基于ARM的測力輪對標(biāo)定試驗臺控制系統(tǒng)研究

摘要：針對現(xiàn)有測力輪對標(biāo)定試驗臺控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計一種基于ARM的測力輪對標(biāo)定試驗臺控制系統(tǒng)。完成控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計和軟件功能的開發(fā)，實現(xiàn)液壓加載控制、伺服電機控制等功能，并對相關(guān)功能進行測試。結(jié)果表明：基于ARM的測力輪對標(biāo)定試驗臺控制系統(tǒng)功能完備、資源豐富、集成度和自動化程度高，輪對正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的分度控制精度分別為0.42‰和0.46‰，施加2 t載荷下的左輪垂向力、右輪垂向力、左輪橫向力和右輪橫向力的加載控制精度分別為0.45‰、0.25‰、0.105%和0.160%，滿足試驗臺標(biāo)定功能需求。

關(guān)鍵詞：軌道機車；試驗臺；測力輪對；ARM；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273文獻標(biāo)志碼：B文章編號：1671-5276（2024）06-0224-05

Abstract：This article designs an ARM-based control system for instrumented wheelset calibration test bench to address the current development status of the control system for instrumented wheelset calibration test benches， hardware circuit design and software function development of the control system are completed， functions such as hydraulic loading control and servo motor control are implemented， and the relevant functions are tested. The results show that the control system of the ARM based instrumented wheelset calibration test bench has complete functions， rich resources， high integration and automation degree. The indexing control accuracy of the wheel set forward and reverse rotation is 0.42‰ and 0.46‰， respectively. The loading control accuracy of the left wheel vertical force， right wheel vertical force， left wheel lateral force， and right wheel lateral force under a load of 2 tons is 0.45‰， 0.25‰， 0.105%， and 0.160%， respectively， meeting the functional requirements of the calibration test bench.

Keywords：rail vehicle; test bench; instrumented wheelset; ARM; control system

0引言

測力輪對是一種輪軌力直接測量方式，在實際線路的輪軌力測量中起重要作用，同時測力輪對的輪軌力測量技術(shù)依賴于測力輪對的精度。測力輪對標(biāo)定是利用測力輪對開展線路動力學(xué)試驗的基礎(chǔ)［1］，其精確標(biāo)定可提升測力輪對的靈敏度并有效消除縱向及橫向作用力的耦合干擾［2］。

測力輪對標(biāo)定試驗臺是保證輪軌力測量精度、檢驗測力輪對性能指標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備。國內(nèi)許多學(xué)者針對不同測力輪對標(biāo)定試驗臺開展了控制系統(tǒng)的設(shè)計與研制。張一文［3］研制了一種基于Beckhoff控制系統(tǒng)的測力輪對標(biāo)定試驗臺控制系統(tǒng)，以IPC為核心，通過EtherCAT總線實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部各模塊的通信和控制，實現(xiàn)了加載控制及電機控制等功能。林健喬［4］設(shè)計了一種測力輪對標(biāo)定試驗臺加載同步控制系統(tǒng)，包含輸出模塊、IPC模塊、伺服驅(qū)動模塊、I/O模塊等，采用總線控制的系統(tǒng)構(gòu)架實現(xiàn)相關(guān)功能的控制。彭路星［5］設(shè)計了一種測力輪對標(biāo)定試驗臺電液伺服加載系統(tǒng)，采用PCI板卡實現(xiàn)加載過程控制及數(shù)據(jù)采集，采用運動控制卡實現(xiàn)輪對的分度旋轉(zhuǎn)控制等。

本文基于ARM的測力輪對標(biāo)定試驗臺控制系統(tǒng)旨在簡化測力輪對標(biāo)定過程，改善測力輪對標(biāo)定精度，提高測力輪對標(biāo)定的自動化程度。基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)，無論是在控制精度、速度、自動化程度，還是在集成度、性價比等方面都是現(xiàn)有控制系統(tǒng)無法比擬的。以ARM微處理器為核心，向外拓展功能模塊及數(shù)字化芯片，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性，充分發(fā)揮了ARM微處理器的優(yōu)點，降低了系統(tǒng)成本，為測力輪對標(biāo)定試驗臺控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了新的思路。

1測力輪對標(biāo)定試驗臺原理及結(jié)構(gòu)

圖1為測力輪對標(biāo)定試驗臺的結(jié)構(gòu)簡圖，它主要由輪對、牽引電機、分度電機及加載裝置等組成。牽引電機可帶動輪對以一定速度轉(zhuǎn)動并實現(xiàn)調(diào)速功能。分度電機用于控制測力輪對的旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)不同角度的加載。垂向加載裝置及橫向加載裝置用于向車輪踏面和車輪輻板內(nèi)側(cè)的指定作用點施加載荷。標(biāo)定過程由電機控制輪對旋轉(zhuǎn)，并由液壓加載裝置對輪對指定作用點施加載荷以獲取車輪輻板的微應(yīng)變，為相關(guān)性能指標(biāo)的計算提供數(shù)據(jù)。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1控制系統(tǒng)硬件整體框圖

ARM（advanced RISC machines）是英國Acorn公司設(shè)計的低功耗高性能RISC微處理器，廣泛應(yīng)用于嵌入式控制系統(tǒng)。本文采用基于ARM Cortex-M4架構(gòu)的STM32F407作為系統(tǒng)的核心控制單元，這是一款高性能、低功耗、硬件功能強大、外設(shè)資源豐富的32位微處理器［6］，具備多達140個功能豐富的I/O口，便于外部模塊拓展，豐富了系統(tǒng)功能的集成度。芯片內(nèi)置10/100Mbps以太網(wǎng)MAC內(nèi)核，支持10/100Mbps高速以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時高效傳輸。本文基于ARM的測力輪對標(biāo)定試驗臺控制系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

控制系統(tǒng)由STM32最小系統(tǒng)電路和外部拓展電路組成：系統(tǒng)最小電路包含調(diào)試電路、供電電路、時鐘電路等基礎(chǔ)電路；外部拓展電路按功能可主要劃分為以太網(wǎng)通信電路、液壓加載控制電路和伺服電機控制電路。

2.2以太網(wǎng)通信電路設(shè)計

以太網(wǎng)通信功能主要用于實現(xiàn)上位機與下位機之間的指令傳遞和數(shù)據(jù)交互。本系統(tǒng)以太網(wǎng)通信電路由MCU和以太網(wǎng)PHY芯片共同構(gòu)成。綜合考慮STM32F407以太網(wǎng)MAC內(nèi)核相關(guān)特性和接口類型等因素，選擇LAN8720作為PHY芯片。該芯片僅支持精簡介質(zhì)獨立接口（RMII）與以太網(wǎng)MAC內(nèi)核連接，大幅減少了以太網(wǎng)MAC內(nèi)核與PHY之間的引腳連接數(shù)量，有效節(jié)約了MCU引腳資源，滿足了系統(tǒng)對于高速以太網(wǎng)實時通信的需求。圖3所示為LAN8720硬件電路圖。

2.3液壓加載控制電路設(shè)計

液壓加載控制電路的功能是保證測力輪對在進行標(biāo)定作業(yè)過程中液壓加載具有較好的穩(wěn)定性和加載精度。加載控制電路主要由MCU、控制信號輸出電路和反饋采集電路共同組成，其與液壓加載裝置共同構(gòu)成試驗臺的液壓加載控制系統(tǒng)，實現(xiàn)液壓加載過程的閉環(huán)控制。

1）信號輸出電路

信號輸出電路用于輸出電液伺服閥所需的控制電流，從而改變閥芯開度并改變液壓缸油壓，進而控制作動器運動。信號輸出電路主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和電流功率放大電路兩部分組成，實現(xiàn)MCU數(shù)字信號向電液伺服閥所需電流信號的轉(zhuǎn)換。

對DAC的選擇在考慮轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度和響應(yīng)速度的因素后選擇了DAC8565作為本系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，DAC8565為4通道16位精度的DA轉(zhuǎn)換芯片，與MCU通過SPI總線相連。

功率放大電路由兩級運算放大電路共同組成。其中一級運算放大電路為差分運算放大電路，主要作用是實現(xiàn)電壓的極性轉(zhuǎn)換，差分運算放大電路采用OPA2188作為運算放大元件，其硬件電路如圖5所示。

二級運算放大電路為復(fù)合運算放大電路，其主要作用是將電壓信號轉(zhuǎn)換為足夠功率的電流信號。二級運放采用了OPA2188和OPA551共同組成的拓?fù)溥\算放大結(jié)構(gòu)，其硬件電路如圖6所示。

2）反饋檢測電路

反饋檢測電路由壓力傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）共同組成，主要功能是對加載過程中的載荷進行實時采集，為加載閉環(huán)控制提供反饋值。綜合考慮轉(zhuǎn)換精度和加載控制過程對于采樣速率的需求，選擇了8通道16位的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7606，其硬件電路如圖7所示。

2.4伺服電機控制電路設(shè)計

伺服電機控制電路的作用是輸出用于控制分度伺服電機的脈沖信號，保證標(biāo)定過程中輪對分度和加載作業(yè)的精度。伺服電機控制電路由MCU和伺服電機驅(qū)動器共同組成，MCU具備PWM脈沖輸出功能，輸出脈沖數(shù)量和占空比靈活可調(diào)。伺服電機驅(qū)動器采用位置控制模式，位置控制模式下的脈沖信號輸入接口采用集電極開路接口，如圖8所示，接口3和接口5分別作為指令脈沖信號和指令方向信號的輸入接口。

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文控制系統(tǒng)程序分為工控機端的上位機人機交互界面和ARM控制器程序。

3.1上位機人機交互界面設(shè)計

上位機人機交互界面主要實現(xiàn)試驗臺相關(guān)功能的控制和數(shù)據(jù)顯示及狀態(tài)監(jiān)測，人機交互界面如圖9所示。

3.2ARM控制器程序設(shè)計

ARM控制器程序主要包括數(shù)據(jù)采集、PID控制、信號輸出以及通信功能等。

1）采集程序

AD采樣需要具有較好的實時性以及較高的采樣頻率。本系統(tǒng)采用MCU高精度定時器（TIM）驅(qū)動AD轉(zhuǎn)換，并利用MCU外部中斷（EXTI）功能檢測轉(zhuǎn)換完成信號，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取。力傳感器數(shù)據(jù)采集的程序流程如圖10所示。

2）PID控制程序

PID控制程序決定了加載控制的精度和測力輪對標(biāo)定的精度。本文采用增量式PID算法作為加載控制算法，這是一種遞推算法，以控制增量作為每次PID運算的輸出值。增量式PID的計算公式為

式中e（k）表示第k次PID運算時目標(biāo)值與反饋值間的偏差，即目標(biāo)載荷與力傳感器反饋載荷的偏差。

與位置式PID相比，增量式不會疊加計算誤差項，計算控制增量只考慮最近的3次誤差，從而避免系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)量。此外，增量式PID僅輸出控制增量，系統(tǒng)不會因故障的發(fā)生產(chǎn)生重大影響。圖11所示為增量式PID控制的程序流程圖。

3）輸出程序

輸出程序主要包括電機控制信號輸出和加載控制信號輸出，分別控制電機的旋轉(zhuǎn)和液壓加載裝置的運動。

a）電機控制信號輸出

電機控制信號為MCU輸出的兩股脈沖信號，分別為指令脈沖信號和指令方向信號，脈沖信號形式如表1所示，其中t1、t2、t3均不少于2.5μs。

b）加載控制信號輸出

加載控制信號的輸出流程為：MCU根據(jù)控制電流的大小輸出對應(yīng)的數(shù)字信號，經(jīng)SPI寫入DAC的24位移位寄存器中，DAC將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號輸出，經(jīng)差分運算放大電路和功率放大電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制電流信號。

4）通信程序

通信程序主要是以太網(wǎng)通信程序的設(shè)計，程序的設(shè)計基于LwIP協(xié)議棧，LwIP協(xié)議棧是一種適用于嵌入式系統(tǒng)的輕量化TCP/IP協(xié)議，具有功能完善、開源和占用內(nèi)存少等特點。

基于LwIP協(xié)議棧的以太網(wǎng)通信流程簡單，通過創(chuàng)建相應(yīng)的UDP控制塊和控制塊所對應(yīng)的接收回調(diào)函數(shù)即可實現(xiàn)基于UDP通信的數(shù)據(jù)收發(fā)。

4控制系統(tǒng)功能測試

4.1分度旋轉(zhuǎn)功能測試

為了測試試驗臺分度電機的旋轉(zhuǎn)精度，向電機驅(qū)動器輸入相應(yīng)的指令脈沖信號和指令方向信號，使電機帶動輪對分別正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)1 800°，對其旋轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的誤差進行測量并計算其分度控制精度。對輪對正轉(zhuǎn)5周時的弧長偏差進行測量，旋轉(zhuǎn)前后的弧長偏差測量值約為5.5mm，即輪對正轉(zhuǎn)5周的角度偏差約為0.75°，正轉(zhuǎn)的分度控制精度約為0.42‰；同理，對輪對反轉(zhuǎn)5周的弧長偏差進行測量得出弧長偏差約為6.0mm，即輪對反轉(zhuǎn)5周的角度偏差約為0.75°，反轉(zhuǎn)的分度控制精度約為0.46‰。

4.2液壓加載功能測試

為測試試驗臺液壓加載系統(tǒng)的加載精度，分別對輪對施加2t的橫向及垂向載荷，對加載過程的載荷進行測量并計算加載控制精度。圖12所示為施加2t載荷時的輪軌力測量值。

左輪垂向力、右輪垂向力、左輪橫向力和右輪橫向力所有采樣點的方均根誤差（RMSE）分別為0.9×10-3t、0.5×10-3t、0.21×10-2t和0.32×10-2t；加載誤差分別為0.45‰、0.25‰、0.105%和0.160%。說明載荷為2t時加載控制穩(wěn)定，加載誤差小，滿足測力輪對標(biāo)定過程的精度要求。

5結(jié)語

本文以測力輪對標(biāo)定實驗臺為對象，針對試驗臺的相關(guān)功能完成了基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計，分別完成了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計，并對試驗臺控制系統(tǒng)的相關(guān)功能進行了測試。結(jié)果表明：基于ARM的測力輪對標(biāo)定試驗臺控制系統(tǒng)功能完備，資源豐富，集成度和自動化程度高，輪對正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的分度控制精度分別為0.42‰和0.46‰；施加2t載荷下的左輪垂向力、右輪垂向力、左輪橫向力和右輪橫向力的加載控制精度分別為0.45‰、0.25‰、0.105%和0.160%，滿足試驗臺標(biāo)定功能需求。

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收稿日期：20230425

第一作者簡介：梁晨銳（1997—），男，江西贛州人，碩士研究生，研究方向為機車車輛測控技術(shù)，729267318@qq.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.044