電力機(jī)車定速模式的半實(shí)物仿真研究與實(shí)現(xiàn)

王 清，王龍剛，鄭慧麗

（中國(guó)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(jì)完成后，為了保證實(shí)際裝置及軟件程序的可行性和可靠性，通過(guò)半實(shí)物仿真試驗(yàn)驗(yàn)證是必不可少的。在牽引控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)一種定速模式可以很好地解決此類問(wèn)題。當(dāng)司機(jī)按下定速模式按鈕后，機(jī)車自動(dòng)保持當(dāng)前速度而不需要人為操作。采用這種模式，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間行車后，司機(jī)不用再去控制手柄，減輕了疲勞，同時(shí)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(yàn)定速模式的控制效果，搭建了半實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證。

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

半實(shí)物仿真就是通過(guò)工程仿真或者是對(duì)實(shí)物在回路的實(shí)時(shí)系統(tǒng)建立動(dòng)態(tài)模型，使得工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單[2]。它的可測(cè)試性使得開(kāi)發(fā)者能夠把計(jì)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(wèn)題，目前，它已經(jīng)成功應(yīng)用于硬件在回路實(shí)時(shí)仿真測(cè)試或者快速原型的開(kāi)發(fā)、控制與測(cè)試領(lǐng)域。

本文利搭建的半實(shí)物仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了電力機(jī)車定速模式的試驗(yàn)驗(yàn)證。該平臺(tái)由控制上位機(jī)、兩臺(tái)TCU及三臺(tái)仿真機(jī)組成，模擬電力機(jī)車整車運(yùn)行過(guò)程。

1 半實(shí)物仿真硬件平臺(tái)搭建

在半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)中，牽引控制單元（TCU）為真實(shí)設(shè)備，搭建整車被控對(duì)象主電路模型和機(jī)車動(dòng)力學(xué)模型運(yùn)行在仿真機(jī)中。半實(shí)物仿真硬件平臺(tái)主要包括：3臺(tái)上位機(jī)、3臺(tái)仿真機(jī)和2臺(tái)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(duì)象，在本文中主要由弓網(wǎng)模型、兩個(gè)整流和三個(gè)逆變電機(jī)的主電路模型；仿真機(jī)3為動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)，主要模擬機(jī)車動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。TCU中內(nèi)嵌控制程序，主要作用是對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。圖1為半實(shí)物仿真硬件平臺(tái)框圖。

圖1 半實(shí)物仿真硬件平臺(tái)框圖

本文搭建半實(shí)物仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車定速模式的測(cè)試。硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程為：仿真中1和2運(yùn)行電力機(jī)車兩個(gè)整流和三個(gè)逆變和電機(jī)模型，模擬整車電傳動(dòng)系統(tǒng)；兩個(gè)TCU分別控制仿真機(jī)1和2中的主電路模型。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，TCU1和TCU2通過(guò)硬線I/O發(fā)送PWM波，使主電路電機(jī)運(yùn)行起來(lái)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩通過(guò)反射內(nèi)存信號(hào)傳送給仿真機(jī)3中的動(dòng)力學(xué)模型中，動(dòng)力學(xué)模擬機(jī)車運(yùn)行實(shí)時(shí)輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速和機(jī)車的速度，再通過(guò)反射內(nèi)存反饋速度給仿真機(jī)1和2，實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)。在此過(guò)程中，通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型實(shí)時(shí)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(cè)試過(guò)程中的具體操作流程。具體過(guò)程如下：

1）開(kāi)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(dòng)力學(xué)模型中實(shí)時(shí)獲取機(jī)車實(shí)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(dòng)力學(xué)輸出不同的牽引力或制動(dòng)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(guò)程中，TCU始終實(shí)時(shí)獲取機(jī)車實(shí)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(cè)試操作流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

分別選擇定速50 km/h和90 km/h兩個(gè)定速點(diǎn)按照上圖軟件流程依次試驗(yàn)。定速50 km/h和90 km/h試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

3 468 s時(shí)電力機(jī)車實(shí)施定速50 km/h，由半實(shí)物平臺(tái)動(dòng)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(shí)動(dòng)力學(xué)輸出制動(dòng)力為0。動(dòng)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(shí)動(dòng)力學(xué)輸出牽引力為0。從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，隨著負(fù)載的變化，機(jī)車調(diào)整牽引力/電制力。當(dāng)動(dòng)力學(xué)輸出轉(zhuǎn)變?yōu)闋恳?0%的過(guò)程中，初始階段機(jī)車尚未轉(zhuǎn)變?yōu)殡娭苿?dòng)，列車速度迅速增加，最高瞬時(shí)達(dá)到50.6 km/h，此時(shí)被試機(jī)車電制功率增加，列車速度開(kāi)始迅速降低。在負(fù)載變化的整個(gè)過(guò)程中，列車速度始終控制在50±1 km/h 范圍內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

圖3 定速50 km/h測(cè)試波形

圖4 定速90 km/h測(cè)試波形

707 s時(shí)電力機(jī)車實(shí)施定速50 km/h，由半實(shí)物平臺(tái)動(dòng)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(shí)動(dòng)力學(xué)輸出制動(dòng)力為0。動(dòng)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(shí)動(dòng)力學(xué)輸出牽引力為0。從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，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(shí)，列車速度瞬時(shí)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(gè)過(guò)程中，列車速度始終控制在（50±1）km/h范圍內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所搭建的電力機(jī)車半實(shí)物仿真模型，以及所設(shè)計(jì)的定速控制算法在半實(shí)物仿真平臺(tái)和牽引控制單元（TCU）中能正確運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)。驗(yàn)證了TCU程序中設(shè)計(jì)的定速算法的正確性。為后續(xù)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)起到關(guān)鍵的指導(dǎo)作用，同時(shí)縮短及降低了試驗(yàn)周期和成本。