宋君君等

摘要：文章通過分析CRH3高速動車組牽引傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，基于Simulink建立牽引傳動系統(tǒng)離散數(shù)學(xué)模型，并利用Dspace實時仿真器建立虛擬牽引傳動系統(tǒng)，它和自制的牽引系統(tǒng)接口箱、牽引控制單元TCU、建立的TCU的MVB仿真環(huán)境共同構(gòu)成了牽引傳動系統(tǒng)半實物實時仿真平臺，以模擬動車組運行時的牽引傳動系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：CRH3動車組；牽引傳動系統(tǒng)；接口箱；Dspace；TCU 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2016）06-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.007

1 概述

CRH3型動車組是以德國西門子公司的Velaro-E動車組為原型車，大多數(shù)的動車的關(guān)鍵部件如牽引控制單元TCU、中央控制單元CCU、制動控制單元BCU等仍然是國外采購。而當(dāng)前對TCU的研究困難，主要是由于環(huán)境復(fù)雜、損耗大、效率低、危險度高，應(yīng)將實際控制器和虛擬被控對象連接，在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)控制器的研發(fā)與測試。

2 CRH3牽引系統(tǒng)半實物仿真研究方案

2.1 建設(shè)方案

（1）基于Simulink建立了包含牽引變壓器、四象限變流器、中間直流回路、PWM逆變器、牽引電機5個子系統(tǒng)的牽引傳動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過專用平臺將仿真模型下載到Dspace仿真器，實時模擬牽引傳動系統(tǒng)。Dspace實時仿真器、IO操作面板、TCU和接口轉(zhuǎn)換箱共同組成牽引傳動系統(tǒng)實時仿真平臺的基礎(chǔ)架構(gòu)；（2）為了模擬CRH3牽引傳動系統(tǒng)響應(yīng)司機指令的過程，通過LabView建立MVB仿真環(huán)境控制界面實現(xiàn)在牽引傳動系統(tǒng)實時仿真平臺中加入CCU的模擬，其通過MVB網(wǎng)絡(luò)與TCU進行數(shù)據(jù)的交換；（3）利用該實時仿真平臺，對CRH3車載TCU進行了仿真測試和程序開發(fā)。

2.2 CRH3牽引系統(tǒng)半實物仿真平臺的組成

（1）LabView搭建的網(wǎng)絡(luò)信號界面；（2）Dspace仿真平臺；（3）工控機模擬CCU，MVB板卡LabView軟件，安裝有TCU的上位機軟件Monitor，可用于對TCU進行實時監(jiān)控和故障診斷；（4）牽引控制單元TCU；（5）接口箱；（6）實時仿真上位機。

3 仿真平臺的設(shè)計

3.1 接口箱的設(shè)計

牽引仿真系統(tǒng)接口箱主要完成仿真軟硬件Dspace與車用牽引控制單元TCU的信號轉(zhuǎn)換。接口箱由三部分組成：IO操作面板、后面板和信號調(diào)理板。IO操作面板主要實現(xiàn)牽引電機冷卻裝置相關(guān)溫度及壓力傳感器的電信號的模擬，其中冷卻系統(tǒng)溫度包括冷卻裝置入口溫度、冷卻裝置出口溫度、過濾器溫度、水冷內(nèi)部溫度、變流器溫度和各個電機軸溫、MUB電阻的溫度。

完成對牽引控制單元工作模式及識別的模擬，完成與牽引控制相關(guān)如供電狀態(tài)、主斷狀況重要信息的顯示，IO面板安裝部分開關(guān)、滑動變阻器和指示燈。中間轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)TCU信號和Dspace仿真信號之間信號調(diào)理轉(zhuǎn)換。后面板主要用于出線，調(diào)理后信號走向處理。圖1為信號傳遞及調(diào)理的示意圖：

TCU與接口箱的接口設(shè)計以及接口箱與Dsapce的接口設(shè)計，通過中間的電路板的電壓轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)從TCU的輸出信號到Dsapce的輸入信號的轉(zhuǎn)換和從Dsapce的開關(guān)信號和轉(zhuǎn)速信號電壓電流信號到TCU的輸入的轉(zhuǎn)換。

3.2 牽引傳動系統(tǒng)的仿真設(shè)計

CRH3牽引傳動系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，各子傳動系統(tǒng)及中央控制系統(tǒng)之間利用MVB網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換。牽引傳動系統(tǒng)由受電弓、牽引變壓器、四象限變流器、中間直流回路、PWM逆變器、牽引電機和變速箱組成。受電弓將接觸網(wǎng)的25kV單相工頻交流電輸送給牽引變壓器，經(jīng)變壓器降壓后的單相交流電供給2個四象限變流器，四象限變流器將單相交流電變換為直流電，經(jīng)中間直流回路輸送給PWM逆變器，PWM逆變器將直流電變換成幅值和頻率均可控的三相交流電，為三相異步牽引電機供電。牽引電機軸輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過變速箱內(nèi)的齒輪傳遞給車軸，轉(zhuǎn)換成輪緣牽引力和車輛速度。

在仿真軟件Matlab/Simulink環(huán)境下搭建CRH3動車組牽引系統(tǒng)的仿真模型。模型具體參數(shù)設(shè)置依照CRH3型動車組原型以及實車試驗參數(shù)：牽引電動機的額定電壓：2750V；額定電流：135A；額定功率：560kW；額定轉(zhuǎn)速：4100轉(zhuǎn)/分；極對數(shù)：2對；轉(zhuǎn)動慣量：J=100。

仿真模型使用Simulink建立完成后，通過RTI實現(xiàn)并下載到實時Dspace仿真器中，余下的工作就由ControlDesk來完成。ControlDesk將對實驗過程進行綜合管理。

Dspace仿真器的主要輸入為IGBT的脈沖及開關(guān)控制信號，主要輸出為牽引電機的電壓、電流和速度信號。為了縮小仿真計算周期，Dspace仿真器選用雙處理器（CPU）配置并行計算。為了減少2個CPU之間數(shù)據(jù)的交換，對模型進行了合理的分配，主CPU用于牽引變壓器和四象限變流器模型的計算，從CPU用于中間直流回路、PWM逆變器和牽引電機模型的計算。2個CPU僅交換直流端電壓和電流等數(shù)據(jù)。

ControlDesk部分監(jiān)控界面，它顯示了仿真的基本信息：仿真步長，計算周期，仿真時間和采樣頻率的設(shè)置；另外還設(shè)置了輸入窗口，分別用于輸入“VCB手動啟動”信號，可實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時手動調(diào)節(jié)；其他主要包含虛擬示波器，用于對關(guān)注數(shù)據(jù)進行觀測。

3.3 網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)的設(shè)計

TCU是牽引傳動系統(tǒng)的控制單元，可從MVB網(wǎng)絡(luò)獲取司控臺發(fā)出的控制指令，也可通過MVB網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給CCU的相關(guān)牽引狀態(tài)數(shù)據(jù)；CCU通過采集牽引傳動系統(tǒng)的電壓、電流、溫度和斷路器狀態(tài)等信息，并集合CCU網(wǎng)絡(luò)指令控制牽引傳動系統(tǒng)部件，完成牽引/制動管理、速度管理、安全監(jiān)測和故障診斷等功能。虛擬MVB網(wǎng)絡(luò)由一臺裝有MVB網(wǎng)卡的PC機來完成，利用圖形化編程工具LabView編寫CRH3牽引系統(tǒng)MVB環(huán)境仿真程序，模擬列車控制器與TCU之間的通信。

在裝有MVB板卡的工控機上安裝OPC Server，并通過OPC Server將網(wǎng)絡(luò)配置工具生成的需要給TCU發(fā)送的MVB數(shù)據(jù)及將MVB板卡作為MVB網(wǎng)絡(luò)總線主的文件配置給MVB板卡。通過OPC服務(wù)器與LabView軟件連接。搭建出司控臺控制指令輸入界面、狀態(tài)顯示輸出界面、參數(shù)設(shè)置界面、溫度設(shè)置界面等。

PC機上基于LabView構(gòu)建了虛擬司控臺界面，當(dāng)對司控臺的輸入界面進行操縱時，例如牽引、制動指令和牽引、制動設(shè)定值的修改，可通過MVB網(wǎng)絡(luò)傳給TCU；同時，TCU中的車速、電壓、電流數(shù)據(jù)通過MVB網(wǎng)絡(luò)傳遞給司控臺并顯示。

工控機中安裝TCU的上位機軟件，用于對TCU進行實時監(jiān)控和故障診斷。

4 平臺仿真結(jié)果

牽引系統(tǒng)半實物仿真平臺的仿真結(jié)果圖3是中間環(huán)節(jié)電壓的電壓曲線，牽引工況和制動工況的完整曲線。列車上電后，經(jīng)過預(yù)充電接觸器閉合后，支撐電容進行預(yù)充電，主接觸器閉合，充電繼續(xù)，直到中間直流電壓上升并維持在2600～2700V，CCU發(fā)出牽引指令，列車加速電壓上升到3400V，列車運行速度為300km/h，此時發(fā)出制動指令，電壓短暫上升后開始。圖4為牽引特性曲線。

5 結(jié)語

通過仿真示波器顯示出的牽引特性曲線與給定的牽引特性曲線基本一致，牽引和制動工況下的四象限變流器和牽引電機的電壓和電流也滿足牽引和制動控制的要求，所以牽引系統(tǒng)半實物實時仿真平臺能夠?qū)恳刂破鬈囕d程序進行測試，平臺中的虛擬牽引傳動系統(tǒng)能夠替代實際傳動系統(tǒng)用于動車組牽引控制器的研究及測試以及TCU程序的開發(fā)設(shè)計。利用該牽引傳動系統(tǒng)仿真平臺，進行了牽引系統(tǒng)的故障模擬，能夠為解決實車的常見故障提供快速的方法和經(jīng)驗。

參考文獻

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作者簡介：宋君君（1986-），女，河北唐山人，供職于唐山軌道客車有限責(zé)任公司，研究方向：動車組牽引傳動

系統(tǒng)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）