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        中繼閥試驗臺硬件控制板的設(shè)計與應(yīng)用

        2022-12-21 08:23:56朱雨恒朱菊香權(quán)海洋
        電子制作 2022年23期
        關(guān)鍵詞:信號設(shè)計

        朱雨恒,朱菊香,權(quán)海洋

        (1.南京信息工程大學(xué) 自動化學(xué)院,江蘇南京,210044 ;2.無錫學(xué)院 軌道交通學(xué)院,江蘇無錫,214105)

        0 引言

        城市軌道交通作為我國綜合交通體系的重要組成部分,對人們的出行、完善運輸體系有著至關(guān)重要的作用。隨著國內(nèi)軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展,隨之而來的就是逐年升高的發(fā)車密度與軌道車輛安全性能的不斷要求。因此,對于與行車安全密切相關(guān)的制動系統(tǒng)就有了更高的要求[1]。

        中繼閥作為制動系統(tǒng)內(nèi)部重要的一環(huán),它是實現(xiàn)電空轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵[2]。我國的軌道車輛性能測試技術(shù)相對于國外起步較晚。目前,國內(nèi)對中繼閥的測試研發(fā)一般還停留在人工測試或者半自動化測試。1982 年鐵道部科技局在沈陽機車車輛段配件工廠就JZ-7 型機車制動機試驗臺進行了技術(shù)鑒定,并認定可以推廣使用,這是我國首次有了專業(yè)的檢測裝置臺[4]。近些年,國內(nèi)學(xué)者對中繼閥的研究也有了不斷地深入。王學(xué)影、陳勇飛等人通過 PCI-1711 采集板卡和Labview 軟件設(shè)計出的性能 檢測系統(tǒng),實現(xiàn)了中繼閥的性能測試[5]。巨子琪、王樂等人針對傳統(tǒng)制動閥進行了進一步的改進,將人工的手動閥控制改為電磁閥控制,優(yōu)化后可以使試驗臺的控制變得更加靈活[6]。

        本文針對于中繼閥檢測的嚴格要求,為了簡化測試要求,設(shè)計并驗證了中繼閥自動化檢測控制板與測試系統(tǒng),將信號采集,控制命令,數(shù)據(jù)處理相融合,簡化了中繼閥測試流程的復(fù)雜性。

        1 中繼閥控制板卡組成

        ■1.1 控制板總體框圖

        中繼閥制動系統(tǒng)的控制板總體設(shè)計框圖如圖1 所示。

        板卡由傳感器信號采集、信號處理、USB 通信接口、DAC 模擬信號輸出、多路繼電器控制、雙路PWΜ 脈寬調(diào)制輸出、電源供電模塊以及雙控制器核心電路組成。傳感器信號采集處理模塊主要用來對中繼閥試驗臺上面的6 路傳感器信號進行采集處理量化編碼;USB 串口通信模塊用來完成板卡與其它設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸[7];DAC 模擬輸出模塊用來模擬輸出1~5V 的控制電壓從而控制試驗臺比例閥的壓力值;多路繼電器模塊用來控制試驗臺所需要的電磁閥的開閉;雙路PWΜ 脈寬調(diào)制模塊用來控制PWΜ 型電磁閥的關(guān)斷量;電源用來對整個系統(tǒng)進行供電;核心控制電路由用來協(xié)調(diào)各個模塊的運行,輸出所需要的控制命令信號。

        ■1.2 傳感器信號采集電路

        本模塊是用來對壓力傳感器模塊的輸出信號進行采集轉(zhuǎn)換,所采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為AD7606,支持8 路信號的采集,對儀表放大器的輸出電壓進行轉(zhuǎn)換,輸入輸出特性如下所示:

        式中:Vout表示儀表放大器輸出的電壓信號,UADC表示ADC 的參考電壓,位數(shù)為N,測量量為D1。

        設(shè)計模塊擁有完善的集成的數(shù)據(jù)采集解決方案,并且防止電路輸入出錯,內(nèi)部提供了模擬輸入鉗位保護,輸入內(nèi)部鉗位,使芯片最大能耐受采樣信號電平為±16.5V,其內(nèi)部具有抗混疊模擬濾波器,可有效濾除干擾信號,可采用單電源的工作方式且無需驅(qū)動運算放大器和外部雙極性電源,通過數(shù)字濾波器提供采樣功能,具體的接口模式可通過引腳來

        表1 接口模式選擇

        在如圖2 所示的電路圖中,串行選擇時只焊接R9 電阻即可,反之只焊接R3 電阻。即將芯片上的PAR#引腳和GND 相連時為并行輸出,可通過內(nèi)部選通CS#和RD#輸入信號。當需要選擇串行工作模式時,則需將此引腳和高電平相連,然后通過CS#和SCLK 輸入信號。該模塊可選擇是否使用芯片內(nèi)部的基準電壓,在本設(shè)計中將REF SELECT引腳接高電平即表示使用AD7606 芯片內(nèi)部基準電壓。

        圖2 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

        經(jīng)過初步采集轉(zhuǎn)換之后壓力傳感器輸出的信號一般都很微弱,同時由于集成電路的設(shè)計以及對外部環(huán)境都會形成一定的干擾信號,其輸出信息也很易受到噪音影響,也因此使得在集成電路中會形成混疊現(xiàn)象,故需要對信號進行增強。所以本設(shè)計中在其信號輸入的部分進行了二階RC 低通濾波設(shè)計,RC 低通濾波電路是開關(guān)電源中常見的濾波電路,本設(shè)計中的RC 濾波電路是使輸入的高頻信號進行衰減,從而保證低頻信號能夠穩(wěn)定的通過,二階RC 低通濾波電路相對于比一階信號濾波器電路來說,它對同頻帶的高頻信號有著更良好的抑制能力和過濾效率。它工作的截止頻率與一階RC 低通濾波電路的工作截止頻率一樣高,其工作截止頻率的計算公式如下所示:

        通過此A/D 轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計可以有效的為單片機提供壓力信息,從而實現(xiàn)對采集信號的進一步處理。

        ■1.3 比例閥、電磁閥控制電路

        設(shè)計需要控制10 路繼電器的開關(guān),用來對制動系統(tǒng)中的多路開關(guān)型電磁閥進行控制,在設(shè)計中加入雙向光耦隔離,經(jīng)打板驗證可以支持高低電平觸發(fā)方式,采用ULN2803 作為驅(qū)動芯片,相比與一個三極管的電流放大倍數(shù)大了很多,提高了電流驅(qū)動能力,其中一路控制模塊如圖3 所示。

        圖3 電磁閥驅(qū)動模塊

        對比例閥的控制中,該模塊設(shè)計用于傳遞轉(zhuǎn)換單片機的輸出指令信號,從而模擬制動命令,設(shè)計主要采用了DAC7512 芯片,使其能夠輸出0~5V 的電壓,需給其提供5V 基準電壓,在測試過程中基準電壓芯片往往會略低于5V,故本設(shè)計直接替換為78L05 提供基準電壓,經(jīng)最后測試整體模塊輸出可達5V,其控制電路如圖4 所示。

        圖4 比例閥驅(qū)動模塊

        ■1.4 主控電路

        主控電路由兩塊控制芯片組成,控制板卡 STΜ32F429完成對系統(tǒng)中多 路電磁閥控制以及控制 DAC8552 輸出 0~5V 電壓完成對 SΜC 電氣比例閥控制。采集 板卡STΜ32F407 通過 ADI 公司的多通道采集芯片 AD7606,將6 路 1~5V 壓力傳感器輸出的壓力數(shù)據(jù)發(fā)送給控制板卡,保障了系統(tǒng)實時性。 此外,采集板卡在系統(tǒng)中需要計算不同測試 階段各個壓力氣缸達到氣壓穩(wěn)定所需要的 時間以及通過指示燈表征系統(tǒng)正常運行和異常運行狀態(tài)。雙控制器之間使用CAN 總線協(xié)議完成信息交互,確保信息傳輸過程中不發(fā)生丟包丟幀現(xiàn)象。

        圖5 脈寬調(diào)制模塊

        ■1.5 PWM 型電磁閥驅(qū)動設(shè)計

        采用快速關(guān)斷ΜOS 管進行電磁閥脈寬的輸出控制,通過一個三極管以及光耦隔離從而驅(qū)動ΜOS 管對應(yīng)的導(dǎo)通程度,從而控制電路的輸出電壓進一步控制PWΜ 型電磁閥的開閉大小。

        2 測試流程設(shè)計

        試驗臺的測試系統(tǒng)軟件設(shè)計平臺使用的是Keil5,系統(tǒng)測試的流程如圖6 所示。在試驗臺電氣連接成功之后開啟空壓機給試驗臺供氣,再分別選擇所需要進行的性能測試實驗,對對應(yīng)的電磁閥、比例閥進行開關(guān)或者脈寬調(diào)節(jié)控制,在完成一個測試實驗之后記錄實驗結(jié)果并切換到下一個實驗。

        圖6 氣壓監(jiān)測流程圖

        3 測試與驗證結(jié)果分析

        借助于中繼閥機械部件的搭配,結(jié)合所設(shè)計的控制板進行測試驗證,設(shè)計的控制板可以達到測試所需的自動化檢測要求,滿足整體試驗臺的性能指標,其控制板如圖7 所示。

        圖7 控制板實物圖

        ■3.1 常規(guī)制動測試

        通過控制命令使試驗臺上面的緊急制動閥,然后SV、RV 閥依次得電,記錄得電后BC 壓力傳感器數(shù)據(jù)從0 上升到590kPa 的時間,數(shù)據(jù)記錄如表2 所示。

        表2 常規(guī)制動記錄表

        ■3.2 緊急制動測試

        通過控制命令使試驗臺上面的緊急制動閥,然后SV、RV 閥依次失電,記錄得電后BC 壓力傳感器數(shù)據(jù)從0 上升到590kPa 的時間,數(shù)據(jù)記錄如表3 所示。

        表3 緊急制動記錄表

        4 結(jié)論

        本文以ARΜ 控制器為控制核心,以中繼閥機械試驗臺為平臺,通過一系列的實驗與論證。結(jié)果表明控制板的設(shè)計有效融合了試驗臺的控制需求,具有結(jié)構(gòu)簡單合理,性能可靠等優(yōu)點。多通道采集辦卡配合高精度壓力傳感器以及雙控制器的設(shè)計改變了試驗臺的手動操作,大大降低了對實驗人員的操作要求,實現(xiàn)了對中繼閥實驗平臺的自動化性能檢測。在軌道交通的領(lǐng)域中有一定的參考價值。

        雖然本設(shè)計實現(xiàn)了中繼閥自動化測試試驗臺控制板的設(shè)計,但由于技術(shù)知識水平的局限性,所設(shè)計的控制板的集成度還不夠高,下一步考慮將最小系統(tǒng)板去除,直接將控制芯片設(shè)計在底板上面,去除插件模塊,以及對數(shù)據(jù)處理的軟件算法進行進一步改進。

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