李小波 吳 浩 翁曉韜 胡方家

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,201620,上海;2.上海軌道交通維護(hù)保障中心車輛分公司,200233,上?！蔚谝蛔髡?講師、博士)

用于地鐵列車的門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)牽引變流器分為兩大類:直流斬波器和交流逆變器。兩者的主要構(gòu)成相似,均包括:牽引控制單元(Traction Control Unit,簡(jiǎn)為 TCU),牽引變流模塊(Traction Converter Module,簡(jiǎn)為 TCM),牽引電機(jī)和反饋裝置等部件。各構(gòu)成部件不僅與列車安全相關(guān)度高、故障多發(fā),而且工作原理和邏輯關(guān)系復(fù)雜,尤其前兩者技術(shù)含量高,是本文的研究對(duì)象。

1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建

為了提高系統(tǒng)的靈活性,系統(tǒng)的構(gòu)建采用分模塊測(cè)試并綜合集成的方法,不僅變流器各構(gòu)成單元和模塊能單獨(dú)構(gòu)成測(cè)試環(huán)節(jié),而且各環(huán)節(jié)還能構(gòu)成整體實(shí)現(xiàn)綜合測(cè)試。這種設(shè)計(jì)方法階段目標(biāo)清晰,調(diào)試過(guò)程方便,以下將分別介紹。

1.1 TCU測(cè)試環(huán)節(jié)

牽引控制單元的軟件系統(tǒng)由運(yùn)行控制模塊、運(yùn)算模塊和功能模塊等構(gòu)成。前兩者為系統(tǒng)內(nèi)置模塊,以類庫(kù)或系統(tǒng)級(jí)調(diào)用的形式完成單元內(nèi)部工作或輔助功能,如圓周率的計(jì)算、數(shù)字轉(zhuǎn)換和程序的初始化等;功能模塊則是實(shí)現(xiàn)列車控制的模塊,掌握其信息流的工作機(jī)理并與之形成交互才能真正把握TCU的工作機(jī)理。TCU測(cè)試原理如圖1所示。

1.2 TCM測(cè)試環(huán)節(jié)

對(duì)于GTO牽引變流器,無(wú)論是直流斬波模塊還是交流逆變模塊,從主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言,均是GTO以一種頻率的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)交替導(dǎo)通,并配有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)和緩沖電路。以交流列車逆變相模塊為例,如圖2所示,V1與V2是兩個(gè)主晶閘管GTO1和GTO2;V4和V5為V2和V1(GTO)的續(xù)流管;通過(guò)A1和A2按PWM 規(guī)律交替通斷V1(GTO1)和V2(GTO2)可將輸入端P與N間的直流電壓變換為輸出端L的交流電壓。TCM 測(cè)試環(huán)節(jié)的原理框圖見圖2。

圖1 TCU功能及測(cè)試原理

圖2 牽引相模塊及測(cè)試原理

1.3 綜合測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建

綜合測(cè)試是以上兩個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)的整合(見圖3)。將列車主回路中的傳動(dòng)部分以數(shù)學(xué)模型替代,與測(cè)試目標(biāo)牽引變流器(包括TCU和TCM)共同構(gòu)成半實(shí)物仿真閉環(huán);測(cè)控軟件則是在虛擬儀器(Labview)平臺(tái)上的二次開發(fā),將測(cè)試和控制有效結(jié)合。

圖3 牽引變流器綜合測(cè)試系統(tǒng)

2 信息流及軟件設(shè)計(jì)

綜合測(cè)試實(shí)質(zhì)上是一個(gè)半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng),對(duì)實(shí)際情況的真實(shí)性模擬決定了系統(tǒng)運(yùn)行的合理性和結(jié)果的有效性。仿真模型的重要性在于向測(cè)試目標(biāo)提供接近真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境。即從TCU和TCM的角度來(lái)觀察,其環(huán)境配置與實(shí)際列車運(yùn)行環(huán)境基本沒(méi)有差別。

以下將從仿真模型的處理、交互方式、系統(tǒng)同步三方面加以介紹。

2.1 仿真模型的處理

為了滿足系統(tǒng)仿真過(guò)程實(shí)時(shí)性的要求,將牽引電機(jī)構(gòu)成傳動(dòng)部分進(jìn)行局部線性化處理,并降低數(shù)學(xué)模型的階數(shù),以便減少計(jì)算機(jī)運(yùn)行仿真模型時(shí)的時(shí)間開銷,使仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)保持相近的運(yùn)行速度。

2.2 交互方式

主控計(jì)算機(jī)與牽引控制單元按照宿主機(jī)-目標(biāo)機(jī)模式來(lái)規(guī)范。主控計(jì)算機(jī)為宿主機(jī),TCU為目標(biāo)機(jī)。在主控機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間的信息交互設(shè)計(jì)中,應(yīng)滿足TCU的內(nèi)部工作程序流程。

在TCU功能模塊中,15 ms周期牽引控制模塊和75 ms周期牽引控制模塊為控制模塊的主流程(主程序),除了變流模塊控制和電壓、電流等控制動(dòng)作在1 ms中斷處理模塊執(zhí)行之外,絕大多數(shù)控制功能都在這兩個(gè)模塊中執(zhí)行。

2.3 系統(tǒng)的同步

由于測(cè)試過(guò)程是在半實(shí)物仿真條件下進(jìn)行的,因此保證整個(gè)系統(tǒng)的同步尤為重要。系統(tǒng)同步需要處理好兩個(gè)問(wèn)題:①仿真服務(wù)器、輸入輸出設(shè)備和顯示之間的同步;②仿真環(huán)節(jié)與被測(cè)對(duì)象之間的同步。問(wèn)題①很容易做到。問(wèn)題②的處理方法是:用數(shù)據(jù)采集卡的定時(shí)器,通過(guò)硬件直接中斷進(jìn)行定時(shí)模式實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)毫秒級(jí)的精確定時(shí),定時(shí)器的定時(shí)標(biāo)記傳送給其它計(jì)算機(jī)就實(shí)現(xiàn)了這些計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘同步。對(duì)定時(shí)標(biāo)記的傳輸頻率進(jìn)行控制可實(shí)現(xiàn)仿真的多速率。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想。主程序采用嵌套循環(huán)方式進(jìn)行設(shè)計(jì),內(nèi)層循環(huán)進(jìn)行各種狀態(tài)和功能的切換,外層循環(huán)則實(shí)現(xiàn)相應(yīng)狀態(tài)和子程序的調(diào)用。添加新功能只需在外層循環(huán)中添加相應(yīng)功能的子程序模塊即可。軟件結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)軟件架構(gòu)

主界面設(shè)計(jì)充分利用Labview中的用戶定制功能選項(xiàng),對(duì)主界面的最大化和大小調(diào)整功能進(jìn)行了限制,且當(dāng)子程序被調(diào)出時(shí),主界面(見圖5、圖6)不被關(guān)閉。

圖5 主界面設(shè)計(jì)

圖6 系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)顯示

3 實(shí)例

3.1 TCU測(cè)試

在TCU低壓測(cè)試環(huán)節(jié)中,控制計(jì)算機(jī)向TCU輸入GTO的觸發(fā)信號(hào),通過(guò)A1或A2(圖2)觸發(fā)GTO的通與斷,并測(cè)試GK(門極和陰極)的觸發(fā)波形(圖7(a)),再展開其上升沿與下降沿(圖7(b)和(c))。

這時(shí)分析GTO的觸發(fā)信息如下:導(dǎo)通時(shí)首先要求有幾十微秒寬的強(qiáng)觸發(fā)信號(hào),然后保持正向偏置約+1 V,以確保可靠導(dǎo)通;關(guān)斷時(shí)也需要有足夠的關(guān)斷能量,而后施以負(fù)偏置約-15 V,保證可靠關(guān)斷。這一過(guò)程符合對(duì)GTO驅(qū)動(dòng)電路所要求的波形。如圖7(b)其導(dǎo)通瞬間有50～60 μ s寬度的強(qiáng)觸發(fā)脈沖,然后有維持正向?qū)ǖ膲航?。從圖7(c)可見,關(guān)斷時(shí)有強(qiáng)的反向電壓脈沖,最后維持約-15 V的反向偏置(見圖7(a))。

3.2 綜合測(cè)試試驗(yàn)

以直流斬波器為例,綜合測(cè)試試驗(yàn)在模擬典型運(yùn)行工況下進(jìn)行,主要參數(shù)如電網(wǎng)電壓、電機(jī)電樞電流、機(jī)車運(yùn)行速度等變化情況都進(jìn)行了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,如圖8所示。同時(shí)也監(jiān)控了主回路中重要接觸器的工作狀態(tài),因?yàn)樗鼈兡芊从砊CU的控制過(guò)程。典型工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)與列車實(shí)際運(yùn)行工況數(shù)據(jù)對(duì)比,即可作為GTO牽引變流器性能的測(cè)試和評(píng)價(jià)依據(jù)。

圖7 觸發(fā)信號(hào)波形

圖8 綜合測(cè)試動(dòng)態(tài)參數(shù)波形

4 結(jié)語(yǔ)

提出了一種GTO牽引變流器的綜合測(cè)試方案。該方案不僅能夠?qū)Ω鞑考?shí)施獨(dú)立測(cè)試,還可以對(duì)整體進(jìn)行綜合測(cè)試,測(cè)試方法方便有效。本測(cè)試方法的應(yīng)用對(duì)象雖然是GTO牽引變流器,但是該方法也可以移植到地鐵IGBT(絕緣門雙極晶體管)牽引變流器的測(cè)試系統(tǒng)中。

[1]余強(qiáng),陶生桂.地鐵車輛上兩種典型GTO驅(qū)動(dòng)電路的對(duì)比分析[J].變流技術(shù)與電力牽引,2006(1):28.

[2]Wu Hao,Zhang Xiubin.Study on the HILS testing system for the electric traction sy stem of the DC Locomotives[C].Proceedings of 2005 IEEE Industry Applications Conference,2005:2464.

[3]薛定宇,陳陽(yáng)泉.基于MAT LAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[4]程隆華,方海清.上海地鐵1號(hào)線車輛牽引(制動(dòng))數(shù)字仿真計(jì)算[J].上海鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),1994,9(15):39.