CRH3型動(dòng)車組充電機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)

康瑛，王瑩，張永波，張榮佳

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035)

0 引言

CRH3型動(dòng)車組充電機(jī)是將440 V/60 Hz交流電整流變換為110 V直流電，向整車的直流負(fù)載供電，基于對(duì)充電機(jī)控制器和主電路的工作特性研究及故障診斷分析，創(chuàng)新工作過程中面臨著以下問題：1)充電機(jī)正常工作時(shí)內(nèi)部存在強(qiáng)電，故其內(nèi)部元器件的測(cè)量存在困難；2)某些測(cè)試和研究過程存在一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)可能破壞元器件的完好性，故不允許在充電機(jī)模塊內(nèi)部直接測(cè)試；3)特定測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)際中無法滿足其測(cè)試環(huán)境要求，故無法得到預(yù)期試驗(yàn)結(jié)果，例如實(shí)際工作中交流電源的供電范圍、元件參數(shù)范圍和功率因數(shù)等參數(shù)設(shè)置無法滿足試驗(yàn)要求。

將基于“實(shí)際控制器+虛擬被控對(duì)象”半實(shí)物仿真平臺(tái)應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)安全、快捷檢測(cè)充電機(jī)主電路故障，對(duì)故障進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)可視化模擬，同時(shí)有利于設(shè)計(jì)綜合性能優(yōu)良的主電路，有效地減少實(shí)時(shí)、實(shí)地測(cè)試研究過程中的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，大大地節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。本文基于整車充電機(jī)內(nèi)部各個(gè)元器件的型號(hào)和參數(shù)，通過Matlab軟件中的Simulink工具箱建立起CRH3型動(dòng)車組充電機(jī)主電路，保證在主電路仿真運(yùn)行、故障分析以及故障可視化模擬過程中還原實(shí)際故障，通過Matlab軟件中的RTW(real-time windows target)模塊和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)與實(shí)際控制器之間的信息實(shí)時(shí)交互，建立CRH3型動(dòng)車組充電機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)[1](簡(jiǎn)稱為半實(shí)物仿真系統(tǒng))。

1 充電機(jī)及控制器接口分析

CRH3型動(dòng)車組由4M(動(dòng)車)+4T(拖車)組成，在動(dòng)車組中分別安裝了2個(gè)獨(dú)立的電池充電機(jī)。充電機(jī)有3種工作模擬：正常工作模式、外接供電模式、停放整備工作模式。在正常工作模式下充電機(jī)接受的供電方式為輔助變流器主輸出回路提供的440 V/60 Hz交流電；在外接供電模式下充電機(jī)接受的供電方式為雙輔助變流器的外接電源接口提供的380 V/50 Hz交流電；在停放整備工作模式下充電機(jī)接受的供電方式為輔助變流器主輸出回路提供的345 V/47 Hz交流電[2]。充電機(jī)將3種模式下交流輸入電壓轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓，向整車直流負(fù)載供電，同時(shí)依據(jù)溫度補(bǔ)償IuoU特性曲線給蓄電池充電。

1.1 充電機(jī)電路結(jié)構(gòu)

充電機(jī)主要由4部分組成，包括：輸入整流模塊、逆變模塊、高頻變壓模塊以及輸出整流模塊。圖1為充電機(jī)主回路原理圖。

啟動(dòng)充電機(jī)工作，充電機(jī)的預(yù)充電接觸器、直流風(fēng)扇接觸器、主風(fēng)扇接觸器閉合，輸入電壓通過熔斷器、預(yù)充電接觸器對(duì)功率模塊中的支撐電容進(jìn)行預(yù)充電；在預(yù)充電過程中支撐電容上的電壓到達(dá)輸入電壓的90%，并且中間直流母線電線電壓到達(dá)預(yù)設(shè)值后，預(yù)充電過程結(jié)束，然后主接觸器閉合，預(yù)充電接觸器斷開，充電機(jī)進(jìn)入正常工作模式。充電機(jī)在對(duì)蓄電池充電過程中主要有快速充電和微電流充電2種充電階段，即恒流充電和恒壓充電。充電機(jī)工作過程中采用強(qiáng)制空氣冷卻法，空氣由裝在充電器箱前面板上的雙氣嘴進(jìn)氣格柵吸入通過散熱片和安裝板噴射到通氣道內(nèi)，主風(fēng)扇冷卻空氣快速擴(kuò)散。

圖1 充電機(jī)主回路原理圖

1.2 控制器以及外部接口

Sibcos-M1300主控制器用于控制充電機(jī)內(nèi)部接觸器和繼電器，使其完成觸發(fā)、監(jiān)控和聯(lián)鎖功能，并接受車輛級(jí)總線(MVB)的工作狀態(tài)和輸入信號(hào)來控制充電機(jī)的喚醒和靜置過程，同時(shí)監(jiān)測(cè)充電機(jī)運(yùn)行過程中的所有工作狀態(tài)，并通過車輛級(jí)總線(MVB)向中央控制單元(CCU)發(fā)送狀態(tài)信息。

Sibcos-M1300主控制器在充電機(jī)運(yùn)行過程中可以對(duì)其發(fā)生的過載、短路及其他故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)并觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)作用，并將故障狀態(tài)及數(shù)據(jù)流進(jìn)行儲(chǔ)存，用于診斷與修復(fù)。同時(shí)將故障代碼及數(shù)據(jù)流通過車輛級(jí)總線(MVB)發(fā)送到中央控制單元(CCU)。

Sibcos-T2000逆變控制器通過CAN網(wǎng)絡(luò)總線與Sibcos-M1300主控制器連接，實(shí)現(xiàn)與Sibcos-M1300主控制器之間的數(shù)據(jù)交換。處理器磁心存儲(chǔ)器和外圍接口通過LCA(邏輯單元數(shù)組)進(jìn)行邏輯連接。借助邏輯單元數(shù)組，在軟件系統(tǒng)中搭建邏輯電路。特定功能涵蓋連鎖、鎖閉次數(shù)或最小通電次數(shù)等。

Sibcos-M1300主控制器和Sibcos-T2000逆變模塊控制器采用直流110 V外部電源供電，其外圍接口如圖2所示。

圖2 Sibcos-M1300和Sibcos-T2000控制器 外圍接口

充電機(jī)中主風(fēng)扇接觸器、直流風(fēng)扇接觸器、主風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制器的直流110 V開關(guān)量信號(hào)通過Sibcos-M1300主控制器中X083插頭進(jìn)行控制，輸入接觸器和預(yù)充接觸器的直流110 V開關(guān)量信號(hào)通過X084插頭進(jìn)行控制。這5種接觸器的閉合和斷開信號(hào)通過其輔助觸點(diǎn)傳輸?shù)街骺仄鞯腦080、X081插頭上，稱為接觸器反饋信號(hào)。主風(fēng)扇保護(hù)開關(guān)信號(hào)傳輸?shù)街骺仄鞯腦081插頭上，外接反饋信號(hào)、扼流圈R5反饋信號(hào)傳輸?shù)街骺仄鞯腦082插頭上。充電機(jī)內(nèi)部分別測(cè)量輸入電壓1(交流)、輸入電壓2(交流)、接地檢測(cè)(直流)、中間直流電壓的電壓傳感器，測(cè)量得到的模擬量信號(hào)通過主控制器上的X251插頭傳送給主控制器，B20溫度傳感器通過X151插頭傳送給主控制器。

充電機(jī)內(nèi)部測(cè)量蓄電池電流、蓄電池電壓1、蓄電池電壓2、充電機(jī)輸出電流的傳感器，測(cè)量得到的模擬量信號(hào)通過Sibcos-T2000逆變模塊控制器上的T1-X6插頭傳送給逆變模塊控制器，蓄電池溫度信號(hào)、T2整流模塊的溫度信號(hào)通過T1-X2傳送給逆變模塊控制器。

2 半實(shí)物仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

半實(shí)物仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)控制策略如圖3所示，工業(yè)計(jì)算機(jī)用來對(duì)充電機(jī)主電路進(jìn)行仿真計(jì)算，工業(yè)計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集板卡、信號(hào)及接口電路實(shí)現(xiàn)與控制器之間的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)交互，并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

圖3 充電機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)

2.1 接觸器、反饋及保護(hù)開關(guān)信號(hào)的模擬

半實(shí)物仿真系統(tǒng)采用直流110 V電磁繼電器模擬接觸器閉合和斷開，Sibcos-M1300主控制器輸出接觸器閉合信號(hào)，通過插頭X083、X084將閉合信號(hào)傳送給繼電器并使之閉合，繼電器外供直流110 V電源保證繼電器正常工作，通過與數(shù)據(jù)采集卡配套的晶閘管端子板采集繼電器的常開輔助觸點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)計(jì)算機(jī)對(duì)接觸器開關(guān)量信號(hào)的采集。

計(jì)算機(jī)接收到接觸器閉合信號(hào)后，Sibcos-M1300主控制器還需要接收相應(yīng)接觸器閉合的反饋信號(hào)、主風(fēng)扇保護(hù)開關(guān)信號(hào)、外接反饋信號(hào)、扼流圈R5反饋信號(hào)以及主風(fēng)扇轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，用數(shù)字量輸出板卡及其配套的繼電器端子板通過插頭X080、X081、X082將主控制器需要的信號(hào)傳送給主控制器。

2.2 傳感器及IGBT控制信號(hào)的模擬

充電機(jī)內(nèi)部8個(gè)電壓電流傳感器分別采集不同模塊的電壓、電流信號(hào)，將采集到的電流信號(hào)分別通過插頭X151和插頭T1-X6傳送給Sibcos-M1300主控制器和Sibcos-T2000逆變控制器模塊。半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，仿真主電路將仿真運(yùn)算得到的數(shù)據(jù)通過模擬量輸出板卡輸出相應(yīng)的電壓值信號(hào)，再通過信號(hào)接口電路將接收到的電壓信號(hào)采用線性算法轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號(hào)，然后通過X151、XT1-X6插頭傳送給控制器的模擬量輸入通道，模擬實(shí)際充電機(jī)內(nèi)部傳感器對(duì)控制器發(fā)送的信號(hào)。在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，仿真主電路的運(yùn)行需要采集當(dāng)前Sibcos-T2000逆變模塊控制器對(duì)IGBT的控制信號(hào)，基于采集得到IGBT控制信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算出仿真主電路的電壓和電流等參數(shù)值，通過高頻二極管搭建調(diào)理回路，同時(shí)轉(zhuǎn)換模塊將IGBT的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)采集卡能夠識(shí)別的電壓信號(hào)。模擬傳感器工作中需要保證接口電路電流為線性變化，同時(shí)計(jì)算機(jī)發(fā)送的相關(guān)電壓值有明確的數(shù)值范圍限定，防止模擬電壓值過大損壞控制器。

2.3 溫度傳感器的模擬

溫度傳感器在充電機(jī)運(yùn)行過程中起到了非常重要的作用，充電機(jī)運(yùn)行過程中，控制器Sibcos-M1300基于散熱片和安裝板的實(shí)時(shí)溫度來控制主風(fēng)扇實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，同時(shí)基于蓄電池溫度傳感器檢測(cè)得到的實(shí)時(shí)溫度調(diào)整充電電壓。在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，采用數(shù)字電位器、單片機(jī)及電阻等元器件搭建調(diào)理電路，計(jì)算機(jī)控制調(diào)理電路對(duì)控制器發(fā)送不同的阻值信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器的模擬。仿真試驗(yàn)中基于多種工況設(shè)置不同的阻值信號(hào)通過T1-X2、X151插頭對(duì)控制器提供不同的輸入信號(hào)。

2.4 工業(yè)計(jì)算機(jī)配置

工業(yè)計(jì)算機(jī)上通過Matlab軟件的Simulink工具箱搭建仿真平臺(tái)[3]，利用Matlab軟件的RTW模塊和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)與真實(shí)控制器之間的實(shí)時(shí)信息交互的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，采用PCI-1710UL數(shù)據(jù)采集板卡實(shí)現(xiàn)數(shù)字量信號(hào)采集及輸出功能，該板卡是一款隔離的I/O卡，該卡具有16路隔離數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出通道，同時(shí)還涵蓋12路獨(dú)立的A/D輸出通道，采用與PCI-1710UL板卡配套ADAM-3937、PCLD-785、PCLD-782端子板。采用PCI-727數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)模擬量信號(hào)輸出功能，該采集卡也涵蓋了12路獨(dú)立的D/A輸出通道[4]。

3 仿真主電路軟件及控制器監(jiān)控軟件

3.1 仿真主電路軟件設(shè)計(jì)

a)半實(shí)物仿真系統(tǒng)主電路仿真模型

基于Matlab軟件中的Simulink工具箱搭建的充電機(jī)仿真主電路模型如圖4所示。仿真主電路中各個(gè)元器件參數(shù)的設(shè)置都是根據(jù)實(shí)際充電機(jī)內(nèi)各個(gè)元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)定的，以保證搭建的仿真主電路更加接近實(shí)際主電路運(yùn)行工況。預(yù)充電工作狀態(tài)下，主電路中預(yù)充電容的電壓逐漸升高，當(dāng)Sibcos-M1300主控制器檢測(cè)到中間直流母線電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值后，閉合主接觸器Q3，再斷開預(yù)充電接觸器Q4，系統(tǒng)正常工作。正常工作狀態(tài)下，Sibcos-T2000逆變控制器模塊輸出的IGBT控制信號(hào)經(jīng)過模擬量輸入數(shù)據(jù)采集卡、轉(zhuǎn)換模塊傳送給仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)接收到IGBT控制信號(hào)，仿真主電路將其轉(zhuǎn)換為控制仿真IGBT模塊工作的頻率信號(hào)，從而完成控制仿真主電路中電壓逆變轉(zhuǎn)換，逆變電壓經(jīng)過高頻變壓、整流后產(chǎn)生110 V直流電壓給蓄電池進(jìn)行充電[5]。

系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，Sibcos-M1300主控制器和Sibcos-T2000逆變控制器模塊實(shí)時(shí)接收蓄電池電壓、中間直流母線電壓、三相交流輸入電壓、漏流檢測(cè)電流等測(cè)試信號(hào)，在仿真主電路的相應(yīng)模塊搭建傳感器采集系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)值，將傳感器檢測(cè)得到的瞬時(shí)值通過PCL-727數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)接口電路傳送給控制器，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖4 仿真主電路

b)程序生成

RTW模塊是基于Simulink的代碼自動(dòng)生成環(huán)境，通過RTW模塊將Simulink搭建的仿真模型轉(zhuǎn)化為可移植、可視化的代碼，同時(shí)基于目標(biāo)配置自動(dòng)生成多種工況程序。RTW模塊可以同時(shí)支持多種類型的I/O設(shè)備，故在搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)過程中，無需重復(fù)編寫I/O設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。

搭建充電機(jī)仿真主電路編譯為C語(yǔ)言代碼，可以提高程序的運(yùn)行速度，C語(yǔ)言代碼生成過程如下[6]：

1) RTW模塊讀取充電機(jī)仿真主電路的模型文件(*.mdl)，并且對(duì)模型文件進(jìn)行編譯，形成相對(duì)應(yīng)的中間描述文件(*.rtw)。

2) 運(yùn)用C語(yǔ)言編輯器(TCL)將形成的中間文件轉(zhuǎn)換成C語(yǔ)言程序代碼，并且輸出仿真主電路的C語(yǔ)言代碼。

3) 通過生成的C語(yǔ)言代碼生成程序的聯(lián)編文件(*.mk)。

4) 運(yùn)行程序的聯(lián)編文件可執(zhí)行文件。

轉(zhuǎn)換成C語(yǔ)言代碼的過程都是由Matlab自動(dòng)完成的，搭建的仿真模型是基于Matlab的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境得到相應(yīng)的C語(yǔ)言程序代碼。

3.2 控制器監(jiān)控軟件

充電機(jī)工作實(shí)際工況下，動(dòng)車組中央控制單元(CCU)通過網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)Sibcos-M1300主控制器發(fā)送充電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)，充電機(jī)進(jìn)入正常工作階段。在對(duì)充電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)測(cè)驗(yàn)過程中，采用編寫功能性測(cè)試程序模擬中央控制單元(CCU)發(fā)送控制命令，通過MVB總線對(duì)Sibcos-M1300主控制器發(fā)送控制命令，圖5為充電機(jī)功能性測(cè)試界面。

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，基于監(jiān)測(cè)得到的系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，編寫充電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)軟件，監(jiān)測(cè)Sibcos-M1300主控制器反饋的各種實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，充電機(jī)Sibcos-M1300主控制器的RS-232接口將數(shù)據(jù)輸出。圖6為充電機(jī)檢測(cè)軟件運(yùn)行界面。

圖5 充電機(jī)功能測(cè)試界面

圖6 充電機(jī)檢測(cè)軟件運(yùn)行界面

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用Matlab軟件中的RTW模塊、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)及接口調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)了仿真數(shù)據(jù)與充電機(jī)實(shí)際控制器之間實(shí)時(shí)信息交互，建立了“實(shí)際控制器+虛擬被控對(duì)象”的充電機(jī)半實(shí)物仿真平臺(tái)。

通過該平臺(tái)，根據(jù)CRH3型動(dòng)車組充電機(jī)故障代碼如預(yù)充電接觸器故障、主接觸器故障、中間直流環(huán)節(jié)電壓故障、輸入電壓故障、蓄電池輸出電流故障、直流接地故障、溫度傳感器故障及主風(fēng)扇故障等，借助仿真軟件對(duì)充電機(jī)控制器發(fā)送外部故障模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了故障模擬再現(xiàn)，從而對(duì)充電機(jī)故障進(jìn)行診斷分析，極大地提升了車輛制造、檢修和運(yùn)營(yíng)的故障解決能力和效率。

通過該平臺(tái)，完成了對(duì)CRH3型動(dòng)車組充電機(jī)多種工況的研究與分析，通過調(diào)節(jié)仿真電路中電器件的參數(shù)，可分析其主電路、充電功能及控制和保護(hù)邏輯的正確性與合理性。如通過改變蓄電池溫度信號(hào)和直流負(fù)載大小，分析和驗(yàn)證了充電機(jī)的IGBT控制信號(hào)和其IuoU充電特性曲線。仿真實(shí)驗(yàn)證明，該平臺(tái)完全能滿足設(shè)計(jì)需求，具有較高的性價(jià)比，為動(dòng)車組充電機(jī)的研發(fā)和使用提供了寶貴的科學(xué)研究依據(jù)。