- 选题背景和意义：
进入20世纪10年代，我国进入经济发展快车道。伴随经济的飞速发展，对于轨道交通工具也提出了更高的要求。高速化、智能化成为轨道车辆新的发展要求。制动技术是机车的关键技术之一，可靠的制动系统可确保列车能够安全的运行，制动系统的核心部件是制动控制单元，制动系统控制作用通过制动控制单元施加控制信号产生。制动控制单元与轨道车辆的发展息息相关，随着轨道车辆进入新的发展轨道，制动控制单元也面临着更高效、更可靠以及更安全的发展要求。
现在世界范围内广泛应用的列车制动系统通常为电空制动系统。电空制动技术的发展在国外已有多年的历史，随着电子技术及微机控制技术的广泛应用,国外制动系统在原电空制动系统基础进行了大幅度的改进,广泛采用微机控制技术。目前国外高速列车及机车上均采用微机控制的数字式或模拟式电空制动机。国内于九十年代同样开发研制出微机控制直通电空制动系统，目前我国在制动系统中大部分采用自动式制动机和微机控制电空制动系统。
电空制动系统能够满足轨道车辆吨位提高加大制动力的要求，但其缺陷是控制精度低、响应慢以及能耗和噪音大等。随着轨道车辆的发展，电机械制动技术开始出现在列车制动系统发展中。相比于电空制动系统，电机械制动具有响应时间短、控制精度高、控制效率和可靠性高、节能环保等优势。
国内外目前制动控制系统研究多关注车辆制动过程中与路面之间的摩擦、车轮滑移率、对车辆制动整体性能的分析等，而对制动系统控制单元的设计关注较少，所研究的制动控制单元普遍面向微机控制电空/电液制动控制系统。
在这种情况下，缺乏高性能的电机械制动控制单元成为了制约电机械制动技术发展的瓶颈。这对制动控制单元研究设计提出的要求是：面向电机械制动控制系统；更高效；更可靠；更安全。面向电机械制动控制系统意味着制动控制单元硬件结构将发生一定的改变。更高效、更可靠、更安全则正是制动控制单元新的发展要求，这要求制动控制单元在电路设计、硬件选择、PCB设计以及硬件制作中进行更优化的设计制作。
因此，研究设计高性能的电机械制动控制系统单元具有重大的意义，具体表现在：
随着我国高速铁路、城市轨道交通、标准动车组、磁悬浮列车等的发展，轨道交通载运工具安全、舒适、环保、高效等方面要求也日益提高。载运工具必然对制动系统提出新的要求，制动控制单元作为制动系统的核心、与轨道车辆的紧密相关的关键技术，也面临着新的发展与挑战。
早于1998年，国内就针对高速电动车组制动控制单元进行了探讨。制动控制单元(Brake Control Unit,简称BCU)是该制动控制系统的关键部件，它接收制动控制指令, 通过一系列制动计算,从而实现相应的实时制动控制。此外,BCU还要对制动系统中有关部件进行检测和故障诊断,并及时和列车控制系统进行信息交换。为实现良好的制动功能,BCU需要具备以下一些主要硬件：1)CPU主板(微处理机的基本系统)；2)总线模板，采用PC104总线；3)A/D板，信号通过A/D转换,输入BCU；4)D/A板，BCU发给制动单元的数字信号通过D/A转换输出；5)制动单元控制板；6)I/O输入输出；7)电源板等等[1]。
在此基础上，针对难以实现精确制动的情况,国内开发了基于智能PWM精确控制机车制动机气缸的制动控制单元。其中硬件电路采用模块化设计,主要模块有电源模块、CPU模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、PWM模块、通信模块等。各模块之间通过机箱内部的底板连接在一起,外部信号通过哈丁插座接入。CPU模块用于根据司机控制室的控制信息以及制动系统自身的状态信息进行逻辑运算以及与其它设备之间的通信，选用PC/104控制模块SCM/STV-2050。电源板用于给制动控制单元机箱内部各模块提供工作电源,输入为110V直流,输出 5、 24V、 15V以及-15V几种电压。数字量输入经过电阻网络降压、稳压管限幅、电容滤波、光电隔离、施密特触发器后将信号送给CPU进行处理。数字量输出采用MOSFET作为功率放大元件,并利用CPU发出高频调制控制信号通过脉冲隔离变压器耦合通断控制。模拟量输入进过二阶RC滤波后进行A/D转换。模拟量输出采用D/A芯片TLV5614[2]。
制动控制单元BCU的正常运行对机车安全行驶具有重大的作用。基于冗余控制思想，考量制动控制单元的可靠性，制动控制单元的双CPU控制板冗余设计也被提出。制动控制单元设计采用双CPU冗余控制热备份方案，实现了基于热备份技术的双CPU冗余控制。单PC104总线接口的CPU控制板由多个不同功能的标准模块组成：包括CPU模块、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块、通信模块和显示模块等。双PC104控制板采用单片FPGA替代了单PC104控制板中的数据输入输出和CPLD，实现CAN及AD板地址译码、IO扩展及控制、LED显示功能、按键信号采集、MVB通信和双PC104无缝切换控制功能。对于双CPU备用冗余由两装置构成的备用系统，其可靠度提高了(1 lambda;t)倍，而平均无故障工作时间增加到2倍，具有很高的可靠性，能够更好地保证机车安全运行[3]。
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