交流传动试验台测试系统的设计与实现

2013-11-27刘宗祝

铁道机车车辆 2013年1期

赵震，李伟，王渊，刘宗祝

（1 中国铁道科学研究院机车车辆研究所，北京100081；2 唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035）

1 交流传动试验台概况

交流传动试验台是一个可进行交流传动系统联调试验的试验平台，试验的最高速度可达500km／h（轮径875mm，传动比2.01）。试验室能够提供单相AC 25 kV／50Hz，DC 1 500V，DC 750V 等电源，容量最大4 000kVA，试验系统技术水平达到国际先进水平。通过该试验平台可按照IEC61377、IEC61287、IEC60349等国际标准进行与牵引变流器、牵引电机相关的型式试验和研究性试验，同时可进行与牵引控制相关的研究和开发。通过系统的灵活组合还可以对大功率机车及城轨车辆的牵引系统进行地面系统联调试验。试验台主回路电路原理图如图1所示。

图1 试验台主回路电路原理图

2 测试系统特点及需求分析

测试系统作为交流牵引试验系统的组成部分，其主要作用为监测系统的运行状态，采集、显示、分析和保存系统运行时的关键数据，为对目标系统和设备的检验、检测和控制研究提供可靠的数据保障。

由于试验台的测试对象涵盖了高速动车组、大功率机车以及城轨车辆等多种类型的牵引系统，而不同的被测对象，其参数的特点、类型及范围是不同的，如对于电机的测试来说，动车组的电机相对于机车电机，其功率小，转矩小，但转速则最高可达6 000r／min以上，而大功率机车的电机转速虽低，但其功率大，转矩也高达11 000N·m以上，这就意味着测试系统要能够同时满足“高速度、大功率”的测试要求。根据这一特点，从测试系统的角度出发，就需要测试系统的测试参量范围要涵盖所有可能的被测对象。我们对目前国内的一些主流车型和谐号高速动车组、和谐型大功率电力机车以及典型的城轨车辆进行了详细的比较分析，得出了主要参数的测试范围［1-6］。如表1和表2所示。

表1 典型被测对象（机车与动车）参数比较分析

表2 典型被测对象（城轨车辆）参数比较分析

表中强调标出了每一个测量参数有可能的最大值，据此我们就可以选出可以涵盖所有车型测量需要的传感器参数，在表中也一并列出。

3 系统硬件设计

测试系统由传感器、信号调理模块、数据采集系统等硬件组成，根据交流传动试验室设备整体分散、局部集中的特点，测试系统采用分布式设计，总体结构如图2所示。

测试系统的硬件设计，其核心工作则是数据采集设备的设计、安装与调试，在本测试系统中用了两种不同类型的数据采集系统。对于试验系统中采集频率高、数据量大、同步性要求高的相关参量，如电压、电流等均采用基于PXI总线的数据采集设备；而对于相对采集频率低、数据较小、同步性要求不高的相关参量，如温度、流量等则采用基于串口通讯的智能集成采集设备，下面分别予以介绍。

图2 测试系统结构图

3.1 基于PXI的系统设计

根据试验室现场测试条件的特点，测试系统采用以太网远程控制体系。测试系统分为主控机、分布采集机箱1、分布采集机箱2。主控机和两个分布采集机箱被设置在一个局域网内，主控机通过以太网对两台采集机箱进行控制。主控机放置在条件较好的控制室内，采用工业控制计算机。放置在测试现场的采集机箱采用2台8槽3U的PXI机箱，可以便携使用，也可放置在标准机柜中。测试系统原理框图如图3所示。两台测试机箱具有相同的硬件配置，从左至右依次放置控制器模块，8路同步采集卡，32路多功能数据采集卡。这样每一个机箱都可以采集同步的电压电流和非同步的传感器信号。8路同步采集卡PXI-6123可以实现8通道同步数据采集，与另外多块PXI-6123同时使用，可以实现更多通道数的同步采集。32路多功能采集卡PXI-6259可以用来采集无严格同步要求的各通道的数据采集。硬件配置图如图3所示。

图3 PXI硬件配置图

3.2 基于串口通讯的系统设计

测试系统中，作为分布式采集系统的一个子系统，温度巡检仪及智能采集模块分别用来测量电机、变流器、变压器等设备的温度和冷却系统的风量及流量，可以看到这些参量在实际工况下均不会出现短时突变的情况，变化率较缓，因此数据的采样频率要求并不高，100Hz以下即可满足需要。这样，即使有上百通道数据的同时采集，数据量也只有100b／s左右，串口的通讯速率完全可以满足要求，子系统结构如图4所示。

图4 基于串口通讯的采集子系统

4 系统软件设计

测试系统同时还具有界面友好、功能完备的系统控制软件。软件开发平台采用美国国家仪器公司（简称NI）的LabVIEW，它是一个业界领先的工业标准软件工具，用于开发测试、测量和控制系统［8］。

在系统软件设计中，保证测试系统的实时性是设计的关键，但我们知道系统在同一时刻需要完成多种任务，包括数据的采集、分析、保存、通讯以及显示等，而计算机是严格的串行设备，不可能真正的并行执行任务。CPU是单入口资源，任何时刻只有一个任务得到CPU的控制权，即多个任务只能互斥使用CPU。而整个CPU时间是以分片方式提交给各任务使用的，当系统处理的数据量大时，单CPU很难满足系统的实时性。为解决这一矛盾，我们将多任务分配给主动机（上位机）和PXI实时控制器（下位机）同时进行，在这种结构中，上位机运用LabVIEW提供界面，实时性要求不高的系统任务可以放在上位机中，对时间要求严格的系统任务交给下位机LabVIEW RT引擎来处理［7］。

软件设计包括上位机软件设计和下位机软件设计，均采用LabVIEW编程实现。

上位机软件功能包括：（1）用户界面登录及初始化控制；（2）系统配置；（3）控制采集的运行；（4）实时显示结果数据及波形；（5）存储试验数据；（6）实现与下位机的网络通讯等。

下位机软件功能：（1）采集、分析和上传试验数据；（2）与主控机通讯，接受主控机控制等。

软件按不同任务进行模块化设计，在图5中的软件流程图中，显示了各任务模块以及其所处的位置。

图5 软件结构流程

系统中各个功能采用模块化的编程方式，便于系统的扩展、更新和维护，以数据采集模块和数据分析模块为例说明软件编程的方法。在数据采集模块中，对于需要进行复杂数据分析的数据要根据要求对数据组进行相应的预处理，如最新的IEC 61000-4-7／2002标准，对谐波计算方法有严格规定。如时间窗、同步、窗函数等。50 Hz系统的时间窗必须为10个周波（200ms）。图6为数据采集模块的控制流程，图7为程序代码示例。

数据采集完成后将进入数据分析流程，在交流传动试验台的系统测试中，需要进行数据分析的参量有很多，包括电压电流的有效值计算、功率计算、功率因数计算、谐波分析等。在软件中通过调用相应的功能模块，根据标准公式，完成复杂的数据分析计算。以电机电流的谐波分析为例，其数学计算公式为：