城市軌道車輛電力牽引實驗臺測控系統設計*

宋瑞剛，楊 儉，方 宇

（上海工程技術大學城市軌道交通學院，上海 201620）

0 引言

牽引傳動系統工作特性的研究是城市軌道交通相關課題研究的重點，由于牽引和負載的動態非線性程度高、參數采集量大和控制復雜等因素，實驗平臺及其測控系統的實現難度較大，所以，該部分的研究往往停留在軟件模擬和仿真研究階段。事實上，牽引傳動系統和外部工作環境的關系需要通過探究式、模擬式、驗證式等一系列形式的實驗來研究［1，2］。本文針對一種實驗室環境下的城市軌道電力牽引實驗平臺，提出了基于虛擬儀器技術的測控系統，并通過對牽引和負載2個子系統的參數采集和控制，實現多種工況下牽引動態特性的測試。

1 城軌車輛電力牽引實驗臺的總體結構

城市軌道車輛電力牽引實驗系統采用380 V工頻交流電供電。在牽引子系統一側，整流逆變單元內含540 V直流母線，經逆變后對牽引電機進行VVVF控制。牽引電機轉速和實車保持1∶1比例，而功率和轉矩采用3∶19進行等比例縮放，即實驗系統采用30 kW電機模擬實車190 kW牽引電機的運行工況。在負載子系統一側，采用交流測功機作為負載電機，為牽引側提供實時的動態反轉矩，以模擬車輛運行過程中遇到的各種阻力［3～5］。2個子系統之間設置有三級飛輪，以切換組合的方式對車輛的AW1（輕載）、AW2（滿載）、AW3（超載）3種載客工況進行分組模擬。牽引側和負載側的整流逆變單元提供各自電流、電壓信號，牽引電機的輸出軸上裝有傳感器提供轉速、轉矩信號，各傳感器信號經變換和調理后集中進入虛擬儀器測控平臺。

實驗系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 電力牽引實驗系統結構框圖Fig 1 Structure block diagram of electric traction experimental system

2 測控系統硬件設計

城市軌道車輛牽引實驗系統的測控系統由傳感器與信號變換器（變送器）、信號調理電路、數據采集卡、工業控制計算機和圖形化編程語言LabVIEW程序構成，其系統結構框圖如圖2所示。

圖2 基于虛擬儀器的測控系統簡圖Fig 2 Digram of measurement and control system based on virtual instrument

系統采用NI公司的PCI—6225數據采集卡，基于PCI總線，板上裝有16bit分辨率的A/D轉換器和D/A轉換器。提供80路單端/40路差分的模擬輸入通道和2路模擬輸出通道。且板卡自帶70多個信號調理選項，可對各通道采集信號進行分別調理。牽引電機輸出軸端的轉矩/轉速傳感器采用德國 Dr．Staiger Mohilo 0170DM傳感器，量程0～1500 Nm，最高轉速12，000 r/min。轉速的測量采用非接觸式，每轉發出360個脈沖。由于轉速信號的采集用于對負載電機反轉矩加載的計算，所以，對轉速的要求較高，而該傳感器在滿量程時精度為0．2%，對應于城軌車輛牽引電機最高轉速3500 r/min時誤差僅為7轉，滿足實時檢測與控制的要求。電流、電壓的檢測直接由變頻器內部互感器輸出，均為霍爾型。電流傳感器采集精度為0．5%FS，量程0～125 A。電壓傳感器精度為0．6%FS，量程0～2 kV。滿足該系統電氣特性參數采集的要求。

3 測控系統軟件設計

3．1 軟件總體結構

系統采用LabVIEW來進行測控平臺的軟件設計，該類G語言便于同時對多傳感器進行數據采樣、處理與分析、顯示，并且界面友好，性能穩定［6］。系統軟件的設計流程如圖3所示。

系統在初始化過后，首先進行多項參數的設置，包括采集通道和信號輸入類型、存儲路徑等。運行過程中，通過對系統參數的采集進行故障判斷，當發生過流、過壓或參數波動超限值時，自動形成停機保護。另外，系統多采用事件結構（event structure），可以使LabVIEW程序在空閑時處于休息狀態，直到前面板中出現新的事件發生為止，提高了系統資源的利用效率［7］。例如:實驗過程中，可以隨時通過“緊急制動”按鈕中斷實驗過程，或者按下“開始記錄”按鈕進行數據保存。

圖3 測試與控制流程圖Fig 3 Flow chart of measurement and control

3．2 牽引和負載控制模塊設計

對牽引電機采用轉速閉環方式，在手動（Manual）模式下，通過模擬司控器手柄位的變動，數據采集卡通過AO口輸出轉速指令對應的模擬量作為變頻器給定值。而在自動（Auto）模式下，系統導入速度運行曲線的TXT文件自動完成轉速控制。

負載電機采用轉矩閉環控制方式，預先設置列車軸重、自定義的基本阻力經驗系數等參數，并導入路況文件。程序根據實時采集的轉速進行軌道車輛運行遇到的基本阻力和附加阻力的計算［8］。而對于不同路況條件形成的線路附加阻力，通常也可用一個加算的坡道附加阻力代替［9］，如式（1）函數關系所示

式中A，B，C為列車基本阻力各項的經驗系數（由車輛制造方提供）;v為列車運行速度;Fadd（x）為線路總的附加阻力，是列車發車后自起始站點行駛里程x的分段函數。

負載電機提供的反轉矩函數Tf（v，x）可結合車輪半徑、齒輪箱傳動比與傳動效率等參數得出，可通過式（2）函數關系來描述。

式中K為列車阻力與牽引電機軸端遇到的反轉矩之間的比例系數。

3．3 數據存儲與回放模塊設計

在數據存儲、回放模塊中，讀取在測試過程中存儲在指定目錄中的數據文件，通過數據回放子VI顯示測試過程中相關參數的波形，可選擇性地繪制牽引電機的轉速、轉矩、牽引電流、直流母線電壓曲線和負載電機的轉速、轉矩曲線。

4 牽引特性測試實驗與分析

將三級飛輪切換到城市軌道車輛載客運行的典型工況AW2（滿載）工況，導入牽引曲線的TXT文件，系統運行后保存的數據用Origin繪圖后，可得到轉速、轉矩的機械特性曲線與運行過程中的電氣特性曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 AW2工況下實驗系統牽引機械特性曲線圖Fig 4 Traction mechanical characteristic curves of experimental system under AW2 working condition

圖5 AW2工況下實驗系統牽引電氣特性曲線圖Fig 5 Traction electrical characteristic curves of experimental system under AW2 working condition

由圖4可以看出:在牽引電機起動階段的18 s內，測控系統能夠保證牽引系統恒轉矩起步，使得電機轉速平穩上升，且在電機由牽引到惰行的轉速變化瞬間，轉矩超調量較小，僅為2N·m。而圖5中的電氣特性曲線顯示，測控系統對牽引電流和直流母線電壓的采集處理效果較好，有效濾除了電氣干擾。

另外，與上海地鐵二號線AW2載客工況下的實車運行曲線對比可得出如下結論:

1）機械特性

由圖4和圖6對比可知，實驗測試曲線與實車曲線的牽引加速區特性一致，時間約為20 s左右，最大牽引加速度約為1．03 m/s2，制動減速度約為1．18 m/s2，這與地鐵牽引系統的技術要求一致。與實測曲線不同的是，實際工況中列車在ATO模式下的運行受停車曲線和ATP速度命令的限制，惰行過程中會存在少量制動和牽引過程［10］，而實驗系統的測控軟件中有意忽略了該類因素。

圖6 AW2工況下上海科技館—世紀公園牽引機械特性曲線Fig 6 Traction mechanical characteristic curves under AW2 working condition from shanghai Science and Technology Museum to the Century Park

2）電氣特性

由圖5和圖7的對比可知，在實際地鐵列車的制動過程中，由列車控制回路自動監測當前電網電壓，在網壓接近1800 V時，制動單元導通，再生制動切換到電阻制動方式。而在本實驗系統中，設定直流母線網壓閥值為670 V。測試系統顯示，在兩次明顯的再生制動過程中，電制動能量的反饋對母線電壓抬高的影響與實際工況一致。

圖7 AW2工況下上海科技館—世紀公園牽引電氣特性曲線Fig 7 Traction electrical characteristic curves under AW2 working condition from Shanghai Science and Technology Museum to the Century Park

5 結論

系統采用虛擬儀器技術，可以較方便地實現多種工況下的城軌車輛運行工況的模擬，并對各項參數進行實時采集與控制。系統對牽引加速和制動過程控制平穩、精確度高。測控系統使牽引電機在啟動階段加速度保持1．03 m/s2，與實車測試工況基本一致，而在電制動中，直流母線閥值電壓設定為670 V，遠低于實際工況的1800 V，但再生制動與電阻制動的特性均和實際一致。另外，該測控系統忽略了車輛啟動阻力和制動過程末期的空氣制動的參與，使牽引電機的運行環境模擬受到一定限制，但這并不影響系統在牽引和電制動特性測試方面的有效性，因而，系統對電力牽引實驗系統的建設和多傳感器控制系統的設計仍具有重要參考意義。

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