司机控制器可靠性试验系统的设计与测试

袁碧珍 赵怀林 王苏晓 朱纪洪

司机控制器可靠性试验系统的设计与测试

袁碧珍1赵怀林1王苏晓1朱纪洪2

（1.上海应用技术大学电气与电子工程学院，201418，上海；2.清华大学计算机学院，100084，北京∥第一作者，硕士研究生）

司机控制器是司机操纵机车的重要部件，其性能的好坏直接影响列车的运行状况。对司机控制器进行可靠性测试是保障其质量最有效的方法。采用LabVIEW作为系统的上位机开发平台，实时监测显示系统状态；用DSP（数字信号处理）作为控制采集模块，控制司机控制器运动并采集其输出数据。同时，采用一台上位机控制多个DSP系统的主从式网络结构，提高了系统效率并降低了成本。该系统同时对多台司机控制器进行试验。最后对可靠性进行了评估，结果表明该系统满足试验要求，为司机控制器的维修和维护提供了依据。

轨道交通车辆；司机控制器；可靠性；主从式网络结构；试验系统

司机控制器是驾驶者操作和控制列车行驶速度和刹车的主要器件，列车的行驶安全依赖于司机控制器的可靠性。列车运行一段时间后，其内部零件可能会有机械磨损，同时紧固件有可能会松动，或者传动件会产生故障，然而这些不易察觉的小故障会降低司机控制器的可靠性。因此，在司机控制器设计、研究和生产过程中，需要对其进行可靠性测试［1］。然而，司机控制器作为一种电气设备［2］，一般的测试系统只能实现对其机械性能的单一测试，这是远远不能实现测试目标的。因此，本文提出的可靠性试验系统在对其进行机械寿命测试的同时，也对其内部至关重要的低压电器的性能进行检测，可以满足可靠性试验的要求。

LabVIEW是一种被称作G语言的图形化编程工具。在程序开发过程中，与传统的开发语言进行比较，其编程方式能够在不影响运行速度的前提下充分利用资源，体现出其高效率的优势，同时Lab－VIEW自带的显示控件给用户带来直观和便捷的视觉体验。与其他编程语言相比，LabVIEW在数据采集和处理方面有不可替代的优势。因此，本可靠性试验系统将LabVIEW作为上位机的开发工具［3］。

1 测试系统的结构

本系统是基于TKS354C型司机控制器设计的。其内装有电位器、凸轮和辅助触头盒。凸轮是由凸轮架和凸轮块拼装而成的。其手柄的挡位分为MAX、MIN、预置、惰转、1、2、…、8。依据其内部结构，司机控制器内部的工作过程可以简单描述为两部分：①当手柄在8至预置挡位之间转动时，带动主轴和凸轮架随之转动，当凸轮块的位置转动到辅对应位置时，杠杆受到凸轮块的挤压而将与其连动的辅助触头顶开，此时，对应的控制线与电源断开，输出低电平；相反地，当凸轮块的位置转动到某些位置时，使得对应的控制线与电源接通，从而输出高电平。根据这个原理可以获得手柄在不同位置时的触头闭合表。②在MAX至预置挡位之间接有电位器，手柄转动可以改变其输出的有效电阻值，最终改变输出电压。因此，通过采集比较触头闭合表和输出电压值与设计标准的设定值的一致性，最后根据数据库记录的数据，对其进行分析、计算，从而获得列车司机控制器的可靠性能指标。

司机控制器寿命试验系统主要由上位机、一组DSP（数字信号处理）模块、一组电机驱动器和电机，以及司机控制器试验台组成。其结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

如图1所示,整个测试系统由装有基于Lab－VIEW开发的测试系统软件的计算机即上位机和一组下位机组成。下位机主要包括DSP、电机驱动器、电机和司机控制器试验台组成。依据制定的通讯协议，上位机与各DSP通过RS422总线实现数据的发送与接收。上位机通过如图2所示的人机交互界面，将来自于测试人员的指令封装成8字节的具有帧头、指令数据、校验和的数据帧。上位机采用轮询的方式，每2 ms发送一次指令，通过指令ID辨别各DSP，从而实现与DSP的轮流通信。DSP定时采集接收端的数据，然后，先确认接收数据的ID，再通过计算校验和来验证帧数据的准确性，确认帧数据无误后，将帧数据进行解封装，得到指令数据，而后根据指令数据的动作控制对应伺服电机驱动器。驱动器得到来自DSP的指令后，驱动电机，电机通过减速器带动司机控制器的手柄，使之按测试人员的要求进行运转。司机控制器运行过程中输出的电压值通过电阻分压传送给DSP的A/D（模/数）转换模块，A/D转换模块将获得的模拟信号转换成数字信号输出；司机控制器对应挡位的触点闭合情况通过DSP的I/O（输入/输出）口捕获。DSP依据内部通讯协议，将触点闭合数据和输出的数字化电压值转换成帧数据，通过RS422总线，将数据传递给上位机。上位机定时读取串口接收缓冲区的数据，同样先判断ID，然后验证校验和，确保帧数据无误后，对帧进行解析，从而得到对应的司机控制器的输出电压值和触点闭合数据，将其与设定界面中对应位置的设定值进行比较，将结果在界面中实时显示，并将结果通过数据库模块保存到对应的ACCESS数据库中。

图2 司机控制器可靠性试验系统界面

2 测试系统的软件设计

2.1 需求分析

根据客户的要求，需要实现包括4部分的功能：①用户登录；②触点的闭合情况和输出电压值等参数可自定义；③试验结果实时显示；④可以查看在司机控制器运行过程中NI数据采集卡采集到的电位器闭合数据和输出的电压值与设定的参数不一致的信息（以下简称错误信息）并显示出来。因此将软件部分分为4个部分：登录界面、参数设定界面、试验操作界面和查看错误界面。其结构框图如图3所示。

图3 系统软件结构框图

2.2 主要模块设计

根据设计要求，程序实现的流程图如图4所示。图4中，程序主要由数据采集模块、上电初始零位调整模块、开始测试模块和查看错误模块组成。

2.2.1 数据采集模块

一般的数据采集系统都包含了采集、分析和显示3部分。在LabVIEW中，如果将这3个步骤通过数据流连接起来，不仅不能体现LabVIEW的并行处理优势，还会带来时间延迟，进而使采集的周期变长，最终数据的实时性也得不到保证［4］。因此，本系统采用了生产者/消费者结构，让多个循环并行执行，即采集数据和处理数据分别放入2个While中并行运行，同时这2个循环可以相互通信，但不会互相干涉。同时此结构还可避免数据丢失或数据的重复利用等问题［5］。

图4 程序流程图

本系统的数据是通过串口来传输的，串口的波特率是19 200，DSP每10 ms发一帧数据，一帧数据8字节，1开始位，1停止位，无检验，一帧数据传输的时间大概是3.437 5 ms。采集的数据放入队列的过程耗时极少，即采集的数据存到缓存中需要的时间很短。本系统中生产者循环每10 ms存放一次数据，而处理数据循环不停地处理数据。其程序示意图如图5所示。

2.2.2 上电初始零位调整

图5 数据采集模块示意图

由于伺服电机使用的是增量式编码器，当电机与司机控制器试验台连接完成，开始上电测试时，上位机无法得知伺服电机即司机控制器的手柄位置，所以采用了在手柄运动位置的两端（即MAX和8位置）安装接近开关以确定初始零位。因此，在试验平台设定界面有8-MAX和MAX-8两个按钮来调整手柄，使其在8位置或者MAX位置。

2.2.3 开始测试

当司机控制器的机械手柄回到MAX或者8的两端位置时，就可以开始进行可靠性试验。点击开始测试后，上位机指令的发送通过定时循环实现，在发送的数据中改变ID的值，从而实现与各个DSP数据传递，进而实现相应的控制功能。DSP接收到控制指令后，通过PWM（脉冲宽度调制）模块产生PWM波，从而控制电机驱动器，进而控制电机通过减速器带动手柄从8到MAX，再由MAX到8这样循环运动，将其运动过程中的触点闭合情况和电位器输出电压值与设定界面内的设定值进行比较、显示和存储。最后对存储的数据进行分析，从而获得司机控制器的可靠性参数。

2.3 主从式网络结构

本系统采用的网络结构框图如图6所示。

图6 主从式网络组网结构框图

由图6可知，本系统是一个总线型结构，各DSP挂在总线上。主从式的网络结构中，采用令牌的管理方法。在这种网络拓扑结构中“通信权轮流分配”首先是 DSP1 ，然后是 DSP2、…、DSPn，再接着就是DSP1，这样无限循环。当轮到某个DSP通信时，它就得到了控制权，能和上位机进行通信。

3 测试结果分析

测试系统实物展示如图7所示。整个测试系统由19个测试台架组成。

图7 测试系统实物展示

随着高速铁路和动车技术的发展，对机车的可靠性提出了更高的要求。可靠性是指产品在规定条件和时间的前提下完成规定功能的能力；反之，产品或者该产品的其些部分不能或将不能完成规定的功能就是出故障。换言之，故障少的产品其可靠性就高。产品的故障总数与寿命单位总数的比称为故障率，用λ表示。同时，对于电器产品，其λ服从指数分布。因此，该产品的故障率和平均故障间隔时间tMBF符合如下关系表达式：tMBF=1/λ。

tMBF是指可修复的产品在两次相邻故障之间的平均时间。tMBF是衡量电器产品的可靠性指标，反映了产品的时间质量，体现了产品在规定时间内保持功能的能力。

在本系统中，主要测试多个凸轮触头和电位器这些低压器件的性能，因此司机控制器的故障率可以通过这些零部件的试验获得，进而可以根据下式计算出司机控制器的平均故障间隔时间：

式中，N在对司机控制器进行可靠性试验的过程中共计发生的故障次数，λi是第i个器件的故障号。将这些故障进行分类，分配到具体的器件，假设某个器件发生故障次数为Ni，每次故障后经过修复继续投入使用，其工作时间分别为 t1，t2，t3，...，tn，那么可以根据下式计算出该器件的故障率为：

根据公式（2）可计算出每个器件的故障率，最终由公式（1）计算获得本司机控制器的平均故障时间。

4 结语

采用LabVIEW作为本系统的上位机，为用户提供了友好的人机交互界面；用DSP作为控制和采集模块，对司机控制器的手柄进行了精确的位置控制，能够实时采集和传输数据。该系统能够满足设计需求、达到了预期效果，并通过计算分析可以获得系统的可靠性。该系统现已投入使用，为司机控制器可靠性测试提供了依据和参考。

［1］ 黄朝晖.司机控制器机械寿命试验台的设计［J］.电力机车与城轨车辆，2008（4）：19.

［2］ 许霁.基于LabVIEW队列状态机的扫频仪设计与实现［J］.工业控制计算机，2013（9）：75.

［3］ 夏玉龙，赵怀林，和阳.基于虚拟仪器的电机测试系统设计［J］.自动化与仪表，2015（4）：59.

［4］ 卢天海，王见.基于LabVIEW的电机功耗实时监测系统设计［J］.计算机测量与控制，2012（3）：580.

［5］ 果实，薛磊，朱朝旭.基于LabVIEW队列状态机的铁路信号电缆故障检测系统［J］.电脑知识与技术，2011（29）：7228.

Design and Measurement of the Reliability Testing System for Driver Controller

YUAN Bizhen，ZHAO Huailin，WANG Suxiao，ZHU Jihong

Train driver controller is an important part in driver's operation,the performance of which directly influences the running status of the train.Reliability test of the controller is the most effective method to guarantee the quality of the driver controller.LabVIEW,as the PC platform，can monitor the real-time display system.While DSP (digital signal processing)as the control module，can manipulate the driver controller and collect the output data.In order to improve the efficiency of the system and decrease the cost，a master-slave network structure is adopted to realize the control modes of multiple controllers.Finally,the reliability of the drive controller is evaluated,the results show that the system could meet the testing requirements and provide a basis for the repair and maintenance of the controller at the same time.

rail transit vehicle；train driver controller；reliability；master-slave network structure；testing system

U260.36；U268.3

10.16037/j.1007-869x.2017.11.016

First-author′s address School of Electrical and Electronic Engineering，Shanghai Institute of Technology，201418，Shanghai，China

2016-02-06）