宋瑞剛，楊 儉，方 宇

（上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海 201620）

0 引言

牽引傳動系統(tǒng)工作特性的研究是城市軌道交通相關(guān)課題研究的重點(diǎn)，由于牽引和負(fù)載的動態(tài)非線性程度高、參數(shù)采集量大和控制復(fù)雜等因素，實(shí)驗(yàn)平臺及其測控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度較大，所以，該部分的研究往往停留在軟件模擬和仿真研究階段。事實(shí)上，牽引傳動系統(tǒng)和外部工作環(huán)境的關(guān)系需要通過探究式、模擬式、驗(yàn)證式等一系列形式的實(shí)驗(yàn)來研究［1，2］。本文針對一種實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的城市軌道電力牽引實(shí)驗(yàn)平臺，提出了基于虛擬儀器技術(shù)的測控系統(tǒng)，并通過對牽引和負(fù)載2個子系統(tǒng)的參數(shù)采集和控制，實(shí)現(xiàn)多種工況下牽引動態(tài)特性的測試。

1 城軌車輛電力牽引實(shí)驗(yàn)臺的總體結(jié)構(gòu)

城市軌道車輛電力牽引實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用380 V工頻交流電供電。在牽引子系統(tǒng)一側(cè)，整流逆變單元內(nèi)含540 V直流母線，經(jīng)逆變后對牽引電機(jī)進(jìn)行VVVF控制。牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速和實(shí)車保持1∶1比例，而功率和轉(zhuǎn)矩采用3∶19進(jìn)行等比例縮放，即實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用30 kW電機(jī)模擬實(shí)車190 kW牽引電機(jī)的運(yùn)行工況。在負(fù)載子系統(tǒng)一側(cè)，采用交流測功機(jī)作為負(fù)載電機(jī)，為牽引側(cè)提供實(shí)時的動態(tài)反轉(zhuǎn)矩，以模擬車輛運(yùn)行過程中遇到的各種阻力［3～5］。2個子系統(tǒng)之間設(shè)置有三級飛輪，以切換組合的方式對車輛的AW1（輕載）、AW2（滿載）、AW3（超載）3種載客工況進(jìn)行分組模擬。牽引側(cè)和負(fù)載側(cè)的整流逆變單元提供各自電流、電壓信號，牽引電機(jī)的輸出軸上裝有傳感器提供轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號，各傳感器信號經(jīng)變換和調(diào)理后集中進(jìn)入虛擬儀器測控平臺。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電力牽引實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of electric traction experimental system

2 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

城市軌道車輛牽引實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測控系統(tǒng)由傳感器與信號變換器（變送器）、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和圖形化編程語言LabVIEW程序構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 基于虛擬儀器的測控系統(tǒng)簡圖Fig 2 Digram of measurement and control system based on virtual instrument

系統(tǒng)采用NI公司的PCI—6225數(shù)據(jù)采集卡，基于PCI總線，板上裝有16bit分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器。提供80路單端/40路差分的模擬輸入通道和2路模擬輸出通道。且板卡自帶70多個信號調(diào)理選項(xiàng)，可對各通道采集信號進(jìn)行分別調(diào)理。牽引電機(jī)輸出軸端的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速傳感器采用德國 Dr．Staiger Mohilo 0170DM傳感器，量程0～1500 Nm，最高轉(zhuǎn)速12，000 r/min。轉(zhuǎn)速的測量采用非接觸式，每轉(zhuǎn)發(fā)出360個脈沖。由于轉(zhuǎn)速信號的采集用于對負(fù)載電機(jī)反轉(zhuǎn)矩加載的計(jì)算，所以，對轉(zhuǎn)速的要求較高，而該傳感器在滿量程時精度為0．2%，對應(yīng)于城軌車輛牽引電機(jī)最高轉(zhuǎn)速3500 r/min時誤差僅為7轉(zhuǎn)，滿足實(shí)時檢測與控制的要求。電流、電壓的檢測直接由變頻器內(nèi)部互感器輸出，均為霍爾型。電流傳感器采集精度為0．5%FS，量程0～125 A。電壓傳感器精度為0．6%FS，量程0～2 kV。滿足該系統(tǒng)電氣特性參數(shù)采集的要求。

3 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1 軟件總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用LabVIEW來進(jìn)行測控平臺的軟件設(shè)計(jì)，該類G語言便于同時對多傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、處理與分析、顯示，并且界面友好，性能穩(wěn)定［6］。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

系統(tǒng)在初始化過后，首先進(jìn)行多項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置，包括采集通道和信號輸入類型、存儲路徑等。運(yùn)行過程中，通過對系統(tǒng)參數(shù)的采集進(jìn)行故障判斷，當(dāng)發(fā)生過流、過壓或參數(shù)波動超限值時，自動形成停機(jī)保護(hù)。另外，系統(tǒng)多采用事件結(jié)構(gòu)（event structure），可以使LabVIEW程序在空閑時處于休息狀態(tài)，直到前面板中出現(xiàn)新的事件發(fā)生為止，提高了系統(tǒng)資源的利用效率［7］。例如:實(shí)驗(yàn)過程中，可以隨時通過“緊急制動”按鈕中斷實(shí)驗(yàn)過程，或者按下“開始記錄”按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。

圖3 測試與控制流程圖Fig 3 Flow chart of measurement and control

3．2 牽引和負(fù)載控制模塊設(shè)計(jì)

對牽引電機(jī)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)方式，在手動（Manual）模式下，通過模擬司控器手柄位的變動，數(shù)據(jù)采集卡通過AO口輸出轉(zhuǎn)速指令對應(yīng)的模擬量作為變頻器給定值。而在自動（Auto）模式下，系統(tǒng)導(dǎo)入速度運(yùn)行曲線的TXT文件自動完成轉(zhuǎn)速控制。

負(fù)載電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方式，預(yù)先設(shè)置列車軸重、自定義的基本阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)等參數(shù)，并導(dǎo)入路況文件。程序根據(jù)實(shí)時采集的轉(zhuǎn)速進(jìn)行軌道車輛運(yùn)行遇到的基本阻力和附加阻力的計(jì)算［8］。而對于不同路況條件形成的線路附加阻力，通常也可用一個加算的坡道附加阻力代替［9］，如式（1）函數(shù)關(guān)系所示

式中A，B，C為列車基本阻力各項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（由車輛制造方提供）;v為列車運(yùn)行速度;Fadd（x）為線路總的附加阻力，是列車發(fā)車后自起始站點(diǎn)行駛里程x的分段函數(shù)。

負(fù)載電機(jī)提供的反轉(zhuǎn)矩函數(shù)Tf（v，x）可結(jié)合車輪半徑、齒輪箱傳動比與傳動效率等參數(shù)得出，可通過式（2）函數(shù)關(guān)系來描述。

式中K為列車阻力與牽引電機(jī)軸端遇到的反轉(zhuǎn)矩之間的比例系數(shù)。

3．3 數(shù)據(jù)存儲與回放模塊設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)存儲、回放模塊中，讀取在測試過程中存儲在指定目錄中的數(shù)據(jù)文件，通過數(shù)據(jù)回放子VI顯示測試過程中相關(guān)參數(shù)的波形，可選擇性地繪制牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、牽引電流、直流母線電壓曲線和負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線。

4 牽引特性測試實(shí)驗(yàn)與分析

將三級飛輪切換到城市軌道車輛載客運(yùn)行的典型工況AW2（滿載）工況，導(dǎo)入牽引曲線的TXT文件，系統(tǒng)運(yùn)行后保存的數(shù)據(jù)用Origin繪圖后，可得到轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的機(jī)械特性曲線與運(yùn)行過程中的電氣特性曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 AW2工況下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)牽引機(jī)械特性曲線圖Fig 4 Traction mechanical characteristic curves of experimental system under AW2 working condition

圖5 AW2工況下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)牽引電氣特性曲線圖Fig 5 Traction electrical characteristic curves of experimental system under AW2 working condition

由圖4可以看出:在牽引電機(jī)起動階段的18 s內(nèi)，測控系統(tǒng)能夠保證牽引系統(tǒng)恒轉(zhuǎn)矩起步，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，且在電機(jī)由牽引到惰行的轉(zhuǎn)速變化瞬間，轉(zhuǎn)矩超調(diào)量較小，僅為2N·m。而圖5中的電氣特性曲線顯示，測控系統(tǒng)對牽引電流和直流母線電壓的采集處理效果較好，有效濾除了電氣干擾。

另外，與上海地鐵二號線AW2載客工況下的實(shí)車運(yùn)行曲線對比可得出如下結(jié)論:

1）機(jī)械特性

由圖4和圖6對比可知，實(shí)驗(yàn)測試曲線與實(shí)車曲線的牽引加速區(qū)特性一致，時間約為20 s左右，最大牽引加速度約為1．03 m/s2，制動減速度約為1．18 m/s2，這與地鐵牽引系統(tǒng)的技術(shù)要求一致。與實(shí)測曲線不同的是，實(shí)際工況中列車在ATO模式下的運(yùn)行受停車曲線和ATP速度命令的限制，惰行過程中會存在少量制動和牽引過程［10］，而實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測控軟件中有意忽略了該類因素。

圖6 AW2工況下上?？萍拣^—世紀(jì)公園牽引機(jī)械特性曲線Fig 6 Traction mechanical characteristic curves under AW2 working condition from shanghai Science and Technology Museum to the Century Park

2）電氣特性

由圖5和圖7的對比可知，在實(shí)際地鐵列車的制動過程中，由列車控制回路自動監(jiān)測當(dāng)前電網(wǎng)電壓，在網(wǎng)壓接近1800 V時，制動單元導(dǎo)通，再生制動切換到電阻制動方式。而在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，設(shè)定直流母線網(wǎng)壓閥值為670 V。測試系統(tǒng)顯示，在兩次明顯的再生制動過程中，電制動能量的反饋對母線電壓抬高的影響與實(shí)際工況一致。

圖7 AW2工況下上海科技館—世紀(jì)公園牽引電氣特性曲線Fig 7 Traction electrical characteristic curves under AW2 working condition from Shanghai Science and Technology Museum to the Century Park

5 結(jié)論

系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，可以較方便地實(shí)現(xiàn)多種工況下的城軌車輛運(yùn)行工況的模擬，并對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集與控制。系統(tǒng)對牽引加速和制動過程控制平穩(wěn)、精確度高。測控系統(tǒng)使?fàn)恳姍C(jī)在啟動階段加速度保持1．03 m/s2，與實(shí)車測試工況基本一致，而在電制動中，直流母線閥值電壓設(shè)定為670 V，遠(yuǎn)低于實(shí)際工況的1800 V，但再生制動與電阻制動的特性均和實(shí)際一致。另外，該測控系統(tǒng)忽略了車輛啟動阻力和制動過程末期的空氣制動的參與，使?fàn)恳姍C(jī)的運(yùn)行環(huán)境模擬受到一定限制，但這并不影響系統(tǒng)在牽引和電制動特性測試方面的有效性，因而，系統(tǒng)對電力牽引實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)和多傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍具有重要參考意義。

［1］ 黃云鵬．軌道車輛牽引電機(jī)負(fù)載模擬控制的研究［D］．北京:北京交通大學(xué)，2009．

［2］ 張衛(wèi)華，黃麗湘，馬啟文，等．機(jī)車車輛動力性能的動態(tài)模擬［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（2）:114 －119．

［3］ Hewson C R，Sumner M，Asher G M，et al．Dynamic mechanical load emulation test facility to evaluate the performance of AC inverters［J］．Power Engineering Journal，2000，14（1）:21 － 28．

［4］ 王皖君，張為公．電動負(fù)載中慣量電模擬實(shí)現(xiàn)方法［J］．艦船電子工程，2011，31（4）:109 －112．

［5］ Jesus A P，Asher G M，Sumner M．Control of an AC dynamometer for dynamic emulation of mechanical loads with stiff and flexible shafts［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53（4）:1250－1260．

［6］ Popov A M，Labutin T A．Signal recording system based on a Lab-VIEW virtual instrument using a multichannel high speed ADC［J］．Measurement Techniques，2011，54（2）:213 －218．

［7］ Kohout S．Automated operation of a homemade torque magnetometer using LabVIEW［J］．Measurement Science and Technology，2005，16（11）:2240 －2246．

［8］ 毛保華．列車運(yùn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)［M］．北京:人民交通出版社，2008．

［9］ 宋瑞剛，楊 儉，黃厚明，等．城市軌道車輛牽引實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究［J］．鐵道車輛，2008，46（10）:28 －31．

［10］于振宇，陳德旺．城軌列車制動模型及參數(shù)辨識［J］．鐵道學(xué)報(bào)，2011，33（10）:37 －40．