级指令进行了分级，实现了无级制动指令应用于分级制动系统。

对无级司控器的分级方式也适用于其他无级指令的信号输入装置，如ATO(Automatic Train Operation)装置的无级指令转有级指令，牵引信号的无级指令转有级指令等。