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摘 要：动车组的轮径由于正常磨耗或异常擦轮会不断发生变化，为避免人工输入轮径的烦索、提高动车组速度控制及相关保护功能的精度，部分动车组具备轮径自动校准功能。本文介绍了基于速度传感器计算的轴列车速度，通过与GPS速度对比，进行差值积分的方式，对存储轮径值进行校准的方法，介绍了轮径自动校准设计应注意的问题。
关键词：轮径;TCMS系统;牵引控制系统;自动校准;保护
0 引言
由于动车组车轮正常磨耗或异常擦轮，动车组车轮需定期或不定期的进行镟修操作。针对实际车轮直径变化，为保证动车组列车控制管理系统（以下简称TCMS系统）或牵引控制系统内车轮直径信息的准确性，保证动车组速度控制、牵引扭矩控制及空转/滑行保护等功能的正确实施，目前动车组控制系统内车轮直径值的更新普遍采用两种方式：第一种方式是手动输入方式，即在动车组镟轮操作后，将记录实测轮径值通过人工控制方式写入动车组控制系统控制单元的EPROM内。在下一个镟轮周期前，不进行轮径校准工作;另一种方式是自动校准方式，即动车组在满足一定条件后自动执行轮径校准功能，校准后的轮径自动存储至EPROM中。尽管实时自动轮径校准功能可避免管理流程煩索、提高速度控制精度等优点，但存在启动条件、校准功能参数等设置不合适时易造成轮径校准错误，造成牵引力无法精确分配、误报轮径超差或错误触发防滑/防空转保护等问题。本文对自动轮径校准功能设计中需注意的问题进行了简要分析，并提出了车载软件设计时的防控措施。
1 功能介绍
以车载牵引系统为例 ，动车组牵引系统的轴速是牵引控制单元根据每个轴速度传感器采集的转动频率和牵引控制系统内存储的轮径值，计算得出每个轴对应的列车速度V牵引轴列车速度。牵引控制系统一方面将该速度发给TCMS，使TCMS利用牵引系统所提供的所有轴的列车速度，及其它速度传感器采集的轴列车速度，得到用于TCMS速度控制的列车速度VTCMS列车速度;另一方面牵引系统采用该速度在系统内执行轮径的自动校准功能。
具体轮径自动校准的过程为：在牵引系统内对计算的牵引轴列车速度（V牵引轴列车速度）与GPS列车速度（VGPS列车速度）的差值进行积分，并将积分结果对目前已存储的轮径进行补偿，使牵引系统根据存储轮径计算的轴列车速度无限接近于GPS列车速度，进而使牵引系统的轮径无限接近于真实轮径。上述控制采用闭环控制方式，自动轮径校准的过程如下图1所示。
2 自动校准的常见问题及防控方案
基于存储轮径计算的牵引轴列车速度对TCMS速度控制、牵引系统控制及保护等起着非常重要的作用。一方面，由于牵引系统内计算的牵引轴列车速度V牵引轴列车速度已发给TCMS系统，其根据牵引系统所提供的所有牵引轴列车速度，及其它系统速度传感器采集的轴列车速度，计算得到用于TCMS速度控制的列车速度VTCMS列车速度， 因此基于轮径的V牵引轴列车速度影响着TCMS对VTCMS列车速度的速度控制的准确性。另一方面，牵引系统基于存储的轮径值，对牵引/制动转矩进行计算和分配。同时，基于VTCMS列车速度和V牵引轴列车速度的比较，对牵引空转/滑行的保护功能，并对同一动力转向架内的轮径差进行监控和功率补偿，避免架控系统内某一台牵引电机负载分配差值过大导致电机超温。
考虑到轮径对动车组控制的重要性，在设置自动校准功能的动车组内，应对自动校准功能的参数进行正确设定，并对可能出现的问题采取防控措施。
2.1 允许校准的条件
动车组在进行自动校准的过程中，应尽量保证动车组不受外力作用，使动车组在校准过程中速度变化尽量小，保证校准的准确性。为达到此目的，一方面，需提示司机轮径校准应在平直道进行，避免坡道阻力和曲线阻力对正确校准的影响，另一方面，TCMS应主动利用监控到的信号，仅当动车组满足设定条件后方才允许进行轮径校准。以CRH1A平台动车组为例，为防止外力对轮径校准准确性的影响，将1）动车组牵引/制动力参考值<5%;2）动车组车未施加摩擦制动;3）加速度/减速度<0.05 m/s2;4）主控手柄在“0”位;5）GPS信号有效等做为执行自动轮径校准的始能条件。
动车组的运行速度同样对校准的准确性影响很大，一方面速度过高导致即使平直道惰行，速度下降较大，影响校准结果的准确性;另一方面速度较小导致在低速过道岔时误触发校准功能，导致弯道校准影响结果的正确性。以CRH1A平台动车组为例，早期允许进行轮径自动校准的速度为30 km/h至130 km/h，但某些限速过道岔时，司机按要求手柄置0位低速（约60 km/h）通过，其误触发自动轮径校准功能。由于道岔的曲线阻力影响，导致自动校准后结果错误。为此，目前所有CRH1A平台动车组均已升级软件，将允许进行轮径自动校准的速度调整为90 km/h至130 km/h。
由于动车组在有火回送时易满足自动轮径校准的条件，因此为避免在此工况下误触发自动校准功能，应在“回送模式”下禁止自动校准功能。
2.2 校准速度和轮径存储时间的设置
当动车组由于重刷控制系统软件，导致其EPROM内存储的正确轮径丢失时，控制系统一般将EPROM内轮径设置为最大值、半磨耗值或最小值。无论设置为哪一个数值，均存在其与实际轮径相差较大的可能，为此在图1的校准逻辑中，设置的不同的校准速度，实现存在较大轮径偏差（速度差）时粗略快速校准，较小轮径偏差（速度差）时精确较准的目的。
由于轮径自动校准功能通过软件实现，而软件内所有信号按固定的MVB/WTB的周期进行更新，因此在软件内一个扫描周期内将完成一次校准，此周期校准后的轮径值用于下一个扫描周期校准的输入。由于实际运行过程中，轮径不可能产生很大的突变，因此为保证轮径校准的正确性，基于牵引系统软件内自动校准的 周期执行方式，一方面可在软件内对用于校准的目标差值进行最大值限速，避免由于速度差值输入过大错误导致校准错误，另一方面应正确设定校准速度，保证每次校准的值与动车组实际可能产生的轮径差值及动车组技术条件要求的轮径范围相对应。同时应对校准后、EPROM存储前执行扫描周期的数量进行合理设计，采信在持续条件下校准值，保证校存储结果的准确性和合理性。以CRH380D平台动车组为例，牵引系统快速校准的速度为2 mm/s，慢速校准的速度为0.5 mm/s。
2.3 轮径相关的保护功能
目前，动车组牵引系统内轮径相关的保护功能主要包括：防滑/空转保护功能、轮径不在正常范围内、轮径差大等。
2.3.1 防滑/空转保护功能
当牵引系统检测到的轴速与TCMS计算的列车速度差别较大，牵引系统通过自诊断方式，识别该轴处于空转/滑行状态，即：
（1）制动工况下，如果动车组牵引系统的某轴的V牵引轴列车速度远低于VTCMS列车速度，牵引系统判断为该轴滑行;
（2）牵引工况下，如果动车组牵引系统的某轴的V牵引軸列车速度远高于VTCMS列车速度，牵引系统判断为该轴空转。
当检测到空转/滑行后，牵引系统可要求电机变流器执行限功率输出操作。若限制功率后滑行/空转持续存在，报防滑/空转故障，电机变流器自动停机。
2.3.2 轮径不在正常范围内
在牵引系统进行自动轮径校准的过程中，若校准过程中由于某种原因轮径校准后的结果超过最大值或最小值（如CRH380D平台动车组轮径超出850 mm～920 mm范围）。
2.3.3 轮径差大
针对架控的牵引系统来说，同一转向架下的2台牵引电机由同一个电机变流器供电。当同一转向架下的2个轴的轮径差较大时，同一转向架的2台电机的实际输出功率会有较大差异。以CRH380D动车组为例，当同一转向架下的2个轴的轮径差为3 mm时，2台电机的温升相差约35 K，如下图2所示。
2.4 轮径错误时防控措施
通过以上对牵引系统轮径自动校准功能的介绍及动车组的相关保护功能的分析，除动车组轮径自动校准功能设计时应对相关设计参数进行仔细推敲、反复验证外，为避免轮径校准错误对动车组运营秩序的影响，建议还应在轮径校准错误时采取以下防控措施：
（1）动车组的防滑/防空转保护功能应设置合理的速度差，避免由于错误报出防滑/防空转故障导致动车组无法继续低速驾驶、无法进行新一轮的轮径自动校准工作。
（2）当动车组轮径自动校准的过程中，无论由于何种原因导致校准结果超过允许范围，牵引系统将不存储实际计算值，而是存储默认值。在此情况下，一方面建议动车组诊断系统报出“轮径不合格”，提示司机重新进行轮径校准。另一方面牵引系统软件应允许限功率运行（建议至少允许50%功率输出），允许动车组开始新一轮的轮径自动校准工作。
（3）动车组一般在TCMS内判断使能条件，通过MVB发给牵引系统，因此牵引系统收到使能结束的时间会晚于TCMS判断的允许轮径校准的结束时间。因此牵引系统通过始能结束信号结束轮径校准完成时，牵引系统应充分考虑TCMS使能条件存在信号传递延时。根据经验及MVB传输时间估算，一般认为在牵引系统收到始能结束前的2s内的轮径校准值容易存在错误，因此建议牵引系统存储轮径校准结束前2 s的轮径值。
（4）针对同一转向架的2个轴的轮径在通过曲线时误触发自动轮径较准功能，易导致同一转向架内轮径超差问题，由于此工况仅可能影响部分转向架，轮径校准错误后可继续驾驶动力分散动车组继续运行，进行下一次轮径校准，因此不建议在此种情况下禁止变流器故障时有功率输出。建议按既有的轮径差功率限制功能实施即可，此时可保证在正常或异常工况下，牵引电机温升均控制在允许的围内，牵引系统可最大程度的发挥动车组的牵引力继续运行。
3 结束语
上述动车组轮径自动校准的概念，实际上是基于速度传感器采集的实际轴频率，根据控制系统内已存储的轮径值计算出的轴列车速度，通过与GPS速度差值比较和进行差值积分的方式，不断对存储轮径值进行修正的闭环控制方法。该方法适用于车载控制系统内需要进行速度控制的系统，如TCMS系统和牵引系统等。
在进行轮径自动校准的设计中，需充分考虑内因（校准速度、校准最短持续时间、系统信号传输延时等）和外因（速度、坡道、曲线、GPS可信度等）的影响，并采取主动的容错手段，保证动车组轮径在实现自动控制的同时，降低自动控制出现错误的几率并降低故障时对动车组运用的影响。
参考文献：
[1]石琪.基于GPS的城际列车轮径校准原理及检修[J].设备管理与检修，2018（12）：65-66.
[2]王开团.CRH380D型动车组[M].中国铁道出版社，2019.
[3]吴昕慧.基于多传感器信息融合的轨道交通列车轮径校正方法[J].城市轨道交通研究，2015（6）：21-27.
[4]刘江.基于灰色理论的列车组合定位轮径校准方法研究[J].铁道学报，2011（5）：54-59.
[5]刘杰.CRH1A-A型动车组[M].中国铁道出版社，2021.
[6]路小娟.动车组控制技术[M].西南交通大学出版社，2011.
[7]宋雷鸣.动车组传动与控制[M].中国铁道出版社，2009.
[8]张曙光.CRH1型动车组[M].中国铁道出版社，2008.
关键词：轮径;TCMS系统;牵引控制系统;自动校准;保护
0 引言
由于动车组车轮正常磨耗或异常擦轮，动车组车轮需定期或不定期的进行镟修操作。针对实际车轮直径变化，为保证动车组列车控制管理系统（以下简称TCMS系统）或牵引控制系统内车轮直径信息的准确性，保证动车组速度控制、牵引扭矩控制及空转/滑行保护等功能的正确实施，目前动车组控制系统内车轮直径值的更新普遍采用两种方式：第一种方式是手动输入方式，即在动车组镟轮操作后，将记录实测轮径值通过人工控制方式写入动车组控制系统控制单元的EPROM内。在下一个镟轮周期前，不进行轮径校准工作;另一种方式是自动校准方式，即动车组在满足一定条件后自动执行轮径校准功能，校准后的轮径自动存储至EPROM中。尽管实时自动轮径校准功能可避免管理流程煩索、提高速度控制精度等优点，但存在启动条件、校准功能参数等设置不合适时易造成轮径校准错误，造成牵引力无法精确分配、误报轮径超差或错误触发防滑/防空转保护等问题。本文对自动轮径校准功能设计中需注意的问题进行了简要分析，并提出了车载软件设计时的防控措施。
1 功能介绍
以车载牵引系统为例 ，动车组牵引系统的轴速是牵引控制单元根据每个轴速度传感器采集的转动频率和牵引控制系统内存储的轮径值，计算得出每个轴对应的列车速度V牵引轴列车速度。牵引控制系统一方面将该速度发给TCMS，使TCMS利用牵引系统所提供的所有轴的列车速度，及其它速度传感器采集的轴列车速度，得到用于TCMS速度控制的列车速度VTCMS列车速度;另一方面牵引系统采用该速度在系统内执行轮径的自动校准功能。
具体轮径自动校准的过程为：在牵引系统内对计算的牵引轴列车速度（V牵引轴列车速度）与GPS列车速度（VGPS列车速度）的差值进行积分，并将积分结果对目前已存储的轮径进行补偿，使牵引系统根据存储轮径计算的轴列车速度无限接近于GPS列车速度，进而使牵引系统的轮径无限接近于真实轮径。上述控制采用闭环控制方式，自动轮径校准的过程如下图1所示。
2 自动校准的常见问题及防控方案
基于存储轮径计算的牵引轴列车速度对TCMS速度控制、牵引系统控制及保护等起着非常重要的作用。一方面，由于牵引系统内计算的牵引轴列车速度V牵引轴列车速度已发给TCMS系统，其根据牵引系统所提供的所有牵引轴列车速度，及其它系统速度传感器采集的轴列车速度，计算得到用于TCMS速度控制的列车速度VTCMS列车速度， 因此基于轮径的V牵引轴列车速度影响着TCMS对VTCMS列车速度的速度控制的准确性。另一方面，牵引系统基于存储的轮径值，对牵引/制动转矩进行计算和分配。同时，基于VTCMS列车速度和V牵引轴列车速度的比较，对牵引空转/滑行的保护功能，并对同一动力转向架内的轮径差进行监控和功率补偿，避免架控系统内某一台牵引电机负载分配差值过大导致电机超温。
考虑到轮径对动车组控制的重要性，在设置自动校准功能的动车组内，应对自动校准功能的参数进行正确设定，并对可能出现的问题采取防控措施。
2.1 允许校准的条件
动车组在进行自动校准的过程中，应尽量保证动车组不受外力作用，使动车组在校准过程中速度变化尽量小，保证校准的准确性。为达到此目的，一方面，需提示司机轮径校准应在平直道进行，避免坡道阻力和曲线阻力对正确校准的影响，另一方面，TCMS应主动利用监控到的信号，仅当动车组满足设定条件后方才允许进行轮径校准。以CRH1A平台动车组为例，为防止外力对轮径校准准确性的影响，将1）动车组牵引/制动力参考值<5%;2）动车组车未施加摩擦制动;3）加速度/减速度<0.05 m/s2;4）主控手柄在“0”位;5）GPS信号有效等做为执行自动轮径校准的始能条件。
动车组的运行速度同样对校准的准确性影响很大，一方面速度过高导致即使平直道惰行，速度下降较大，影响校准结果的准确性;另一方面速度较小导致在低速过道岔时误触发校准功能，导致弯道校准影响结果的正确性。以CRH1A平台动车组为例，早期允许进行轮径自动校准的速度为30 km/h至130 km/h，但某些限速过道岔时，司机按要求手柄置0位低速（约60 km/h）通过，其误触发自动轮径校准功能。由于道岔的曲线阻力影响，导致自动校准后结果错误。为此，目前所有CRH1A平台动车组均已升级软件，将允许进行轮径自动校准的速度调整为90 km/h至130 km/h。
由于动车组在有火回送时易满足自动轮径校准的条件，因此为避免在此工况下误触发自动校准功能，应在“回送模式”下禁止自动校准功能。
2.2 校准速度和轮径存储时间的设置
当动车组由于重刷控制系统软件，导致其EPROM内存储的正确轮径丢失时，控制系统一般将EPROM内轮径设置为最大值、半磨耗值或最小值。无论设置为哪一个数值，均存在其与实际轮径相差较大的可能，为此在图1的校准逻辑中，设置的不同的校准速度，实现存在较大轮径偏差（速度差）时粗略快速校准，较小轮径偏差（速度差）时精确较准的目的。
由于轮径自动校准功能通过软件实现，而软件内所有信号按固定的MVB/WTB的周期进行更新，因此在软件内一个扫描周期内将完成一次校准，此周期校准后的轮径值用于下一个扫描周期校准的输入。由于实际运行过程中，轮径不可能产生很大的突变，因此为保证轮径校准的正确性，基于牵引系统软件内自动校准的 周期执行方式，一方面可在软件内对用于校准的目标差值进行最大值限速，避免由于速度差值输入过大错误导致校准错误，另一方面应正确设定校准速度，保证每次校准的值与动车组实际可能产生的轮径差值及动车组技术条件要求的轮径范围相对应。同时应对校准后、EPROM存储前执行扫描周期的数量进行合理设计，采信在持续条件下校准值，保证校存储结果的准确性和合理性。以CRH380D平台动车组为例，牵引系统快速校准的速度为2 mm/s，慢速校准的速度为0.5 mm/s。
2.3 轮径相关的保护功能
目前，动车组牵引系统内轮径相关的保护功能主要包括：防滑/空转保护功能、轮径不在正常范围内、轮径差大等。
2.3.1 防滑/空转保护功能
当牵引系统检测到的轴速与TCMS计算的列车速度差别较大，牵引系统通过自诊断方式，识别该轴处于空转/滑行状态，即：
（1）制动工况下，如果动车组牵引系统的某轴的V牵引轴列车速度远低于VTCMS列车速度，牵引系统判断为该轴滑行;
（2）牵引工况下，如果动车组牵引系统的某轴的V牵引軸列车速度远高于VTCMS列车速度，牵引系统判断为该轴空转。
当检测到空转/滑行后，牵引系统可要求电机变流器执行限功率输出操作。若限制功率后滑行/空转持续存在，报防滑/空转故障，电机变流器自动停机。
2.3.2 轮径不在正常范围内
在牵引系统进行自动轮径校准的过程中，若校准过程中由于某种原因轮径校准后的结果超过最大值或最小值（如CRH380D平台动车组轮径超出850 mm～920 mm范围）。
2.3.3 轮径差大
针对架控的牵引系统来说，同一转向架下的2台牵引电机由同一个电机变流器供电。当同一转向架下的2个轴的轮径差较大时，同一转向架的2台电机的实际输出功率会有较大差异。以CRH380D动车组为例，当同一转向架下的2个轴的轮径差为3 mm时，2台电机的温升相差约35 K，如下图2所示。
2.4 轮径错误时防控措施
通过以上对牵引系统轮径自动校准功能的介绍及动车组的相关保护功能的分析，除动车组轮径自动校准功能设计时应对相关设计参数进行仔细推敲、反复验证外，为避免轮径校准错误对动车组运营秩序的影响，建议还应在轮径校准错误时采取以下防控措施：
（1）动车组的防滑/防空转保护功能应设置合理的速度差，避免由于错误报出防滑/防空转故障导致动车组无法继续低速驾驶、无法进行新一轮的轮径自动校准工作。
（2）当动车组轮径自动校准的过程中，无论由于何种原因导致校准结果超过允许范围，牵引系统将不存储实际计算值，而是存储默认值。在此情况下，一方面建议动车组诊断系统报出“轮径不合格”，提示司机重新进行轮径校准。另一方面牵引系统软件应允许限功率运行（建议至少允许50%功率输出），允许动车组开始新一轮的轮径自动校准工作。
（3）动车组一般在TCMS内判断使能条件，通过MVB发给牵引系统，因此牵引系统收到使能结束的时间会晚于TCMS判断的允许轮径校准的结束时间。因此牵引系统通过始能结束信号结束轮径校准完成时，牵引系统应充分考虑TCMS使能条件存在信号传递延时。根据经验及MVB传输时间估算，一般认为在牵引系统收到始能结束前的2s内的轮径校准值容易存在错误，因此建议牵引系统存储轮径校准结束前2 s的轮径值。
（4）针对同一转向架的2个轴的轮径在通过曲线时误触发自动轮径较准功能，易导致同一转向架内轮径超差问题，由于此工况仅可能影响部分转向架，轮径校准错误后可继续驾驶动力分散动车组继续运行，进行下一次轮径校准，因此不建议在此种情况下禁止变流器故障时有功率输出。建议按既有的轮径差功率限制功能实施即可，此时可保证在正常或异常工况下，牵引电机温升均控制在允许的围内，牵引系统可最大程度的发挥动车组的牵引力继续运行。
3 结束语
上述动车组轮径自动校准的概念，实际上是基于速度传感器采集的实际轴频率，根据控制系统内已存储的轮径值计算出的轴列车速度，通过与GPS速度差值比较和进行差值积分的方式，不断对存储轮径值进行修正的闭环控制方法。该方法适用于车载控制系统内需要进行速度控制的系统，如TCMS系统和牵引系统等。
在进行轮径自动校准的设计中，需充分考虑内因（校准速度、校准最短持续时间、系统信号传输延时等）和外因（速度、坡道、曲线、GPS可信度等）的影响，并采取主动的容错手段，保证动车组轮径在实现自动控制的同时，降低自动控制出现错误的几率并降低故障时对动车组运用的影响。
参考文献：
[1]石琪.基于GPS的城际列车轮径校准原理及检修[J].设备管理与检修，2018（12）：65-66.
[2]王开团.CRH380D型动车组[M].中国铁道出版社，2019.
[3]吴昕慧.基于多传感器信息融合的轨道交通列车轮径校正方法[J].城市轨道交通研究，2015（6）：21-27.
[4]刘江.基于灰色理论的列车组合定位轮径校准方法研究[J].铁道学报，2011（5）：54-59.
[5]刘杰.CRH1A-A型动车组[M].中国铁道出版社，2021.
[6]路小娟.动车组控制技术[M].西南交通大学出版社，2011.
[7]宋雷鸣.动车组传动与控制[M].中国铁道出版社，2009.
[8]张曙光.CRH1型动车组[M].中国铁道出版社，2008.