基于矩陣開關的牽引控制裝置例行功能試驗通用測試系統開發

曹金洲 ，易衛華，陳安平

（株洲南車時代電氣股份有限公司 制造中心，湖南株洲412001）

牽引控制裝置是牽引變流器的核心組成部分，承擔著牽引控制和安全運行的重要任務，它的性能直接關系到行車安全。例行功能試驗作為牽引控制裝置出廠前重要檢驗工序，對其各項功能進行詳細的試驗驗證，重要性不言而喻。

由于應用場所及客戶需求的差異，牽引控制裝置衍生出很多不同的型號，形成了多品種、小批量的鮮明特色。由于不同型號間的差異，每個型號通常需要開發一套專用的測試過渡線束，才能實現測試系統與被測牽引控制單元相連。這對于承擔著各型牽引控制裝置生產測試的制造部門而言存在著諸多缺點：

（1）通用性差。由于測試線束的專用性，設計部門每開發一個新型牽引控制裝置就必須開發一套測試過渡線束，不利于新型產品測試程序的開發。

（2）浪費資源。不斷開發專用測試過渡線束不僅耗費大量的人力、物力、財力和時間，而且不斷侵蝕寶貴的生產空間。

開發一款通用的自動測試系統，避免測試過渡線束的不斷開發，同時適應各型牽引控制裝置高質量、高效率測試，對于生產測試部門有著重要意義。

1 需求分析

牽引變流器的控制框圖如圖1。牽引控制裝置控制斷路器、接觸器等動作，接收主電路電壓傳感器、電流傳感器、速度傳感器等信號，經控制器運算后輸出驅動脈沖至變流模塊和逆變模塊，同時接收自變流模塊和逆變模塊的故障信號，以進行必要的保護。

對各型牽引控制裝置例行功能試驗需求的相同點和不同點進行分析，得出如下結論。

相同點：不同型號牽引控制裝置對所需的外接口連接器型號、試驗儀器種類及信號類型是一致的。這為測試系統的通用性提供了有利條件。

不同點：不同型號牽引控制裝置試驗時信號具體接入點的數量和位置經常存在一些差異。這為測試系統的通用性帶來了挑戰。

如何利用上述相同點，適應不同點，成為通用測試系統方案設計的關鍵。

圖1 牽引變流器的控制框圖

2 方案設計

由需求分析可見，如何適應信號接入點的差異成為通用測試系統開發的重中之重。經過各種方案的比較分析，發現在通用測試系統配置矩陣開關（如圖2），能夠很好地解決信號接入點差異問題。

圖2中，矩陣的任意一行或一列內部是相通的，行與列之間通過開關相聯系。通過控制開關的通斷，即可控制行與列之間連接關系。

利用上述特點，可以按圖3進行資源配置。將測試用儀器（如電流源、電阻卡、方波輸出卡、數據采集卡、萬用表等）依次布置在矩陣的列上，形成儀器列。每個儀器占用的列數由儀器所需的輸出或輸入端口數量來決定。其余則用作對外接口列。通過控制開關的通斷，可將所需儀器列連接至需要使用的對外接口列。同一時間可連接的儀器數量受矩陣行數的限制，需選擇適當規模的矩陣開關來滿足。

圖2 矩陣開關示意圖

圖3 矩陣開關資源配置示意圖

對外接口列與各型牽引控制裝置間經通用過渡線束（如圖4）連接。通用連接器依據各型牽引控制裝置接口連接器種類來確定，測試時可通過計算機程序提醒操作者進行連接器級別的切換。連接器內部各點位何時與何種儀器連接，則由計算機程序來控制。計算機程序依據各型牽引控制裝置例行試驗大綱來編制。一個計算機程序對應一個型號，實現測試系統的通用。

3 硬件架構

按照上述方案設計開發的牽引控制裝置通用測試系統硬件架構如圖5。其中各部件主要功能介紹如下：

圖4 通用過渡線束示意圖

（1）嵌入式PC：NI公司PXI-8108安裝于PXI控制機箱，是測試系統的控制中心和人機交互接口。它經以太網口連接至交換機，與矩陣開關和被測牽引控制裝置進行以太網通訊。經GPIB接口與供電電源、故障信號模擬電源、電流源進行GPIB通訊。經顯示器、鼠標、鍵盤與編程員或操作員進行人機交互。

圖5 測試系統硬件架構

（2）方波輸出卡：NI公司PXI-6624安裝于PXI控制機箱，產生方波信號，經矩陣開關路由后送至被測牽引控制裝置，用于模擬速度傳感器信號。

（3）電阻卡：Pickering公司40-297-002安裝于PXI控制機箱，是一種可編程可變電阻，經矩陣開關路由后送至被測牽引控制裝置，用于模擬溫度傳感器、壓力傳感器信號。

（4）數據采集卡：NI公司PXI-6259安裝于PXI控制機箱，經矩陣開關路由接收來自牽引控制裝置的PWM脈沖，進行數據采集。

（5）萬用表卡：NI公司PXI-4065安裝于PXI控制機箱，經矩陣開關路由測量來自牽引控制裝置的電壓信號（如數字量輸出等）、電流信號。

（6）電流源：Agilent公司E6634B產生電流源信號，經矩陣開關路由后送至被測牽引控制裝置，用于模擬電壓傳感器、電流傳感器信號。

（7）故障信號模擬電源：Agilent公司E3631A產生電壓信號，經矩陣開關路由后送至被測牽引控制裝置，用于模擬變流模塊、逆變模塊故障反饋等數字量輸入。

（8）矩陣開關：Pickering公司50-550-022，用于控制上述各類信號的路由。

（9）供電電源：Agilent公司N5770A，用于向被測牽引控制裝置提供電源和模擬斷路器、接觸器等數字量輸入信號。

開發完成后的牽引控制裝置通用測試系統實物圖如圖6所示。

圖6 通用測試系統實物圖

4 軟件架構

通用測試系統的軟件架構如圖7所示。系統采用NI LABVIEW軟件進行模塊化代碼開發。它通過安裝在操作系統的GPIB驅動、PXI驅動經VISA指令與GPIB儀器、PXI儀器交互。采用NI TESTSTAND軟件調用LabVIEW代碼構建測試序列。編程員構建上述LabVIEW代碼和TESTSTAND序列。操作員運行TESTSTAND序列進行牽引控制裝置例行功能試驗。

圖7 通用測試系統軟件架構

開發完成矩陣開關控制界面截圖如圖8所示。

圖8 矩陣開關控制界面示意圖

5 結束語

該通用測試系統已成功用于8軸9 600kW電力機車、南非雙流制貨運機車等車型牽引控制裝置例行功能試驗，系統運行穩定。它很好地解決了資源路由問題，具有很強的靈活性和擴展性，大大縮短新型號牽引控制裝置自動測試開發時間。同時具備良好的人機交互界面，大大簡化了人工操作。

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