王 清，王龍剛，鄭慧麗

（中國中車永濟(jì)電機(jī)公司，陜西 西安 710016）

引言

電力機(jī)車牽引控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計完成后，為了保證實際裝置及軟件程序的可行性和可靠性，通過半實物仿真試驗驗證是必不可少的。在牽引控制系統(tǒng)設(shè)計中，考慮司機(jī)駕駛方便和機(jī)車牽引力的有效利用，設(shè)計一種定速模式可以很好地解決此類問題。當(dāng)司機(jī)按下定速模式按鈕后，機(jī)車自動保持當(dāng)前速度而不需要人為操作。采用這種模式，當(dāng)長時間行車后，司機(jī)不用再去控制手柄，減輕了疲勞，同時減少了不必要的車速變化，提高了牽引力的利用率。為了檢驗定速模式的控制效果，搭建了半實物仿真平臺進(jìn)行實時仿真驗證。

近年來，數(shù)字仿真技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)性、可控性、安全性等特點得到了廣泛應(yīng)用[1]。然而遺憾的是，它卻沒有與硬件I/O的接口，不支持實時仿真。針對該軟件的不足，進(jìn)行實時仿真就成為了解決該問題的突破口。

半實物仿真就是通過工程仿真或者是對實物在回路的實時系統(tǒng)建立動態(tài)模型，使得工程系統(tǒng)的設(shè)計過程變得更加簡單[2]。它的可測試性使得開發(fā)者能夠把計算機(jī)使用到任何需要應(yīng)用的地方；其應(yīng)用的靈活性使它能夠應(yīng)用于解決最復(fù)雜的仿真和控制問題，目前，它已經(jīng)成功應(yīng)用于硬件在回路實時仿真測試或者快速原型的開發(fā)、控制與測試領(lǐng)域。

本文利搭建的半實物仿真平臺實現(xiàn)了電力機(jī)車定速模式的試驗驗證。該平臺由控制上位機(jī)、兩臺TCU及三臺仿真機(jī)組成，模擬電力機(jī)車整車運(yùn)行過程。

1 半實物仿真硬件平臺搭建

在半實物仿真測試系統(tǒng)中，牽引控制單元（TCU）為真實設(shè)備，搭建整車被控對象主電路模型和機(jī)車動力學(xué)模型運(yùn)行在仿真機(jī)中。半實物仿真硬件平臺主要包括：3臺上位機(jī)、3臺仿真機(jī)和2臺牽引控制單元（TCU）。其中仿真機(jī)1和2的作用為模擬牽引控制單元的控制對象，在本文中主要由弓網(wǎng)模型、兩個整流和三個逆變電機(jī)的主電路模型；仿真機(jī)3為動力學(xué)仿真機(jī)，主要模擬機(jī)車動力學(xué)運(yùn)動關(guān)系。TCU中內(nèi)嵌控制程序，主要作用是對被控對象進(jìn)行控制。圖1為半實物仿真硬件平臺框圖。

圖1 半實物仿真硬件平臺框圖

本文搭建半實物仿真平臺實現(xiàn)電力機(jī)車定速模式的測試。硬件平臺實現(xiàn)的過程為：仿真中1和2運(yùn)行電力機(jī)車兩個整流和三個逆變和電機(jī)模型，模擬整車電傳動系統(tǒng)；兩個TCU分別控制仿真機(jī)1和2中的主電路模型。試驗開始時，TCU1和TCU2通過硬線I/O發(fā)送PWM波，使主電路電機(jī)運(yùn)行起來，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩通過反射內(nèi)存信號傳送給仿真機(jī)3中的動力學(xué)模型中，動力學(xué)模擬機(jī)車運(yùn)行實時輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速和機(jī)車的速度，再通過反射內(nèi)存反饋速度給仿真機(jī)1和2，實現(xiàn)速度的閉環(huán)。在此過程中，通過動力學(xué)模型實時調(diào)節(jié)機(jī)車的負(fù)載，并輸出不同的速度給TCU進(jìn)行速度定速調(diào)節(jié)。

2 軟件流程分析

圖2給出了測試過程中的具體操作流程。具體過程如下：

1）開始階段，機(jī)車工作選擇在定速模式下；

2）定速速度為v；

3）TCU從動力學(xué)模型中實時獲取機(jī)車實際定速速度為V，判定V與v差值在±1 km/h范圍內(nèi)；

4）由動力學(xué)輸出不同的牽引力或制動力；

5）隨著負(fù)載的變化，TCU控制機(jī)車調(diào)整牽引力/電制力；

6）在負(fù)載變化的過程中，TCU始終實時獲取機(jī)車實際速度V判定，V與v差值在±1 km/h范圍內(nèi)；

7）結(jié)束。

圖2 測試操作流程圖

3 試驗結(jié)果分析

分別選擇定速50 km/h和90 km/h兩個定速點按照上圖軟件流程依次試驗。定速50 km/h和90 km/h試驗結(jié)果見圖3和圖4。

3 468 s時電力機(jī)車實施定速50 km/h，由半實物平臺動力學(xué)模型依次提供機(jī)車反方向10%、20%、30%、40%、50%、60%、50%、40%、30%、20%、10%的電制力，3 496 s時動力學(xué)輸出制動力為0。動力學(xué)依次提供與機(jī)車同方向10%、20%、30%、40%、50%、60%、50%、40%、30%、20%、10%的牽引力，3 909 s時動力學(xué)輸出牽引力為0。從試驗結(jié)果可見，隨著負(fù)載的變化，機(jī)車調(diào)整牽引力/電制力。當(dāng)動力學(xué)輸出轉(zhuǎn)變?yōu)闋恳?0%的過程中，初始階段機(jī)車尚未轉(zhuǎn)變?yōu)殡娭苿樱熊囁俣妊杆僭黾?，最高瞬時達(dá)到50.6 km/h，此時被試機(jī)車電制功率增加，列車速度開始迅速降低。在負(fù)載變化的整個過程中，列車速度始終控制在50±1 km/h 范圍內(nèi)，試驗結(jié)果滿足預(yù)期設(shè)計要求。

圖3 定速50 km/h測試波形

圖4 定速90 km/h測試波形

707 s時電力機(jī)車實施定速50 km/h，由半實物平臺動力學(xué)模型依次提供機(jī)車反方向10%、20%、30%、40%、50%、60%、50%、40%、30%、20%、10%的電制力，969 s時動力學(xué)輸出制動力為0。動力學(xué)依次提供與機(jī)車同方向10%、20%、30%、40%、50%、60%、50%、40%、30%、20%、10%的牽引力，1 162 s時動力學(xué)輸出牽引力為0。從試驗結(jié)果可見，隨著負(fù)載的變化，被試機(jī)車調(diào)整牽引力/電制力；當(dāng)陪試機(jī)車電制50%時，列車速度瞬時降低到89 km/h，被試機(jī)車的牽引力迅速增加，列車速度增加到89.5 km/h。在負(fù)載變化的整個過程中，列車速度始終控制在（50±1）km/h范圍內(nèi)，試驗結(jié)果滿足預(yù)期設(shè)計要求。

4 結(jié)語

本文所搭建的電力機(jī)車半實物仿真模型，以及所設(shè)計的定速控制算法在半實物仿真平臺和牽引控制單元（TCU）中能正確運(yùn)行。實驗結(jié)果表明，定速模式能夠在全速度范圍內(nèi)按照預(yù)期的程序算法設(shè)定的目標(biāo)實現(xiàn)。驗證了TCU程序中設(shè)計的定速算法的正確性。為后續(xù)系統(tǒng)在現(xiàn)場試驗起到關(guān)鍵的指導(dǎo)作用，同時縮短及降低了試驗周期和成本。