CRH3型動車組牽引傳動系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的模擬

王海洋，周 璇，楊顏凱

(國網(wǎng)冀北電力有限公司 平泉市供電分公司，河北 平泉 067500)

隨著改革開放的不斷深化，我國鐵路網(wǎng)的建設(shè)正蓬勃的發(fā)展，不僅逐步實(shí)現(xiàn)動車組的國產(chǎn)化，而且還向國外出口動車組相關(guān)的技術(shù)。雖然近十年我國動車組的牽引傳動系統(tǒng)的控制技術(shù)有了飛躍式的發(fā)展，并取得了巨大的進(jìn)步，但技術(shù)仍然不成熟，還需要引進(jìn)國外更為先進(jìn)的技術(shù)，進(jìn)一步解決高性能驅(qū)動系統(tǒng)中的非線性、參數(shù)多變、擾動和噪聲等控制問題[1]。如何更好地實(shí)現(xiàn)高速動車組牽引傳動系統(tǒng)的控制，提高高速動車組運(yùn)行時的舒適度、安全性與可靠性，對于高速動車組的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 CRH3型動車組簡介

我國CRH系列動車組全部采用分散動力式。CRH3型動車組是由唐山機(jī)車車輛公司生產(chǎn)，并以德國ICE3和西班牙AVES103高速動車組為原型。它由8輛編組的動力分散交流傳動電力動車組，4動4拖，其中相鄰的兩輛動車為一個基本動力單元，每個動力單元具有獨(dú)立的交-直-交牽引傳動系統(tǒng)[2]。

CRH3型動車組在不同時刻牽引制動工況所需牽引力，完成機(jī)車的牽引或者制動過程。

2 牽引傳動系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

CRH3型動車組采用交-直-交型牽引傳動系統(tǒng)，主回路包括整流電路、中間直流環(huán)節(jié)電路和逆變電路三大部分[3]。本設(shè)計主要對牽引傳動系統(tǒng)的逆變電路部分進(jìn)行深入地研究。逆變電路硬件部分采用富士公司生產(chǎn)的6MBP75RA060型號的IPM，控制電路使用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812型號的DSP芯片[4]，作為整個控制系統(tǒng)的控制核心。硬件整體電路包括：供電電源電路、信號采集電路、信號調(diào)理電路、驅(qū)動隔離電路、SCI通信電路和保護(hù)電路[5]。牽引傳動系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)的硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

供電電源電路：本設(shè)計的電路板需要15 V、12 V、5 V、3.3 V和1.8 V電壓。采用5 V電壓作為供電電源電壓，通過外部電源適配器得到5 V電壓；通過LM1117-1.8芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成1 V電壓進(jìn)行供電；通過LM1117-3.3芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓進(jìn)行供電；采用A0512S-1W芯片即可實(shí)現(xiàn)5 V電壓轉(zhuǎn)換成電流傳感器所需要的±12 V電壓；用芯片A0515S-1W可以實(shí)現(xiàn)5 V電壓轉(zhuǎn)換成所需要的±15 V 電壓。

信號檢測電路和信號調(diào)理電路：電流檢測電路選用的電流傳感器型號為LA-50P；電壓檢測電路選用的電壓傳感器型號為CHV-25P/500；采用YS-27型號霍爾傳感器模塊來測量轉(zhuǎn)速。由于DSP的A/D口的工作電壓是3.3 V，按照采集信號電壓幅值的70%進(jìn)行計算，所以需要將信號電壓限制在3 V以內(nèi)，通過兩個嵌位二極管來實(shí)現(xiàn)采集信號的調(diào)理。

IPM驅(qū)動隔離電路：用于驅(qū)動IPM模塊，避免強(qiáng)電信號的干擾。SCI通信電路：SCI電路用來實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的通信。

3 牽引傳動系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計總體方案

CRH3型動車組牽引傳動系統(tǒng)框圖包括上位機(jī)軟件部分和下位機(jī)軟件部分。其中，下位機(jī)軟件部分包括電壓量的采集、電流量采集、轉(zhuǎn)速量采集、控制程序和通信。上位機(jī)軟件部分包括控制數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)存儲、輸出波形和數(shù)據(jù)顯示[6]。軟件設(shè)計的整體框圖如圖2所示。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)軟件編程是在CCS軟件開發(fā)平臺，使用C語言進(jìn)行編寫的。下位機(jī)軟件包括TMS320F2812對電壓、電流、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)通信，其流程是：首先，系統(tǒng)上電復(fù)位后，需要對系統(tǒng)和外設(shè)參數(shù)等進(jìn)行初始化設(shè)置，對串口進(jìn)行初始化，串口初始化參數(shù)包括：串口號為COM1、波特率為9 600、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶校驗(yàn)位[7]。當(dāng)TMS320F2812下發(fā)不同測量信號后，首先判斷測量信號的內(nèi)容，即判斷是測量電壓信號、測量電流信號還是測量轉(zhuǎn)速信號，然后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集。最后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，當(dāng)采集數(shù)據(jù)發(fā)送完成時結(jié)束流程。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊包括電壓量、電流量和轉(zhuǎn)速量三種測量量的采集。采集模塊的流程為：首先對DSP系統(tǒng)初始化設(shè)置，包括時鐘頻率、GPIO中斷向量等的初始化；然后，進(jìn)行ADC模塊初始化設(shè)置，包括采樣模式、通道以及啟動模式的初始化；讀取采集中斷指令、采集時間的到來，按照上位機(jī)相應(yīng)的指令要求，對電壓量、電流量和轉(zhuǎn)速量采集。若采集沒有完成，繼續(xù)循環(huán)采集數(shù)據(jù)直到檢測到采集結(jié)束為止。

3.2.2 SCI模塊設(shè)計

SCI串行通信接口是連接TMS320F2812與計算機(jī)的“橋梁”，實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的功能。數(shù)據(jù)發(fā)送過程的流程為：當(dāng)接收到發(fā)送數(shù)據(jù)的指令時，首先進(jìn)行SCI寄存器的配置，當(dāng)SCI接收狀態(tài)寄存器中的中斷標(biāo)志位TXREADY為1時，開始發(fā)送數(shù)據(jù)，即啟動發(fā)送模式。當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)發(fā)送中止位時，結(jié)束發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送過程結(jié)束，若沒有檢測到數(shù)據(jù)發(fā)送中止位，則繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)接收過程流程：當(dāng)SCI接收狀態(tài)寄存器的中斷標(biāo)志位RXREADY是1時，則寄存器就會開始接收數(shù)據(jù)。如果能接收到數(shù)據(jù)信號并且接收信號與發(fā)送信號的地址匹配時，就開始自動接收數(shù)據(jù)包。如果數(shù)據(jù)接收過程還沒有完成，那么寄存器將會繼續(xù)接收發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)包接收過程完成以后，會校驗(yàn)接收數(shù)據(jù)是否正確，若接收的數(shù)據(jù)不正確，向CPU發(fā)出重新接收數(shù)據(jù)的請求；若接收的數(shù)據(jù)正確，則將接收到的數(shù)據(jù)直接存到緩沖寄存器之中，直到接收完所有發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計

LabVIEW提供強(qiáng)大的VISA庫，串口通信程序是通過VISA來設(shè)計[7]。調(diào)用VISA串口設(shè)置模塊來實(shí)現(xiàn)對初始化串口參數(shù)設(shè)置。初始化過程完成后，對通信模塊寄存器進(jìn)行配置。使用VISA寫入模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)，使用VISA讀取模塊實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)[8]。數(shù)據(jù)接收之前首先需要使用VISA寫入模塊中的VISA Bytes Serial Port函數(shù)來查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，若VISA讀取的字節(jié)數(shù)大于緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，VISA讀取模塊操作處于持續(xù)等待的狀態(tài)，一直到Timeout或者緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)滿足字節(jié)要求數(shù)，或者通過參數(shù)設(shè)置來分批讀取接受緩沖區(qū)或者只從中讀取一定字節(jié)的數(shù)據(jù)，使用完成后通過VISA關(guān)閉模塊將此串口關(guān)閉[9]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過調(diào)試好的CRH3型動車組的牽引傳動系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)，模擬CRH3型動車組的牽引逆變器控制電機(jī)在牽引啟動和制動停止工況下的運(yùn)行特性，實(shí)現(xiàn)在不同運(yùn)行工況下電壓、電流和轉(zhuǎn)速的數(shù)值顯示的功能及其相對應(yīng)的電壓、電流和轉(zhuǎn)速波形顯示的功能。

1)牽引工況。從登錄界面登錄到系統(tǒng)主顯示界面后，系統(tǒng)上電后，完成串口設(shè)置。點(diǎn)擊“牽引啟動”按鈕，上位機(jī)將向下位機(jī)發(fā)送“牽引啟動”指令，經(jīng)過一段時間的數(shù)據(jù)加載，界面中會顯示出該運(yùn)行工況下的電壓、電流和轉(zhuǎn)速的數(shù)值。

當(dāng)點(diǎn)擊波形顯示窗口下的波形顯示按鈕，會自動彈出該運(yùn)行工況下的電壓、電流和轉(zhuǎn)速的波形圖。牽引啟動工況下的牽引電機(jī)的電壓、電流和轉(zhuǎn)速波形圖分別如圖3、圖4和圖5所示。

2)制動工況。點(diǎn)擊“制動停止”按鈕，上位機(jī)將向下位機(jī)發(fā)送“制動停止”指令。經(jīng)過一段時間的數(shù)據(jù)加載，顯示界面中會顯示出電壓、電流和轉(zhuǎn)速的數(shù)值。

當(dāng)點(diǎn)擊波形顯示窗口下的波形顯示按鈕時，會自動彈出該運(yùn)行工況下的電壓、電流和轉(zhuǎn)速的波形圖。制動停止工況的牽引電機(jī)的電壓、電流和轉(zhuǎn)速波形圖分別如圖6、圖7和圖8所示。

由圖3～圖5可知：“牽引啟動”運(yùn)行工況下，啟動電壓很大，電壓波形呈現(xiàn)近似正弦波的波形；電機(jī)啟動瞬間的啟動電流很大，經(jīng)過短暫的不平衡狀態(tài)，最終趨于平穩(wěn)狀態(tài)；轉(zhuǎn)速自零時刻開始急劇增加，在較短的時間內(nèi)達(dá)到設(shè)定額定轉(zhuǎn)速值。由圖6～圖8可知：“制動停止”運(yùn)行工況下，電壓呈現(xiàn)近似正弦波的波形變化趨勢；電流呈現(xiàn)遞減變化趨勢，最終呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)且穩(wěn)定值不為零；最終電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，實(shí)現(xiàn)制動停止。從模擬系統(tǒng)的結(jié)果來看，該模擬系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了對CRH3型高速動車組牽引工況和制動工況的運(yùn)行特性的模擬，能夠直觀地觀測出這三個量的變化狀況及變化規(guī)律，獲得了一些研究成果。

5 結(jié)語

設(shè)計了一套CRH3型高速動車組牽引傳動系統(tǒng)運(yùn)行工況的模擬系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行了功能測試。研究了動車組在牽引工況和制動工況的運(yùn)行特性，并獲得相對應(yīng)狀態(tài)下的電壓、電流及轉(zhuǎn)速的數(shù)值及其波形圖。測試結(jié)果能夠很好地模擬CRH3型高速動車組的牽引工況和制動工況的運(yùn)行狀態(tài)，能夠直觀地看出運(yùn)行特性的波形，具有很好的演示性，為高速動車組在不同運(yùn)行工況的運(yùn)行特性的研究提供研究平臺。

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