司機(jī)控制器可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

袁碧珍 趙懷林 王蘇曉 朱紀(jì)洪

司機(jī)控制器可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

袁碧珍1趙懷林1王蘇曉1朱紀(jì)洪2

（1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，201418，上海；2.清華大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，100084，北京∥第一作者，碩士研究生）

司機(jī)控制器是司機(jī)操縱機(jī)車(chē)的重要部件，其性能的好壞直接影響列車(chē)的運(yùn)行狀況。對(duì)司機(jī)控制器進(jìn)行可靠性測(cè)試是保障其質(zhì)量最有效的方法。采用LabVIEW作為系統(tǒng)的上位機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)狀態(tài)；用DSP（數(shù)字信號(hào)處理）作為控制采集模塊，控制司機(jī)控制器運(yùn)動(dòng)并采集其輸出數(shù)據(jù)。同時(shí)，采用一臺(tái)上位機(jī)控制多個(gè)DSP系統(tǒng)的主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)效率并降低了成本。該系統(tǒng)同時(shí)對(duì)多臺(tái)司機(jī)控制器進(jìn)行試驗(yàn)。最后對(duì)可靠性進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明該系統(tǒng)滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，為司機(jī)控制器的維修和維護(hù)提供了依據(jù)。

軌道交通車(chē)輛；司機(jī)控制器；可靠性；主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；試驗(yàn)系統(tǒng)

司機(jī)控制器是駕駛者操作和控制列車(chē)行駛速度和剎車(chē)的主要器件，列車(chē)的行駛安全依賴(lài)于司機(jī)控制器的可靠性。列車(chē)運(yùn)行一段時(shí)間后，其內(nèi)部零件可能會(huì)有機(jī)械磨損，同時(shí)緊固件有可能會(huì)松動(dòng)，或者傳動(dòng)件會(huì)產(chǎn)生故障，然而這些不易察覺(jué)的小故障會(huì)降低司機(jī)控制器的可靠性。因此，在司機(jī)控制器設(shè)計(jì)、研究和生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)其進(jìn)行可靠性測(cè)試［1］。然而，司機(jī)控制器作為一種電氣設(shè)備［2］，一般的測(cè)試系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)其機(jī)械性能的單一測(cè)試，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)測(cè)試目標(biāo)的。因此，本文提出的可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)在對(duì)其進(jìn)行機(jī)械壽命測(cè)試的同時(shí)，也對(duì)其內(nèi)部至關(guān)重要的低壓電器的性能進(jìn)行檢測(cè)，可以滿(mǎn)足可靠性試驗(yàn)的要求。

LabVIEW是一種被稱(chēng)作G語(yǔ)言的圖形化編程工具。在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，與傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行比較，其編程方式能夠在不影響運(yùn)行速度的前提下充分利用資源，體現(xiàn)出其高效率的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)Lab－VIEW自帶的顯示控件給用戶(hù)帶來(lái)直觀(guān)和便捷的視覺(jué)體驗(yàn)。與其他編程語(yǔ)言相比，LabVIEW在數(shù)據(jù)采集和處理方面有不可替代的優(yōu)勢(shì)。因此，本可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)將LabVIEW作為上位機(jī)的開(kāi)發(fā)工具［3］。

1 測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是基于TKS354C型司機(jī)控制器設(shè)計(jì)的。其內(nèi)裝有電位器、凸輪和輔助觸頭盒。凸輪是由凸輪架和凸輪塊拼裝而成的。其手柄的擋位分為MAX、MIN、預(yù)置、惰轉(zhuǎn)、1、2、…、8。依據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，司機(jī)控制器內(nèi)部的工作過(guò)程可以簡(jiǎn)單描述為兩部分：①當(dāng)手柄在8至預(yù)置擋位之間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)主軸和凸輪架隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)凸輪塊的位置轉(zhuǎn)動(dòng)到輔對(duì)應(yīng)位置時(shí)，杠桿受到凸輪塊的擠壓而將與其連動(dòng)的輔助觸頭頂開(kāi)，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制線(xiàn)與電源斷開(kāi)，輸出低電平；相反地，當(dāng)凸輪塊的位置轉(zhuǎn)動(dòng)到某些位置時(shí)，使得對(duì)應(yīng)的控制線(xiàn)與電源接通，從而輸出高電平。根據(jù)這個(gè)原理可以獲得手柄在不同位置時(shí)的觸頭閉合表。②在MAX至預(yù)置擋位之間接有電位器，手柄轉(zhuǎn)動(dòng)可以改變其輸出的有效電阻值，最終改變輸出電壓。因此，通過(guò)采集比較觸頭閉合表和輸出電壓值與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定值的一致性，最后根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行分析、計(jì)算，從而獲得列車(chē)司機(jī)控制器的可靠性能指標(biāo)。

司機(jī)控制器壽命試驗(yàn)系統(tǒng)主要由上位機(jī)、一組DSP（數(shù)字信號(hào)處理）模塊、一組電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)，以及司機(jī)控制器試驗(yàn)臺(tái)組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示,整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由裝有基于Lab－VIEW開(kāi)發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)即上位機(jī)和一組下位機(jī)組成。下位機(jī)主要包括DSP、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)和司機(jī)控制器試驗(yàn)臺(tái)組成。依據(jù)制定的通訊協(xié)議，上位機(jī)與各DSP通過(guò)RS422總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。上位機(jī)通過(guò)如圖2所示的人機(jī)交互界面，將來(lái)自于測(cè)試人員的指令封裝成8字節(jié)的具有幀頭、指令數(shù)據(jù)、校驗(yàn)和的數(shù)據(jù)幀。上位機(jī)采用輪詢(xún)的方式，每2 ms發(fā)送一次指令，通過(guò)指令I(lǐng)D辨別各DSP，從而實(shí)現(xiàn)與DSP的輪流通信。DSP定時(shí)采集接收端的數(shù)據(jù)，然后，先確認(rèn)接收數(shù)據(jù)的ID，再通過(guò)計(jì)算校驗(yàn)和來(lái)驗(yàn)證幀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，確認(rèn)幀數(shù)據(jù)無(wú)誤后，將幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解封裝，得到指令數(shù)據(jù)，而后根據(jù)指令數(shù)據(jù)的動(dòng)作控制對(duì)應(yīng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器得到來(lái)自DSP的指令后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)司機(jī)控制器的手柄，使之按測(cè)試人員的要求進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。司機(jī)控制器運(yùn)行過(guò)程中輸出的電壓值通過(guò)電阻分壓傳送給DSP的A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊將獲得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出；司機(jī)控制器對(duì)應(yīng)擋位的觸點(diǎn)閉合情況通過(guò)DSP的I/O（輸入/輸出）口捕獲。DSP依據(jù)內(nèi)部通訊協(xié)議，將觸點(diǎn)閉合數(shù)據(jù)和輸出的數(shù)字化電壓值轉(zhuǎn)換成幀數(shù)據(jù)，通過(guò)RS422總線(xiàn)，將數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)。上位機(jī)定時(shí)讀取串口接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，同樣先判斷ID，然后驗(yàn)證校驗(yàn)和，確保幀數(shù)據(jù)無(wú)誤后，對(duì)幀進(jìn)行解析，從而得到對(duì)應(yīng)的司機(jī)控制器的輸出電壓值和觸點(diǎn)閉合數(shù)據(jù)，將其與設(shè)定界面中對(duì)應(yīng)位置的設(shè)定值進(jìn)行比較，將結(jié)果在界面中實(shí)時(shí)顯示，并將結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊保存到對(duì)應(yīng)的ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖2 司機(jī)控制器可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)界面

2 測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

根據(jù)客戶(hù)的要求，需要實(shí)現(xiàn)包括4部分的功能：①用戶(hù)登錄；②觸點(diǎn)的閉合情況和輸出電壓值等參數(shù)可自定義；③試驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示；④可以查看在司機(jī)控制器運(yùn)行過(guò)程中NI數(shù)據(jù)采集卡采集到的電位器閉合數(shù)據(jù)和輸出的電壓值與設(shè)定的參數(shù)不一致的信息（以下簡(jiǎn)稱(chēng)錯(cuò)誤信息）并顯示出來(lái)。因此將軟件部分分為4個(gè)部分：登錄界面、參數(shù)設(shè)定界面、試驗(yàn)操作界面和查看錯(cuò)誤界面。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 主要模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，程序?qū)崿F(xiàn)的流程圖如圖4所示。圖4中，程序主要由數(shù)據(jù)采集模塊、上電初始零位調(diào)整模塊、開(kāi)始測(cè)試模塊和查看錯(cuò)誤模塊組成。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都包含了采集、分析和顯示3部分。在LabVIEW中，如果將這3個(gè)步驟通過(guò)數(shù)據(jù)流連接起來(lái)，不僅不能體現(xiàn)LabVIEW的并行處理優(yōu)勢(shì)，還會(huì)帶來(lái)時(shí)間延遲，進(jìn)而使采集的周期變長(zhǎng)，最終數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性也得不到保證［4］。因此，本系統(tǒng)采用了生產(chǎn)者/消費(fèi)者結(jié)構(gòu)，讓多個(gè)循環(huán)并行執(zhí)行，即采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)分別放入2個(gè)While中并行運(yùn)行，同時(shí)這2個(gè)循環(huán)可以相互通信，但不會(huì)互相干涉。同時(shí)此結(jié)構(gòu)還可避免數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)的重復(fù)利用等問(wèn)題［5］。

圖4 程序流程圖

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是通過(guò)串口來(lái)傳輸?shù)?，串口的波特率?9 200，DSP每10 ms發(fā)一幀數(shù)據(jù)，一幀數(shù)據(jù)8字節(jié)，1開(kāi)始位，1停止位，無(wú)檢驗(yàn)，一幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間大概是3.437 5 ms。采集的數(shù)據(jù)放入隊(duì)列的過(guò)程耗時(shí)極少，即采集的數(shù)據(jù)存到緩存中需要的時(shí)間很短。本系統(tǒng)中生產(chǎn)者循環(huán)每10 ms存放一次數(shù)據(jù)，而處理數(shù)據(jù)循環(huán)不停地處理數(shù)據(jù)。其程序示意圖如圖5所示。

2.2.2 上電初始零位調(diào)整

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊示意圖

由于伺服電機(jī)使用的是增量式編碼器，當(dāng)電機(jī)與司機(jī)控制器試驗(yàn)臺(tái)連接完成，開(kāi)始上電測(cè)試時(shí)，上位機(jī)無(wú)法得知伺服電機(jī)即司機(jī)控制器的手柄位置，所以采用了在手柄運(yùn)動(dòng)位置的兩端（即MAX和8位置）安裝接近開(kāi)關(guān)以確定初始零位。因此，在試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)定界面有8-MAX和MAX-8兩個(gè)按鈕來(lái)調(diào)整手柄，使其在8位置或者M(jìn)AX位置。

2.2.3 開(kāi)始測(cè)試

當(dāng)司機(jī)控制器的機(jī)械手柄回到MAX或者8的兩端位置時(shí)，就可以開(kāi)始進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。點(diǎn)擊開(kāi)始測(cè)試后，上位機(jī)指令的發(fā)送通過(guò)定時(shí)循環(huán)實(shí)現(xiàn)，在發(fā)送的數(shù)據(jù)中改變ID的值，從而實(shí)現(xiàn)與各個(gè)DSP數(shù)據(jù)傳遞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。DSP接收到控制指令后，通過(guò)PWM（脈沖寬度調(diào)制）模塊產(chǎn)生PWM波，從而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)手柄從8到MAX，再由MAX到8這樣循環(huán)運(yùn)動(dòng)，將其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的觸點(diǎn)閉合情況和電位器輸出電壓值與設(shè)定界面內(nèi)的設(shè)定值進(jìn)行比較、顯示和存儲(chǔ)。最后對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而獲得司機(jī)控制器的可靠性參數(shù)。

2.3 主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 主從式網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖6可知，本系統(tǒng)是一個(gè)總線(xiàn)型結(jié)構(gòu)，各DSP掛在總線(xiàn)上。主從式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，采用令牌的管理方法。在這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中“通信權(quán)輪流分配”首先是 DSP1 ，然后是 DSP2、…、DSPn，再接著就是DSP1，這樣無(wú)限循環(huán)。當(dāng)輪到某個(gè)DSP通信時(shí)，它就得到了控制權(quán)，能和上位機(jī)進(jìn)行通信。

3 測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物展示如圖7所示。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由19個(gè)測(cè)試臺(tái)架組成。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物展示

隨著高速鐵路和動(dòng)車(chē)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)車(chē)的可靠性提出了更高的要求。可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件和時(shí)間的前提下完成規(guī)定功能的能力；反之，產(chǎn)品或者該產(chǎn)品的其些部分不能或?qū)⒉荒芡瓿梢?guī)定的功能就是出故障。換言之，故障少的產(chǎn)品其可靠性就高。產(chǎn)品的故障總數(shù)與壽命單位總數(shù)的比稱(chēng)為故障率，用λ表示。同時(shí)，對(duì)于電器產(chǎn)品，其λ服從指數(shù)分布。因此，該產(chǎn)品的故障率和平均故障間隔時(shí)間tMBF符合如下關(guān)系表達(dá)式：tMBF=1/λ。

tMBF是指可修復(fù)的產(chǎn)品在兩次相鄰故障之間的平均時(shí)間。tMBF是衡量電器產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，反映了產(chǎn)品的時(shí)間質(zhì)量，體現(xiàn)了產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持功能的能力。

在本系統(tǒng)中，主要測(cè)試多個(gè)凸輪觸頭和電位器這些低壓器件的性能，因此司機(jī)控制器的故障率可以通過(guò)這些零部件的試驗(yàn)獲得，進(jìn)而可以根據(jù)下式計(jì)算出司機(jī)控制器的平均故障間隔時(shí)間：

式中，N在對(duì)司機(jī)控制器進(jìn)行可靠性試驗(yàn)的過(guò)程中共計(jì)發(fā)生的故障次數(shù)，λi是第i個(gè)器件的故障號(hào)。將這些故障進(jìn)行分類(lèi)，分配到具體的器件，假設(shè)某個(gè)器件發(fā)生故障次數(shù)為Ni，每次故障后經(jīng)過(guò)修復(fù)繼續(xù)投入使用，其工作時(shí)間分別為 t1，t2，t3，...，tn，那么可以根據(jù)下式計(jì)算出該器件的故障率為：

根據(jù)公式（2）可計(jì)算出每個(gè)器件的故障率，最終由公式（1）計(jì)算獲得本司機(jī)控制器的平均故障時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

采用LabVIEW作為本系統(tǒng)的上位機(jī)，為用戶(hù)提供了友好的人機(jī)交互界面；用DSP作為控制和采集模塊，對(duì)司機(jī)控制器的手柄進(jìn)行了精確的位置控制，能夠?qū)崟r(shí)采集和傳輸數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求、達(dá)到了預(yù)期效果，并通過(guò)計(jì)算分析可以獲得系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)現(xiàn)已投入使用，為司機(jī)控制器可靠性測(cè)試提供了依據(jù)和參考。

［1］ 黃朝暉.司機(jī)控制器機(jī)械壽命試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)［J］.電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2008（4）：19.

［2］ 許霽.基于LabVIEW隊(duì)列狀態(tài)機(jī)的掃頻儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2013（9）：75.

［3］ 夏玉龍，趙懷林，和陽(yáng).基于虛擬儀器的電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀表，2015（4）：59.

［4］ 盧天海，王見(jiàn).基于LabVIEW的電機(jī)功耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012（3）：580.

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Design and Measurement of the Reliability Testing System for Driver Controller

YUAN Bizhen，ZHAO Huailin，WANG Suxiao，ZHU Jihong

Train driver controller is an important part in driver's operation,the performance of which directly influences the running status of the train.Reliability test of the controller is the most effective method to guarantee the quality of the driver controller.LabVIEW,as the PC platform，can monitor the real-time display system.While DSP (digital signal processing)as the control module，can manipulate the driver controller and collect the output data.In order to improve the efficiency of the system and decrease the cost，a master-slave network structure is adopted to realize the control modes of multiple controllers.Finally,the reliability of the drive controller is evaluated,the results show that the system could meet the testing requirements and provide a basis for the repair and maintenance of the controller at the same time.

rail transit vehicle；train driver controller；reliability；master-slave network structure；testing system

U260.36；U268.3

10.16037/j.1007-869x.2017.11.016

First-author′s address School of Electrical and Electronic Engineering，Shanghai Institute of Technology，201418，Shanghai，China

2016-02-06）