基于電參數(shù)的道岔轉(zhuǎn)換阻力測量方案研究

楊偉偉，王 安

（西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安710129）

0 引言

轉(zhuǎn)轍機(jī)是道岔控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分為液壓轉(zhuǎn)轍機(jī)，直流轉(zhuǎn)轍機(jī)和交流轉(zhuǎn)轍機(jī)［1］，轉(zhuǎn)轍機(jī)的工作狀況直接影響鐵路的運(yùn)輸安全。所以國家非常重視這些信號(hào)設(shè)備的工作狀態(tài)，將原來的“計(jì)劃修”逐步改為“狀態(tài)修”［2］。

目前，道岔阻力的測量主要使用銷式力傳感器的方式，這種方法具有精度高，顯示直觀等特點(diǎn)，但由于鐵路部門對鐵路設(shè)備有嚴(yán)格的要求，所以很難實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的監(jiān)測；這種測量方式對測量條件的要求較高，必須提前“要點(diǎn)”才能測量，且若操作不當(dāng)會(huì)有嚴(yán)重的安全隱患。因此，基于電參數(shù)的測量方式就被提了出來，這種方法只需測量轉(zhuǎn)轍機(jī)的輸入有功功率和電流有效值即可計(jì)算出轉(zhuǎn)轍機(jī)的輸出力，對鐵路的運(yùn)行狀態(tài)沒有特別的要求，即可對轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行在軌測量。根據(jù)不同的模型既可直接在現(xiàn)場測量，也能在監(jiān)控室測量，所以很容易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的監(jiān)測，為轉(zhuǎn)轍機(jī)的“狀態(tài)修”提供了依據(jù)。因?yàn)镾700K三相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)在國內(nèi)提速道岔中使用的較為普遍，所以就以S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)為研究對象，建立其輸入電參數(shù)與輸出力的模型并設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路。

1 建立模型

交流電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)主要由異步交流電動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)裝置構(gòu)成，轉(zhuǎn)轍機(jī)的輸出力與電動(dòng)機(jī)的輸出力成正比，所以主要研究異步交流電動(dòng)機(jī)的輸入電參數(shù)與輸出力的關(guān)系［2－4］。電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T2與轉(zhuǎn)子軸上的輸出機(jī)械功率P2成正比，與轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速n成反比，即

K1為比例系數(shù)。

交流電動(dòng)機(jī)的功率流圖如圖1所示。轉(zhuǎn)子軸上的輸出機(jī)械功率P2與電動(dòng)機(jī)的輸入功率P1的關(guān)系為：

P′為定子銅耗PCu1、鐵耗PFe、轉(zhuǎn)子銅耗PCu2及機(jī)械損耗和雜散損耗Pm的總和。

在一定負(fù)載范圍內(nèi)，可以認(rèn)為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，這樣結(jié)合式（1）、式（2）可得輸出轉(zhuǎn)矩T2與輸入功率P1的關(guān)系為：

所以，結(jié)合轉(zhuǎn)轍機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，就可以得出轉(zhuǎn)轍機(jī)的輸出力F與轉(zhuǎn)轍機(jī)的輸入功率P1的關(guān)系為：

圖1 電動(dòng)機(jī)功率流

圖1中各種損耗與電動(dòng)機(jī)輸入電參數(shù)的關(guān)系如下：

k1，k2，k3為系數(shù)；I為轉(zhuǎn)轍機(jī)輸入電流的有效值；U為轉(zhuǎn)轍機(jī)輸入電壓的有效值［5］。

若認(rèn)為Pm不變，則結(jié)合式（4）～式（7）可得到轉(zhuǎn)轍機(jī)輸入電參數(shù)與輸出力的關(guān)系模型為：

式（8）是轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測的現(xiàn)場模型，以S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)為對象，測量轉(zhuǎn)轍機(jī)的輸入功率，輸入電壓有效值，輸入電流有效值和轉(zhuǎn)轍機(jī)的輸出力，由測得的數(shù)據(jù)求出式（8）中的系數(shù)K，a，b，c，這樣就確定了現(xiàn)場測量S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)的模型。將測試數(shù)據(jù)帶入模型得到在1 000～4 000N負(fù)載時(shí)，距離監(jiān)控室不同距離的轉(zhuǎn)轍機(jī)模型誤差，當(dāng)S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)的傳輸電纜電阻最大為54Ω時(shí)，最大誤差為4.6%。

根據(jù)以上所述可知，該模型只適用于現(xiàn)場測量，且需要測量轉(zhuǎn)轍機(jī)的輸入功率、輸入電流有效值和輸入電壓有效值才能估算出轉(zhuǎn)轍機(jī)的輸出力。

2 硬件設(shè)計(jì)

以測量S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)為目標(biāo)，S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)為三相三線制的星形接法，額定電壓為380V，最大動(dòng)作電流（電纜線阻為54Ω）為2A。為了電路設(shè)計(jì)的方便，采用兩表法測量功率。硬件的實(shí)現(xiàn)方案是用ARM（LPC2132）通過SPI串口控制ADE7754對S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)的輸入功率和電流進(jìn)行采樣，然后通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)（PC），上位機(jī)根據(jù)模型對數(shù)據(jù)處理后得到轉(zhuǎn)轍機(jī)的輸出力，并以曲線的形式實(shí)時(shí)顯示力的變化情況。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 功率和電流有效值的采集

功率測量采用AD公司的ADE7754，這款芯片的測量精度高，響應(yīng)速度相對較快，硬件設(shè)計(jì)簡單。ADE7754可以設(shè)定對功率的累積時(shí)間，這樣通過讀取電能寄存器的值，就可以求出功率；ADE7754還可以測量電流電壓的有效值，采用SPI接口通信，可直接讀取寄存器中的值。通過ARM讀ADE7754的寄存器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)，PC根據(jù)模型處理數(shù)據(jù)并以曲線的形式顯示力的變化。控制器是以ARM7TDMI－S為核心的LPC2132，它采用3級流水線技術(shù)，具有高性能和低功耗的特點(diǎn)［6－7］。LPC2132對底層接口的操作簡單方便，可以很容易的實(shí)現(xiàn)I／O模擬SPI時(shí)序的方式與ADE7754通信，這樣更便于調(diào)試和操作ADE7754。

2.2 顯示

為了能實(shí)時(shí)顯示力的變化，采用40ms為間隔對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，處理和顯示，用曲線顯示的方式來反映力的變化。上位機(jī)界面使用LabWindows／CVI編寫。使用CVI編寫上位機(jī)界面更容易，縮短了開發(fā)周期。上位機(jī)界面上按鍵的主要功能有串口操作，測量以及相關(guān)功能和ADE7754的校準(zhǔn)控制。串口的操作是為了控制PC機(jī)和控制器LPC2132之間的串口通信；測量功能是控制對轉(zhuǎn)轍機(jī)的測量，包括對轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的判斷；校準(zhǔn)功能是控制對ADE7754進(jìn)行校準(zhǔn)的流程和參數(shù)的修改。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)測量的軟件流程

上位機(jī)的初始化主要是界面的初始化和串口的初始化；下位機(jī)的初始化包括I／O接口的初始化，UART串口的初始化；ADE7754的初始化是各相增益，零點(diǎn)以及相位的初始化，測量方式的初始化等。系統(tǒng)測量流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)測量流程

3.2 ADE7754的校準(zhǔn)流程圖

為了使測量更準(zhǔn)確，ADE7754在使用前要做一系列的校準(zhǔn)，包括電流有效值的增益校準(zhǔn)、零點(diǎn)校準(zhǔn)；功率的增益校準(zhǔn)、零點(diǎn)校準(zhǔn)和輸入通道的相位校準(zhǔn)。其中，電流有效值的零點(diǎn)偏移為：

I為輸入電流的有效值；Irms為測量出的電流有效值。

功率零點(diǎn)偏移為：

I為輸入電流的有效值；P為測量出的功率。

相位偏差為：

P（PF＝0.5）代表功率因數(shù)為0.5時(shí)的功率，P（PF＝1）代表功率因數(shù)為1時(shí)的功率。

根據(jù)上述公式可知，零點(diǎn)校準(zhǔn)和相位校準(zhǔn)需要測量2個(gè)點(diǎn)：電壓輸入保持額定值不變，功率因數(shù)角為0°不變，零點(diǎn)校準(zhǔn)測量電流額定值和1／10額定值；電流保持額定值不變，相位校準(zhǔn)測量額定輸入時(shí)功率因數(shù)角為0°和60°時(shí)的值。

校準(zhǔn)流程圖如圖4所示。

圖4 校準(zhǔn)流程

4 測試結(jié)果分析

首先驗(yàn)證ADE7754對功率的測量精度，使用雙通道信號(hào)發(fā)生器，保持輸出電壓和功率因數(shù)角不變，改變輸出電流有效值的大小，測量得到相應(yīng)的功率值，對這些值進(jìn)行曲線擬合，測量結(jié)果與輸入具有很好的一致性。同樣，保持輸出電壓有效值和電流有效值不變，改變功率因數(shù)角，測量得到相應(yīng)的功率；根據(jù)輸入計(jì)算可得理想的功率，將之和測量結(jié)果對比，測量數(shù)據(jù)如表1所示，其中的誤差是誤差的絕對值。由此可知，測量數(shù)據(jù)計(jì)算的誤差小于1.5%；而轉(zhuǎn)轍機(jī)在工作時(shí)的功率因數(shù)角通常是小于70°的，這時(shí)的誤差小于0.6%。

從上述數(shù)據(jù)可知，ADE7754可以滿足功率測量精度，考慮到硬件其他部分帶來的誤差，如電流傳感器、電壓傳感器等的誤差，所以需對整個(gè)硬件系統(tǒng)做測試，部分測量數(shù)據(jù)如表2所示。

由此可知，系統(tǒng)硬件的誤差絕對值小于2%，結(jié)合轉(zhuǎn)轍機(jī)模型的誤差4.6%，則可以認(rèn)為系統(tǒng)的測量誤差應(yīng)不大于6.6%。

表1 單相測試功率

表2 硬件系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

該模型只需校準(zhǔn)一次即可適用所有位置上的轉(zhuǎn)轍機(jī)，且誤差小于6.6%，所以這種測量方法使用簡單，不會(huì)造成安全上的隱患，便于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的監(jiān)測。但是這是對一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行的測試和推斷，對同一種型號(hào)的不同轉(zhuǎn)轍機(jī)是否成立還有待驗(yàn)證。另外，對于不同型號(hào)的轉(zhuǎn)轍機(jī)，其工作原理不同該模型也是不適用的，需要重新修改模型中的參數(shù)。

［1］ 張小東.便攜式多通道轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力測試儀的設(shè)計(jì)［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2012.

［2］ 王亞萍.道岔轉(zhuǎn)換阻力實(shí)時(shí)監(jiān)測方法的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2013.

［3］ 陳育青.一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換阻力的方法及其監(jiān)測設(shè)備［P］.中國專利：CN 1804568A，2007－12.

［4］ 杭州慧景科技有限公司，轉(zhuǎn)轍機(jī)阻力監(jiān)測裝置［P］.中國專利：CN 201569527U ，2009－12.

［5］ 河南輝煌科技股份有限公司，轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換阻力在線監(jiān)測方法［P］.中國專利：CN 101408465A，2008－11.

［6］ 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［7］ 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程二［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.