基于虛擬技術的磁浮列車整流單元測試系統(tǒng)研究

郭建宇

（上海磁浮交通發(fā)展有限公司，上海 201204）

0 引 言

與普通的軌道交通車輛不同，磁浮列車在庫內(nèi)檢修或低速運行時可以從受流器獲取電力。但是在正常高速運行時沒有受流器或受電弓等外部供電部件，列車主要通過自身所帶的線性發(fā)電機獲取所需電力。

當磁浮列車的速度小于100 km/h時，列車受流器伸出接觸動力軌供電；當列車速度大于100 km/h時，列車自身線性發(fā)電機隨磁場變化產(chǎn)生交流感應電勢，然后經(jīng)過整流單元（以下簡稱HS）轉(zhuǎn)換為直流電后供給后續(xù)負載。

線性發(fā)電機供電示意如圖1所示，不管是低速時來自動力軌的直流電還是線性發(fā)電機的交流電都要經(jīng)過HS后經(jīng)再給負載供電。HS是磁浮列車上的重要功率設備，在運行時經(jīng)常會發(fā)生各類故障，如整流模塊短路、欠壓、過流以及機箱信號丟失等。為了保障HS的正常診斷與維修，需要對它的各功能進行全面測試，以檢測其電氣功能及在各類極限運行狀況下的性能。

圖1 線性發(fā)電機供電示意圖

1 測試系統(tǒng)硬件

1.1 電氣硬件

HS測試設備是車載電網(wǎng)測試系統(tǒng)中的重要設備之一，為了模擬和測試HS機箱正常運行時的各功能，測試系統(tǒng)電氣硬件主要由交流電源柜（工頻電源）、開關柜、功率負載、主控制柜、直流電源柜以及測試架等部分組成[1]。

HS測試系統(tǒng)控制柜具有統(tǒng)一的外部電氣接口，主要采用NI控制機箱和程控電源實現(xiàn)HS外部電氣性能的模擬，并采用NI控制器和各類控制板卡進行數(shù)據(jù)的采集與分析工作。其另外一個作用就是負責協(xié)調(diào)整個測試系統(tǒng)中各柜體之間的控制邏輯和供電。開關柜的主要功能是模擬HS的外部工作狀態(tài)，對HS機箱進行測試；直流電源柜能夠模擬車載電網(wǎng)中相關蓄電池的工作情況，并采用CAN通信總線進行電壓和電流控制，完成數(shù)據(jù)采集等工作；功率負載實現(xiàn)了對HS負載的模擬，以測試HS實際帶負載輸出能力。

另外，控制柜內(nèi)還布置有可編程直流電源、電子負載、示波器以及采樣電路等部件，分別為系統(tǒng)各類控制板卡提供直流源、電子負載、測量輸出特性等[2]。

1.2 虛擬儀器

測試系統(tǒng)控制部分采用PXI及PXI Express總線進行數(shù)據(jù)傳輸，并選用NI PXIe-8840控制器和PXIe-1065控制搭建系統(tǒng)硬件平臺，構架如圖2所示。

圖2 控制器硬件平臺架構

采用PXIe-1065作為測試系統(tǒng)控制機箱，其中有18個插槽，各插槽功能模塊相互獨立，且具有高性能PXIe背板，每個PXIe插槽的傳輸帶寬高達1 GB/s。此外，它包括PXI總線，定時和觸發(fā)總線，還能向下兼容PCI機箱的所有特性[3]。

該系統(tǒng)采用PXIe-8840控制器作為系統(tǒng)的核心大腦來處理系統(tǒng)的所有輸入、輸出數(shù)據(jù)。PXIe-8840控制器其實就是一臺高度集成且性能優(yōu)越的微型工業(yè)計算機，不僅有GPIB標準接口，還有豐富的外部擴展接口。其處理器為Intel CoreTM i5 4400E的雙核處理器，同時具有兩個外部顯示端口、兩個網(wǎng)口以及1個RS232接口。

采用PXI-8512作為測試系統(tǒng)CAN卡，它是一款高速率、單端口的PXI CAN接口模塊，可同時對數(shù)百個CAN幀和信號進行高速實時操作的應用。采用PXI-4065作為DMM采集卡來采集模擬量信號，能對交、直流電壓源、電感、溫度、電容以及頻率等進行精確地測量。采用PXI-2503作為測試系統(tǒng)低壓復用開關卡，通過程序控制靈活地切換測量信號。采用PXI-6528作為測試系統(tǒng)IO卡，具有光隔離輸入和輸出通道各24條，可以傳輸模擬測試系統(tǒng)中所需要的數(shù)字信號。此外，對數(shù)字量信號的采集和控制主要采用CB50擴展卡來實現(xiàn)。

2 測試系統(tǒng)軟件

HS測試系統(tǒng)是一種基于NI硬件和LabVIEW的虛擬儀器測試平臺。其原理以計算機為基礎，配合具有數(shù)據(jù)采集、傳輸以及轉(zhuǎn)換等功能的各類數(shù)據(jù)板卡搭建自動測試系統(tǒng)，完成各類自動測試工作[4]。不同于傳統(tǒng)的實物硬件測試系統(tǒng)，虛擬測試技術可以僅通過更改測試程序和調(diào)換相應的控制板卡實現(xiàn)另一種完全不同的測試功能，大大縮短了測試系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低了測試成本。

2.1 系統(tǒng)通信

本測試系統(tǒng)各硬件之間的通信采用通用接口總線（General Purpose Interface Bus，GPIB）。GPIB 是一種標準的測試接口，核心為24芯總線，其中的16根為信號線，另外8根為數(shù)據(jù)線，主要特點如下。一是可以方便地將所需的硬件設備連在一起組成一個類似局域網(wǎng)的測試系統(tǒng)，但硬件設備不能多于15臺，總線總長可達到20 m。二是與常規(guī)邏輯方式不同，GPIB總線的邏輯方式為負邏輯，即低電平時邏輯為“1”,反之則邏輯為“0”。三是采用雙向異步傳輸方式，數(shù)據(jù)傳輸速度可達1M/s。四是總線地址容量大，其中單字節(jié)講地址和聽地址各31個，雙字節(jié)講地址和聽地址各961個。

在一般的測試系統(tǒng)中，控制主機通過GPIB即可實現(xiàn)電源、負載以及各類數(shù)字板卡之間的實時通信，如控制電源的開通與關斷、測試電壓的輸出與反饋、設定電子負載參數(shù)以及各類數(shù)字板卡的數(shù)據(jù)測量與轉(zhuǎn)換等工作[5]。

2.2 測試程序流程

為了檢測HS的各類極限運行情況下的電氣性能，需要設定不同的測試參數(shù)和測試方法來對HS進行測試。系統(tǒng)以LabVIEW和TestStand為平臺設定不同的VI程序和測試序列，對HS的測試數(shù)據(jù)進行分析并輸出測試結(jié)果，圖3為HS測試程序流程圖。

圖3 HS測試程序流程圖

傳統(tǒng)的編程語言都是文本語言，而LabVIEW是一種圖形化的編程語言，非常直觀且易上手，僅僅通過對各類功能圖標進行連線即可完成簡單的編程，通過更改數(shù)據(jù)流的方向即可改變程序的測試時序。最重要的是，LabVIEW自身有非常強大的庫文件，幾乎涵蓋了測試所需的各類基礎功能模塊，調(diào)用十分簡便高效[6]。VI指虛擬儀器子程序，是LabVIEW的程序模塊。圖4所示為本測試系統(tǒng)一個對電源進行控制的VI程序。

圖4 程控電源控制VI程序

TestStand是一種標準的自動化測試管理軟件，全面應用于組織原型搭建、控制設計認證以及具體測試程序的執(zhí)行。它與LABVIEW、VB以及VC等主流測試環(huán)境能夠完美兼容，且能調(diào)用眾多的動態(tài)鏈接庫，將各類編程環(huán)境結(jié)合起來，便于對程序的調(diào)試，在提高系統(tǒng)開發(fā)效率會讓測試速度以及降低成本方面具有明顯優(yōu)勢。此外，TestStand還能在測試結(jié)束后正常測試報表，對測試人員的分析提供幫助。圖5所示為TestStand的一個調(diào)用程序。

圖5 TestStand調(diào)用程序示例

當系統(tǒng)完成HS測試后，可以將本次測試的所有數(shù)據(jù)以特定的文件格式進行保存，包括測試人員、測試時間以及每個測試功能的主要測試數(shù)據(jù)和測試結(jié)果等信息，便于技術人員進行查閱和分析，進而分析和統(tǒng)計HS的故障情況。

3 結(jié) 論

基于NI硬件和LabVIEW軟件的磁浮列車線性發(fā)電機整流單元測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對列車HS機箱各類極限功能的測試。該測試系統(tǒng)測試精度高，能夠在實驗室內(nèi)模擬HS的實時工況并將測試結(jié)果以文件的形式進行輸出保存，便于分析測試數(shù)據(jù)并對故障機箱進行診斷與維修。其測試系統(tǒng)設計思路和實現(xiàn)方法對相關領域的自動測試具有一定的參考意義。