謝亮

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350）

朔黃鐵路電力機(jī)車自動過分相裝置優(yōu)化研究

謝亮

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350）

研究基于神華8軸交流傳動電力機(jī)車過分相裝置的設(shè)計(jì)原理，根據(jù)朔黃鐵路線路特點(diǎn)和交流電力機(jī)車過分相技術(shù)的應(yīng)用需求，形成一套優(yōu)化的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，并對改進(jìn)后的裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)，結(jié)合朔黃鐵路自動過分相的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，解決分相邏輯算法優(yōu)化、誤差消除及分相狀態(tài)顯示等問題，并試驗(yàn)驗(yàn)證分相動作的有效性和平穩(wěn)性。該裝置經(jīng)過運(yùn)用考核，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

朔黃鐵路；電力機(jī)車；自動過分相；算法優(yōu)化；誤差消除

0 引言

朔黃鐵路是我國重要的貨運(yùn)重載電氣化鐵路，交流傳動電力機(jī)車和直流電力機(jī)車在朔黃鐵路均被廣泛使用。作為提高電力機(jī)車運(yùn)用效率的一項(xiàng)重要手段，自動過分相技術(shù)在朔黃鐵路也被充分重視。朔黃鐵路接觸網(wǎng)采用自耦變壓器牽引供電方式，每隔20～25 km就有一個(gè)電分相。全線上下行分別有27處絕緣分相區(qū)，均設(shè)置在車站進(jìn)/出站口處，坡道較小。但由于朔黃鐵路列車換長達(dá)79.2 m，小編組列車實(shí)際長度接近900 m，萬噸編組列車長度超過1 400 m，2萬t編組長度近2 000 m。當(dāng)重載長大編組列車運(yùn)行在坡道較大區(qū)段，惰力運(yùn)行通過絕緣分相區(qū)時(shí)仍有較大速度變化，動力損失大，人為手動過分相成功率降低，存在較大的安全隱患。

基于前期調(diào)研分析和研究成果，朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司提出了研制新型機(jī)車自動過分相裝置的需求，改變傳統(tǒng)過分相控制方式，取消地面感應(yīng)及接觸網(wǎng)射頻裝置，主要采用機(jī)車信息及邏輯算法達(dá)到機(jī)車過分相的控制，以提高設(shè)備的可靠性，并簡化維護(hù)程序，同時(shí)預(yù)留與第三方總線接口設(shè)備通信接口能力，實(shí)時(shí)反饋設(shè)備狀態(tài)。

1 自動過分相裝置的控制策略

朔黃鐵路屬于線路條件復(fù)雜、氣候條件比較惡劣、運(yùn)輸任務(wù)繁忙的鐵路運(yùn)輸線，其運(yùn)輸具有列車編組長、牽引質(zhì)量大、線路坡度較大、曲線半徑小的特點(diǎn)。因此過分相裝置的工作模式要充分考慮這些因素，對于自動分相控制模式采取以下控制策略[1-2]：

（1）新型自動過分相要適用于SS4B、SS4改和交流傳動電力機(jī)車。

（2）裝置硬件設(shè)計(jì)采用嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，利用先進(jìn)的DSP處理器進(jìn)行高速計(jì)算，保證控制的實(shí)時(shí)性。設(shè)備之間具備網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信和共享。

（3）朔黃鐵路電力機(jī)車自動過分相裝置應(yīng)滿足20～80 km/h的速度變化。

（4）利用自動分相軟件對機(jī)車電流的控制算法，實(shí)現(xiàn)重載列車在過絕緣分相區(qū)時(shí)，機(jī)車電機(jī)電流的降/升速率和特性變化趨于平滑，保持列車平穩(wěn)運(yùn)行，盡量減少車鉤沖撞[3]。

（5）能夠?qū)崿F(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的自動糾錯(cuò)，消除采集累計(jì)誤差，提高過分相動作的距離精度控制水平[4]。

2 總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，功能模塊由處理、通信、輸入輸出、LED卡顯示4部分構(gòu)成，在結(jié)構(gòu)形式上組成一個(gè)3U的智能模塊單元，同時(shí)加上速度傳感器及電氣線路等附加部分，完成一整套系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)裝置應(yīng)用、設(shè)計(jì)需求，考慮設(shè)備經(jīng)RS485接口[5]與監(jiān)控系統(tǒng)中的TAX機(jī)箱進(jìn)行通信[6]，通過采集機(jī)車網(wǎng)壓、速度、機(jī)車邏輯信號、監(jiān)控信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，輸出分相預(yù)告信號、分相強(qiáng)迫信號、分相恢復(fù)（已過）信號，控制機(jī)車的過分相動作。為保證系統(tǒng)可靠性，同時(shí)對輸出的信號進(jìn)行反饋?zhàn)詸z，進(jìn)行相關(guān)故障判斷。系統(tǒng)正常時(shí)輸出OK信號。

新型自動過分相裝置借鑒網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)思路，將機(jī)車兩端的設(shè)備通過機(jī)車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)互通，自動分相采集數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)共享[7]，整體設(shè)計(jì)方案見圖1。

圖1 機(jī)車自動過分相裝置整體設(shè)計(jì)方案

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 MCU和邏輯器件

MCU選擇Microchip的dsPIC30f6010A芯片作為控制器設(shè)計(jì)控制板，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主處理硬件電路以及相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，并對通信中斷的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

dsPIC30f6010A芯片不但抗干擾性和可靠性能夠滿足數(shù)據(jù)采集器在各種環(huán)境下運(yùn)行的要求，而且可以提升系統(tǒng)的靈活性，縮短開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)成本。芯片主要完成AD信號采集、測速、IO信號輸入輸出、串口UART通信、CAN通信等功能。

為了更精確地采集速度信號，設(shè)計(jì)對外部脈沖信號進(jìn)行濾波處理，通過光電編碼器檢測轉(zhuǎn)速，采集到脈沖量后，經(jīng)過差分芯片、濾波處理、施密特觸發(fā)器整形，送到單片機(jī)的增量編碼器接口，編碼器通過dsPIC30f6010A芯片進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，同時(shí)負(fù)責(zé)檢測旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)的位置和速度。

3.2 電源

電源使用微機(jī)柜內(nèi)的+5 V和±15 V電源，上下機(jī)箱只要有1個(gè)工作就能給主板提供電源。通過單向二極管對輸出電源進(jìn)行逆向保護(hù)設(shè)計(jì)，防止電源反向輸出。+5 V電源電流≤100 mA，±15 V電流≤200 mA。

3.3 CAN通信

CAN通信直接與LKJ2000型監(jiān)控裝置連接，考慮布線走機(jī)車線道，電磁干擾較重。采用鎧裝雙絞屏蔽型電纜ASTP-120 Ω（for RS485 amp; CAN）one pair 18 AWG ，增加機(jī)械強(qiáng)度和抗嚴(yán)重干擾能力。CAN通信采用監(jiān)控CAN通信協(xié)議：遵守CAN2.0B通信協(xié)議，速率500 kb/s，采用11位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式，一次傳輸8個(gè)字節(jié)，8位優(yōu)先級+3位地址符。由于LKJ2000型監(jiān)控由2路CAN并行傳輸數(shù)據(jù)，即使有1路出現(xiàn)問題也不會影響監(jiān)控裝置的正常工作。

CAN的驅(qū)動采用ZLG的CTM8251D模塊，具有電源隔離和信號隔離的功能，最大速率1 Mb/s。電路還設(shè)置限流電阻、上拉電阻、下拉電阻、匹配電阻，供現(xiàn)場測試使用。CAN模塊經(jīng)過CPLD的線路切換后與2片MCU的CAN口連接。

4 軟件設(shè)計(jì)

自動過分相裝置的軟件設(shè)計(jì)主要包括3部分：

（1）LCU軟件設(shè)計(jì)：LCU是機(jī)車邏輯控制單元，其主要功能是完成機(jī)車整體電氣信號的邏輯控制，以及數(shù)據(jù)優(yōu)化補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)。

（2）通信及數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)：通過通信接口與機(jī)車數(shù)據(jù)信息設(shè)備進(jìn)行通信，采集到自動過分相控制需要的機(jī)車數(shù)據(jù)。

（3）MCU數(shù)據(jù)計(jì)算軟件設(shè)計(jì)：做為自動分相控制軟件的核心，這部分軟件進(jìn)行自動過分相數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，并最終驅(qū)動IO接口輸出過分相指令，實(shí)現(xiàn)對分相動作的控制。

4.1 基于RS485數(shù)據(jù)傳輸軟件

原LCU1與LCU2之間采用RS485通信，波特率28.8 kb/s，采用CRC-16校驗(yàn)（1 021碼）累加和校驗(yàn)，主程序每循環(huán)26次LCU1與LCU2通信一次，如果800 ms沒有接收到有效數(shù)據(jù)則停止所有輸出，并進(jìn)行MCU切換。由于機(jī)車干擾嚴(yán)重，RS485通信工作不穩(wěn)定，存在輸出信號間斷現(xiàn)象，造成微機(jī)柜間斷封鎖脈沖和接觸器、繼電器抖動等。

對RS485做如下修改：波特率由28.8 kb/s改為19.2 kb/s，主程序每循環(huán)10次LCU1與LCU2通信一次，通信監(jiān)視周期由800 ms改為1 600 ms。

4.2 過分相機(jī)車邏輯控制程序

4.2.1 主邏輯程序

過分相機(jī)車控制邏輯按過分相的順序分以下4方面：

（1）分相點(diǎn)預(yù)告：分相點(diǎn)前60 s預(yù)告，司機(jī)臺指示燈慢閃。

（2）分相點(diǎn)接近：輸出【零位信號】到微機(jī)柜封鎖整流柜脈沖。斷輔機(jī)通風(fēng)機(jī)和線路接觸器，防止操作過電壓。

（3）過分相斷主斷：輸出斷主斷信號【2節(jié)機(jī)車LCU輸出】。

（4）過分相后：閉合主斷【2節(jié)機(jī)車LCU輸出】、起動輔助機(jī)組，取消封鎖脈沖。

4.2.2 自檢程序

主程序主要完成系統(tǒng)及其外設(shè)的初始化和變量初始化。系統(tǒng)初始化主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、IO口初始化、AD采樣模塊初始化、通信初始化和各中斷模塊初始化等。變量初始化主要是對系統(tǒng)中變量和各調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行初始化賦值。完成初始化工作后，主程序不斷在死循環(huán)中運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)有中斷請求時(shí)，則去執(zhí)行中斷程序。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，進(jìn)入故障處理程序，預(yù)先設(shè)置好的看門狗對芯片進(jìn)行軟復(fù)位。

4.2.3 任務(wù)中斷分配

由于IO輸出實(shí)時(shí)性要求最高，故將IO中斷設(shè)為使用到的最高6級，而數(shù)據(jù)存儲上傳實(shí)時(shí)性要求最低，故設(shè)為使用到的最低2級。通過合理設(shè)置不同中斷的優(yōu)先級，可使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳。各中斷的功能、優(yōu)先級見表1。

表1 各個(gè)中斷的功能、優(yōu)先級

通過優(yōu)化MCU系統(tǒng)資源分配的等級，重新定義資源分配后，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到較大提高，芯片功耗得到很好的控制。解決中斷優(yōu)先級問題，使系統(tǒng)響應(yīng)更快更合理。

4.3 數(shù)據(jù)優(yōu)化算法

4.3.1 優(yōu)化補(bǔ)償算法

速度信號數(shù)據(jù)是自動過分相的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，優(yōu)化算法引入了全車8軸的綜合速度判斷。由于機(jī)車在原本設(shè)計(jì)中沒有重聯(lián)通信功能，導(dǎo)致機(jī)車只能獲取單節(jié)4個(gè)軸的速度，通過自動過分相的重聯(lián)功能，將全車8個(gè)軸的速度進(jìn)行綜合計(jì)算，可以去除由于個(gè)別軸空轉(zhuǎn)滑行引起的速度偏差，得到的綜合速度可作為基準(zhǔn)速度使用。當(dāng)?shù)玫骄C合速度后，與監(jiān)控中的監(jiān)控速度進(jìn)行對比，當(dāng)監(jiān)控速度發(fā)生異常跳變時(shí)，就采用全車綜合基準(zhǔn)速度進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)利用得到的有效速度，可以同步預(yù)先計(jì)算出下一時(shí)間段的公里標(biāo)變化數(shù)值，當(dāng)監(jiān)控公里標(biāo)發(fā)生突變或停止時(shí)，即可用同步計(jì)算的公里標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得到有效公里標(biāo)。優(yōu)化算法邏輯示意見圖2。

圖2 優(yōu)化算法邏輯示意圖

4.3.2 PI調(diào)節(jié)子程序

該裝置有1個(gè)轉(zhuǎn)速環(huán)，其運(yùn)算核心是比例和積分（PI）調(diào)節(jié)器，該調(diào)解器用于消除累計(jì)計(jì)算中的偏差。采用位置式PI調(diào)節(jié)器，其計(jì)算結(jié)果是輸出的絕對數(shù)值，每次輸出和整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，在計(jì)算過程中需要累計(jì)過去所有偏差值。

4.3.3 測速子程序

系統(tǒng)采用增量式光電速度傳感器，利用數(shù)字測速方法計(jì)算系統(tǒng)實(shí)際轉(zhuǎn)速。目前常用的數(shù)字測速方法有M法、T法和M/T法[8]。其中M/T法綜合了M法和T法的優(yōu)點(diǎn)，無論在高速還是低速時(shí)都有較強(qiáng)的分辨率，所以采用M/T法計(jì)算電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

測速軟件基本思路為：每隔一段時(shí)間（由周期中斷控制捕捉中斷開通時(shí)間）捕捉一次計(jì)數(shù)器的值，然后與前一次捕捉的值比較，計(jì)算出實(shí)際2次捕捉間隔的M1、M2，這樣就能計(jì)算出電動機(jī)轉(zhuǎn)速。為了在該測速周期內(nèi)避免因A相脈沖上沿引起的重復(fù)進(jìn)入捕捉中斷，每次進(jìn)入捕捉中斷后必須關(guān)閉捕捉功能，待再次進(jìn)入周期中斷時(shí)再開通捕捉中斷。以此循環(huán)往復(fù)不停測速。

測速程序流程見圖3。測速程序由捕捉中斷子程序和周期中斷子程序2部分組成。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，有可能在1個(gè)測速周期內(nèi)都檢測不到碼盤脈沖，這時(shí)就需要延長測速時(shí)間。當(dāng)連續(xù)10個(gè)測速周期內(nèi)都沒有檢測到碼盤脈沖（未進(jìn)入捕捉中斷）時(shí)，認(rèn)為電動機(jī)轉(zhuǎn)速為0 r/min。

通過將優(yōu)化算法植入自動分相程序中，解決了應(yīng)用中出現(xiàn)的由于TAX數(shù)據(jù)不穩(wěn)定導(dǎo)致的分相點(diǎn)丟失或由于長時(shí)間累計(jì)誤差產(chǎn)生的誤動作問題[9]，在實(shí)際應(yīng)用中大大提高了產(chǎn)品的可靠性，改善了列車運(yùn)行品質(zhì)。

圖3 測速程序流程

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)際應(yīng)用中，朔黃鐵路直流機(jī)車通常采用“1+1”重聯(lián)編組模式運(yùn)行，其中中部機(jī)車的沖擊最為明顯，所以試驗(yàn)主要對中部機(jī)車自動過分相時(shí)的平穩(wěn)性數(shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)考察，同時(shí)也驗(yàn)證自動過分相實(shí)際動作的有效性。通過數(shù)據(jù)分析軟件，對采集到的數(shù)據(jù)得到以下試驗(yàn)結(jié)論：

（1）機(jī)車在啟車時(shí)，由于受到前后車輛的影響，牽引力發(fā)揮受到影響，尤其在上坡道啟動時(shí)，速度會經(jīng)過一個(gè)振蕩后，待黏著充分發(fā)揮出來后達(dá)到穩(wěn)定。低速過分相時(shí)，速度在區(qū)間惰性時(shí)有緩慢降低，通過分相區(qū)域時(shí)沒有明顯的速度沖動變化，整個(gè)過程較為平穩(wěn)。

（2）區(qū)間運(yùn)行平穩(wěn)，速度保持穩(wěn)定后，由于前后車鉤力相對平均，在加速或減速的工況下，均可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)駕駛。

（3）當(dāng)工況達(dá)到較高速度時(shí)，過分相區(qū)間內(nèi)的速度變化也較為平穩(wěn)，其平穩(wěn)性表現(xiàn)和低速狀態(tài)較為一致。試驗(yàn)記錄波形見圖4。

根據(jù)靜態(tài)測試和動態(tài)線路測試，該裝置對功能優(yōu)化的驗(yàn)證結(jié)果符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果見表2。

6 結(jié)束語

圖4 試驗(yàn)記錄波形

表2 試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果

對新型自動過分相裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，其滿足SS4B型直流機(jī)車和神華8軸交流機(jī)車的不同應(yīng)用，且滿足鐵路標(biāo)準(zhǔn)要求。通過邏輯控制及算法優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了動作平穩(wěn)，級位控制平穩(wěn)，電流控制適當(dāng)，速度損失小。從試驗(yàn)效果看，在過分相過程中，機(jī)車沖擊小，實(shí)用性強(qiáng)，降低了司乘人員勞動強(qiáng)度，減少了司機(jī)在分相前操作的緊張焦慮。該裝置具有較強(qiáng)的可拓展性，通信接口豐富，便于軟件升級和拓展，且構(gòu)造簡單，易更新、易維護(hù)。

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Optimization Study of Device for Automatically Passing Through Neutral Section for Electrified Locomotive on Shuohuang Railway

XIE Liang
（Shuohuang Railway Development Limited Liability Corporation，Suning Hebei 062350，China）

The study looks into the design of neutral-section passing device for Shenhua AC-drive eight-axle electrified locomotive, as well as the features of Shuohuang Railway and the neutral-section passing technology for AC-drive electrified locomotive. On this basis, it puts into place an optimized design for both the hardware and the software with the upgraded device then tested for verification. At the same time, the paper integrates the best practice for the technology of automatically passing through neutral section into the resolving of challenges like the optimization of logical algorithm for neutral section, error elimination and the status display of neutral section. The paper then tests the device for efficiency and smoothness in the passing of neutral section. The device has been fully-tested and well-veri fi ed with all indicators meeting the design requirements.

Shuohuang Railway；electrified locomotive；automatically passing through neutral section；calculation optimization；error elimination

U264

A

1001-683X（2017）08-0073-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.08.073

謝亮（1983—），男，工程師，碩士。E-mail：xieliang04@qq.com

責(zé)任編輯 盧敏

2017-06-11