CRH3型動車組充電機半實物仿真系統(tǒng)

康瑛，王瑩，張永波，張榮佳

(中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035)

0 引言

CRH3型動車組充電機是將440 V/60 Hz交流電整流變換為110 V直流電，向整車的直流負載供電，基于對充電機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)充電機正常工作時內(nèi)部存在強電，故其內(nèi)部元器件的測量存在困難；2)某些測試和研究過程存在一定的危險性，同時可能破壞元器件的完好性，故不允許在充電機模塊內(nèi)部直接測試；3)特定測試實驗實際中無法滿足其測試環(huán)境要求，故無法得到預(yù)期試驗結(jié)果，例如實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)置無法滿足試驗要求。

將基于“實際控制器+虛擬被控對象”半實物仿真平臺應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)設(shè)計，可以實現(xiàn)安全、快捷檢測充電機主電路故障，對故障進行仿真，實現(xiàn)可視化模擬，同時有利于設(shè)計綜合性能優(yōu)良的主電路，有效地減少實時、實地測試研究過程中的復(fù)雜性和危險性，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內(nèi)部各個元器件的型號和參數(shù)，通過Matlab軟件中的Simulink工具箱建立起CRH3型動車組充電機主電路，保證在主電路仿真運行、故障分析以及故障可視化模擬過程中還原實際故障，通過Matlab軟件中的RTW(real-time windows target)模塊和數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)與實際控制器之間的信息實時交互，建立CRH3型動車組充電機半實物仿真系統(tǒng)[1](簡稱為半實物仿真系統(tǒng))。

1 充電機及控制器接口分析

CRH3型動車組由4M(動車)+4T(拖車)組成，在動車組中分別安裝了2個獨立的電池充電機。充電機有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，向整車直流負載供電，同時依據(jù)溫度補償IuoU特性曲線給蓄電池充電。

1.1 充電機電路結(jié)構(gòu)

充電機主要由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為充電機主回路原理圖。

啟動充電機工作，充電機的預(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)充電接觸器對功率模塊中的支撐電容進行預(yù)充電；在預(yù)充電過程中支撐電容上的電壓到達輸入電壓的90%，并且中間直流母線電線電壓到達預(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，充電機進入正常工作模式。充電機在對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。充電機工作過程中采用強制空氣冷卻法，空氣由裝在充電器箱前面板上的雙氣嘴進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)扇冷卻空氣快速擴散。

圖1 充電機主回路原理圖

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，并接受車輛級總線(MVB)的工作狀態(tài)和輸入信號來控制充電機的喚醒和靜置過程，同時監(jiān)測充電機運行過程中的所有工作狀態(tài)，并通過車輛級總線(MVB)向中央控制單元(CCU)發(fā)送狀態(tài)信息。

Sibcos-M1300主控制器在充電機運行過程中可以對其發(fā)生的過載、短路及其他故障進行監(jiān)測并觸發(fā)相應(yīng)的保護作用，并將故障狀態(tài)及數(shù)據(jù)流進行儲存，用于診斷與修復(fù)。同時將故障代碼及數(shù)據(jù)流通過車輛級總線(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。處理器磁心存儲器和外圍接口通過LCA(邏輯單元數(shù)組)進行邏輯連接。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)量信號通過Sibcos-M1300主控制器中X083插頭進行控制，輸入接觸器和預(yù)充接觸器的直流110 V開關(guān)量信號通過X084插頭進行控制。這5種接觸器的閉合和斷開信號通過其輔助觸點傳輸?shù)街骺仄鞯腦080、X081插頭上，稱為接觸器反饋信號。主風(fēng)扇保護開關(guān)信號傳輸?shù)街骺仄鞯腦081插頭上，外接反饋信號、扼流圈R5反饋信號傳輸?shù)街骺仄鞯腦082插頭上。充電機內(nèi)部分別測量輸入電壓1(交流)、輸入電壓2(交流)、接地檢測(直流)、中間直流電壓的電壓傳感器，測量得到的模擬量信號通過主控制器上的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。

充電機內(nèi)部測量蓄電池電流、蓄電池電壓1、蓄電池電壓2、充電機輸出電流的傳感器，測量得到的模擬量信號通過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、T2整流模塊的溫度信號通過T1-X2傳送給逆變模塊控制器。

2 半實物仿真系統(tǒng)實現(xiàn)方案

半實物仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)控制策略如圖3所示，工業(yè)計算機用來對充電機主電路進行仿真計算，工業(yè)計算機通過數(shù)據(jù)采集板卡、信號及接口電路實現(xiàn)與控制器之間的數(shù)據(jù)信息實時交互，并對數(shù)據(jù)信息進行存儲和顯示。

圖3 充電機半實物仿真系統(tǒng)

2.1 接觸器、反饋及保護開關(guān)信號的模擬

半實物仿真系統(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，通過插頭X083、X084將閉合信號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的實時狀態(tài)，從而實現(xiàn)工業(yè)計算機對接觸器開關(guān)量信號的采集。

計算機接收到接觸器閉合信號后，Sibcos-M1300主控制器還需要接收相應(yīng)接觸器閉合的反饋信號、主風(fēng)扇保護開關(guān)信號、外接反饋信號、扼流圈R5反饋信號以及主風(fēng)扇轉(zhuǎn)速反饋信號，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傳送給主控制器。

2.2 傳感器及IGBT控制信號的模擬

充電機內(nèi)部8個電壓電流傳感器分別采集不同模塊的電壓、電流信號，將采集到的電流信號分別通過插頭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。半實物仿真系統(tǒng)中，仿真主電路將仿真運算得到的數(shù)據(jù)通過模擬量輸出板卡輸出相應(yīng)的電壓值信號，再通過信號接口電路將接收到的電壓信號采用線性算法轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號，然后通過X151、XT1-X6插頭傳送給控制器的模擬量輸入通道，模擬實際充電機內(nèi)部傳感器對控制器發(fā)送的信號。在半實物仿真系統(tǒng)中，仿真主電路的運行需要采集當(dāng)前Sibcos-T2000逆變模塊控制器對IGBT的控制信號，基于采集得到IGBT控制信號實時計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，同時轉(zhuǎn)換模塊將IGBT的控制信號轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)采集卡能夠識別的電壓信號。模擬傳感器工作中需要保證接口電路電流為線性變化，同時計算機發(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運行過程中起到了非常重要的作用，充電機運行過程中，控制器Sibcos-M1300基于散熱片和安裝板的實時溫度來控制主風(fēng)扇實時轉(zhuǎn)速，同時基于蓄電池溫度傳感器檢測得到的實時溫度調(diào)整充電電壓。在半實物仿真系統(tǒng)中，采用數(shù)字電位器、單片機及電阻等元器件搭建調(diào)理電路，計算機控制調(diào)理電路對控制器發(fā)送不同的阻值信號從而實現(xiàn)對溫度傳感器的模擬。仿真試驗中基于多種工況設(shè)置不同的阻值信號通過T1-X2、X151插頭對控制器提供不同的輸入信號。

2.4 工業(yè)計算機配置

工業(yè)計算機上通過Matlab軟件的Simulink工具箱搭建仿真平臺[3]，利用Matlab軟件的RTW模塊和數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)與真實控制器之間的實時信息交互的半實物仿真系統(tǒng)。在半實物仿真系統(tǒng)中，采用PCI-1710UL數(shù)據(jù)采集板卡實現(xiàn)數(shù)字量信號采集及輸出功能，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，同時還涵蓋12路獨立的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)采集卡來實現(xiàn)模擬量信號輸出功能，該采集卡也涵蓋了12路獨立的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

a)半實物仿真系統(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仿真主電路模型如圖4所示。仿真主電路中各個元器件參數(shù)的設(shè)置都是根據(jù)實際充電機內(nèi)各個元件參數(shù)進行設(shè)定的，以保證搭建的仿真主電路更加接近實際主電路運行工況。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主控制器檢測到中間直流母線電壓達到預(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，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，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逆變控制器模塊實時接收蓄電池電壓、中間直流母線電壓、三相交流輸入電壓、漏流檢測電流等測試信號，在仿真主電路的相應(yīng)模塊搭建傳感器采集系統(tǒng)運行實時值，將傳感器檢測得到的瞬時值通過PCL-727數(shù)據(jù)采集卡和信號接口電路傳送給控制器，保證整個系統(tǒng)的正常運行。

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，同時基于目標配置自動生成多種工況程序。RTW模塊可以同時支持多種類型的I/O設(shè)備，故在搭建仿真實驗平臺過程中，無需重復(fù)編寫I/O設(shè)備的驅(qū)動程序。

搭建充電機仿真主電路編譯為C語言代碼，可以提高程序的運行速度，C語言代碼生成過程如下[6]：

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

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

3) 通過生成的C語言代碼生成程序的聯(lián)編文件(*.mk)。

4) 運行程序的聯(lián)編文件可執(zhí)行文件。

轉(zhuǎn)換成C語言代碼的過程都是由Matlab自動完成的，搭建的仿真模型是基于Matlab的仿真實驗環(huán)境得到相應(yīng)的C語言程序代碼。

3.2 控制器監(jiān)控軟件

充電機工作實際工況下，動車組中央控制單元(CCU)通過網(wǎng)絡(luò)會對Sibcos-M1300主控制器發(fā)送充電機啟動信號，充電機進入正常工作階段。在對充電機進行單獨測驗過程中，采用編寫功能性測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Sibcos-M1300主控制器發(fā)送控制命令，圖5為充電機功能性測試界面。

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

圖5 充電機功能測試界面

圖6 充電機檢測軟件運行界面

4 結(jié)語

綜上所述，采用Matlab軟件中的RTW模塊、數(shù)據(jù)采集卡、信號及接口調(diào)理電路實現(xiàn)了仿真數(shù)據(jù)與充電機實際控制器之間實時信息交互，建立了“實際控制器+虛擬被控對象”的充電機半實物仿真平臺。

通過該平臺，根據(jù)CRH3型動車組充電機故障代碼如預(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，借助仿真軟件對充電機控制器發(fā)送外部故障模擬信號，實現(xiàn)了故障模擬再現(xiàn)，從而對充電機故障進行診斷分析，極大地提升了車輛制造、檢修和運營的故障解決能力和效率。

通過該平臺，完成了對CRH3型動車組充電機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邏輯的正確性與合理性。如通過改變蓄電池溫度信號和直流負載大小，分析和驗證了充電機的IGBT控制信號和其IuoU充電特性曲線。仿真實驗證明，該平臺完全能滿足設(shè)計需求，具有較高的性價比，為動車組充電機的研發(fā)和使用提供了寶貴的科學(xué)研究依據(jù)。