交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙 震，李 偉，王 淵，劉宗祝

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035）

1 交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)概況

交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)可進(jìn)行交流傳動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)的試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)的最高速度可達(dá)500km／h（輪徑875mm，傳動(dòng)比2.01）。試驗(yàn)室能夠提供單相AC 25 kV／50Hz，DC 1 500V，DC 750V 等電源，容量最大4 000kVA，試驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)水平達(dá)到國際先進(jìn)水平。通過該試驗(yàn)平臺(tái)可按照IEC61377、IEC61287、IEC60349等國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行與牽引變流器、牽引電機(jī)相關(guān)的型式試驗(yàn)和研究性試驗(yàn)，同時(shí)可進(jìn)行與牽引控制相關(guān)的研究和開發(fā)。通過系統(tǒng)的靈活組合還可以對(duì)大功率機(jī)車及城軌車輛的牽引系統(tǒng)進(jìn)行地面系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)主回路電路原理圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)主回路電路原理圖

2 測試系統(tǒng)特點(diǎn)及需求分析

測試系統(tǒng)作為交流牽引試驗(yàn)系統(tǒng)的組成部分，其主要作用為監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，采集、顯示、分析和保存系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)和設(shè)備的檢驗(yàn)、檢測和控制研究提供可靠的數(shù)據(jù)保障。

由于試驗(yàn)臺(tái)的測試對(duì)象涵蓋了高速動(dòng)車組、大功率機(jī)車以及城軌車輛等多種類型的牽引系統(tǒng)，而不同的被測對(duì)象，其參數(shù)的特點(diǎn)、類型及范圍是不同的，如對(duì)于電機(jī)的測試來說，動(dòng)車組的電機(jī)相對(duì)于機(jī)車電機(jī)，其功率小，轉(zhuǎn)矩小，但轉(zhuǎn)速則最高可達(dá)6 000r／min以上，而大功率機(jī)車的電機(jī)轉(zhuǎn)速雖低，但其功率大，轉(zhuǎn)矩也高達(dá)11 000N·m以上，這就意味著測試系統(tǒng)要能夠同時(shí)滿足“高速度、大功率”的測試要求。根據(jù)這一特點(diǎn)，從測試系統(tǒng)的角度出發(fā)，就需要測試系統(tǒng)的測試參量范圍要涵蓋所有可能的被測對(duì)象。我們對(duì)目前國內(nèi)的一些主流車型和諧號(hào)高速動(dòng)車組、和諧型大功率電力機(jī)車以及典型的城軌車輛進(jìn)行了詳細(xì)的比較分析，得出了主要參數(shù)的測試范圍［1-6］。如表1和表2所示。

表1 典型被測對(duì)象（機(jī)車與動(dòng)車）參數(shù)比較分析

表2 典型被測對(duì)象（城軌車輛）參數(shù)比較分析

表中強(qiáng)調(diào)標(biāo)出了每一個(gè)測量參數(shù)有可能的最大值，據(jù)此我們就可以選出可以涵蓋所有車型測量需要的傳感器參數(shù)，在表中也一并列出。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等硬件組成，根據(jù)交流傳動(dòng)試驗(yàn)室設(shè)備整體分散、局部集中的特點(diǎn)，測試系統(tǒng)采用分布式設(shè)計(jì)，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，其核心工作則是數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試，在本測試系統(tǒng)中用了兩種不同類型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對(duì)于試驗(yàn)系統(tǒng)中采集頻率高、數(shù)據(jù)量大、同步性要求高的相關(guān)參量，如電壓、電流等均采用基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備；而對(duì)于相對(duì)采集頻率低、數(shù)據(jù)較小、同步性要求不高的相關(guān)參量，如溫度、流量等則采用基于串口通訊的智能集成采集設(shè)備，下面分別予以介紹。

圖2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 基于PXI的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)室現(xiàn)場測試條件的特點(diǎn)，測試系統(tǒng)采用以太網(wǎng)遠(yuǎn)程控制體系。測試系統(tǒng)分為主控機(jī)、分布采集機(jī)箱1、分布采集機(jī)箱2。主控機(jī)和兩個(gè)分布采集機(jī)箱被設(shè)置在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，主控機(jī)通過以太網(wǎng)對(duì)兩臺(tái)采集機(jī)箱進(jìn)行控制。主控機(jī)放置在條件較好的控制室內(nèi)，采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。放置在測試現(xiàn)場的采集機(jī)箱采用2臺(tái)8槽3U的PXI機(jī)箱，可以便攜使用，也可放置在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中。測試系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。兩臺(tái)測試機(jī)箱具有相同的硬件配置，從左至右依次放置控制器模塊，8路同步采集卡，32路多功能數(shù)據(jù)采集卡。這樣每一個(gè)機(jī)箱都可以采集同步的電壓電流和非同步的傳感器信號(hào)。8路同步采集卡PXI-6123可以實(shí)現(xiàn)8通道同步數(shù)據(jù)采集，與另外多塊PXI-6123同時(shí)使用，可以實(shí)現(xiàn)更多通道數(shù)的同步采集。32路多功能采集卡PXI-6259可以用來采集無嚴(yán)格同步要求的各通道的數(shù)據(jù)采集。硬件配置圖如圖3所示。

圖3 PXI硬件配置圖

3.2 基于串口通訊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)中，作為分布式采集系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，溫度巡檢儀及智能采集模塊分別用來測量電機(jī)、變流器、變壓器等設(shè)備的溫度和冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量及流量，可以看到這些參量在實(shí)際工況下均不會(huì)出現(xiàn)短時(shí)突變的情況，變化率較緩，因此數(shù)據(jù)的采樣頻率要求并不高，100Hz以下即可滿足需要。這樣，即使有上百通道數(shù)據(jù)的同時(shí)采集，數(shù)據(jù)量也只有100b／s左右，串口的通訊速率完全可以滿足要求，子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于串口通訊的采集子系統(tǒng)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)同時(shí)還具有界面友好、功能完備的系統(tǒng)控制軟件。軟件開發(fā)平臺(tái)采用美國國家儀器公司（簡稱NI）的LabVIEW，它是一個(gè)業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件工具，用于開發(fā)測試、測量和控制系統(tǒng)［8］。

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，保證測試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，但我們知道系統(tǒng)在同一時(shí)刻需要完成多種任務(wù)，包括數(shù)據(jù)的采集、分析、保存、通訊以及顯示等，而計(jì)算機(jī)是嚴(yán)格的串行設(shè)備，不可能真正的并行執(zhí)行任務(wù)。CPU是單入口資源，任何時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)得到CPU的控制權(quán)，即多個(gè)任務(wù)只能互斥使用CPU。而整個(gè)CPU時(shí)間是以分片方式提交給各任務(wù)使用的，當(dāng)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量大時(shí)，單CPU很難滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。為解決這一矛盾，我們將多任務(wù)分配給主動(dòng)機(jī)（上位機(jī)）和PXI實(shí)時(shí)控制器（下位機(jī)）同時(shí)進(jìn)行，在這種結(jié)構(gòu)中，上位機(jī)運(yùn)用LabVIEW提供界面，實(shí)時(shí)性要求不高的系統(tǒng)任務(wù)可以放在上位機(jī)中，對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的系統(tǒng)任務(wù)交給下位機(jī)LabVIEW RT引擎來處理［7］。

軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，均采用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)。

上位機(jī)軟件功能包括：（1）用戶界面登錄及初始化控制；（2）系統(tǒng)配置；（3）控制采集的運(yùn)行；（4）實(shí)時(shí)顯示結(jié)果數(shù)據(jù)及波形；（5）存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；（6）實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊等。

下位機(jī)軟件功能：（1）采集、分析和上傳試驗(yàn)數(shù)據(jù)；（2）與主控機(jī)通訊，接受主控機(jī)控制等。

軟件按不同任務(wù)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，在圖5中的軟件流程圖中，顯示了各任務(wù)模塊以及其所處的位置。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)流程

系統(tǒng)中各個(gè)功能采用模塊化的編程方式，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展、更新和維護(hù)，以數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析模塊為例說明軟件編程的方法。在數(shù)據(jù)采集模塊中，對(duì)于需要進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)要根據(jù)要求對(duì)數(shù)據(jù)組進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，如最新的IEC 61000-4-7／2002標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)諧波計(jì)算方法有嚴(yán)格規(guī)定。如時(shí)間窗、同步、窗函數(shù)等。50 Hz系統(tǒng)的時(shí)間窗必須為10個(gè)周波（200ms）。圖6為數(shù)據(jù)采集模塊的控制流程，圖7為程序代碼示例。

數(shù)據(jù)采集完成后將進(jìn)入數(shù)據(jù)分析流程，在交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)測試中，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的參量有很多，包括電壓電流的有效值計(jì)算、功率計(jì)算、功率因數(shù)計(jì)算、諧波分析等。在軟件中通過調(diào)用相應(yīng)的功能模塊，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式，完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析計(jì)算。以電機(jī)電流的諧波分析為例，其數(shù)學(xué)計(jì)算公式為：

圖6 數(shù)據(jù)采集流程

圖7 代碼示例

基波電壓計(jì)算：

電壓諧波含量：

諧波總畸變率：

數(shù)據(jù)分析模塊的控制流程和代碼示例如圖8和圖9所示。

測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣不僅取決于數(shù)據(jù)測試的精度、功能的完備，用戶界面的友好性也是一個(gè)重要的因素。采用LABVIEW開發(fā)平臺(tái)提供的豐富的界面控件，我們設(shè)計(jì)了功能豐富、使用靈活的人機(jī)界面，如圖10所示，方便了測試人員對(duì)整個(gè)測試過程的監(jiān)視和控制。

圖8 數(shù)據(jù)分析流程

圖9 代碼示例

圖10 用戶監(jiān)控界面

5 結(jié)論

整個(gè)測試系統(tǒng)按照高速動(dòng)車組交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)“高速度、大功率”的特點(diǎn)完成了軟硬件的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)測試范圍涵蓋了我國現(xiàn)有所有型號(hào)高速動(dòng)車組、大功率機(jī)車及城軌車輛等被測對(duì)象。在整個(gè)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，以下一些設(shè)計(jì)理念值得推廣：

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)前進(jìn)行詳細(xì)和全面的需求分析是必要的，這將有助于我們準(zhǔn)確的把握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。

（2）根據(jù)被測對(duì)象特點(diǎn)，采用分布式、模塊化設(shè)計(jì)，適當(dāng)配置各個(gè)分系統(tǒng)，將可在保證系統(tǒng)高可靠性的前提下，提高系統(tǒng)的性價(jià)比。

（3）統(tǒng)一選擇可靠性指標(biāo)符合要求的測試設(shè)備，提高系統(tǒng)的兼容性和測試精度；

（4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)采取了監(jiān)控、屏蔽、隔離、接地和濾波等技術(shù)措施，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維修性；

（5）優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用多任務(wù)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的測試精度和數(shù)據(jù)處理速度。

（6）根據(jù)系統(tǒng)測試的任務(wù)及其要求編制界面友好的操作軟件，實(shí)現(xiàn)了交互式運(yùn)行操作。

［1］鄧學(xué)濤.CRH2型200km／h動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2008，（4）：2-5.

［2］姜東杰.CRH3型動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)［J］.鐵道機(jī)車車輛，2008，28（增刊）：96-98.

［3］陳惠民.高速動(dòng)車組牽引特性分析［J］.城市軌道交通研究，2008，（7）：22-23.

［4］廖洪濤.和諧HXD1型大功率交流電力機(jī)車概述［J］，株洲：電力機(jī)車與城軌車輛，2007，30（1）：7-8.

［5］張 中，張金平，李國鋒.HXD2型大功率交流傳動(dòng)貨運(yùn)電力機(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)［J］，株洲：機(jī)車電傳動(dòng)，2008，（6）：6-8.

［6］楊守君，劉會(huì)巖.HXD3型交流傳動(dòng)電力機(jī)車［J］，株洲：電力機(jī)車與城軌車輛，2007，30（4）：10-12.

［7］秦紅磊，路 輝，郎榮玲.自動(dòng)測試系統(tǒng)：硬件及軟件技術(shù)［M］，北京：高等教育出版社，2007.

［8］陳錫輝，張銀鴻LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.