交流傳動試驗臺測試系統的設計與實現

趙 震，李 偉，王 淵，劉宗祝

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035）

1 交流傳動試驗臺概況

交流傳動試驗臺是一個可進行交流傳動系統聯調試驗的試驗平臺，試驗的最高速度可達500km／h（輪徑875mm，傳動比2.01）。試驗室能夠提供單相AC 25 kV／50Hz，DC 1 500V，DC 750V 等電源，容量最大4 000kVA，試驗系統技術水平達到國際先進水平。通過該試驗平臺可按照IEC61377、IEC61287、IEC60349等國際標準進行與牽引變流器、牽引電機相關的型式試驗和研究性試驗，同時可進行與牽引控制相關的研究和開發。通過系統的靈活組合還可以對大功率機車及城軌車輛的牽引系統進行地面系統聯調試驗。試驗臺主回路電路原理圖如圖1所示。

圖1 試驗臺主回路電路原理圖

2 測試系統特點及需求分析

測試系統作為交流牽引試驗系統的組成部分，其主要作用為監測系統的運行狀態，采集、顯示、分析和保存系統運行時的關鍵數據，為對目標系統和設備的檢驗、檢測和控制研究提供可靠的數據保障。

由于試驗臺的測試對象涵蓋了高速動車組、大功率機車以及城軌車輛等多種類型的牽引系統，而不同的被測對象，其參數的特點、類型及范圍是不同的，如對于電機的測試來說，動車組的電機相對于機車電機，其功率小，轉矩小，但轉速則最高可達6 000r／min以上，而大功率機車的電機轉速雖低，但其功率大，轉矩也高達11 000N·m以上，這就意味著測試系統要能夠同時滿足“高速度、大功率”的測試要求。根據這一特點，從測試系統的角度出發，就需要測試系統的測試參量范圍要涵蓋所有可能的被測對象。我們對目前國內的一些主流車型和諧號高速動車組、和諧型大功率電力機車以及典型的城軌車輛進行了詳細的比較分析，得出了主要參數的測試范圍［1-6］。如表1和表2所示。

表1 典型被測對象（機車與動車）參數比較分析

表2 典型被測對象（城軌車輛）參數比較分析

表中強調標出了每一個測量參數有可能的最大值，據此我們就可以選出可以涵蓋所有車型測量需要的傳感器參數，在表中也一并列出。

3 系統硬件設計

測試系統由傳感器、信號調理模塊、數據采集系統等硬件組成，根據交流傳動試驗室設備整體分散、局部集中的特點，測試系統采用分布式設計，總體結構如圖2所示。

測試系統的硬件設計，其核心工作則是數據采集設備的設計、安裝與調試，在本測試系統中用了兩種不同類型的數據采集系統。對于試驗系統中采集頻率高、數據量大、同步性要求高的相關參量，如電壓、電流等均采用基于PXI總線的數據采集設備；而對于相對采集頻率低、數據較小、同步性要求不高的相關參量，如溫度、流量等則采用基于串口通訊的智能集成采集設備，下面分別予以介紹。

圖2 測試系統結構圖

3.1 基于PXI的系統設計

根據試驗室現場測試條件的特點，測試系統采用以太網遠程控制體系。測試系統分為主控機、分布采集機箱1、分布采集機箱2。主控機和兩個分布采集機箱被設置在一個局域網內，主控機通過以太網對兩臺采集機箱進行控制。主控機放置在條件較好的控制室內，采用工業控制計算機。放置在測試現場的采集機箱采用2臺8槽3U的PXI機箱，可以便攜使用，也可放置在標準機柜中。測試系統原理框圖如圖3所示。兩臺測試機箱具有相同的硬件配置，從左至右依次放置控制器模塊，8路同步采集卡，32路多功能數據采集卡。這樣每一個機箱都可以采集同步的電壓電流和非同步的傳感器信號。8路同步采集卡PXI-6123可以實現8通道同步數據采集，與另外多塊PXI-6123同時使用，可以實現更多通道數的同步采集。32路多功能采集卡PXI-6259可以用來采集無嚴格同步要求的各通道的數據采集。硬件配置圖如圖3所示。

圖3 PXI硬件配置圖

3.2 基于串口通訊的系統設計

測試系統中，作為分布式采集系統的一個子系統，溫度巡檢儀及智能采集模塊分別用來測量電機、變流器、變壓器等設備的溫度和冷卻系統的風量及流量，可以看到這些參量在實際工況下均不會出現短時突變的情況，變化率較緩，因此數據的采樣頻率要求并不高，100Hz以下即可滿足需要。這樣，即使有上百通道數據的同時采集，數據量也只有100b／s左右，串口的通訊速率完全可以滿足要求，子系統結構如圖4所示。

圖4 基于串口通訊的采集子系統

4 系統軟件設計

測試系統同時還具有界面友好、功能完備的系統控制軟件。軟件開發平臺采用美國國家儀器公司（簡稱NI）的LabVIEW，它是一個業界領先的工業標準軟件工具，用于開發測試、測量和控制系統［8］。

在系統軟件設計中，保證測試系統的實時性是設計的關鍵，但我們知道系統在同一時刻需要完成多種任務，包括數據的采集、分析、保存、通訊以及顯示等，而計算機是嚴格的串行設備，不可能真正的并行執行任務。CPU是單入口資源，任何時刻只有一個任務得到CPU的控制權，即多個任務只能互斥使用CPU。而整個CPU時間是以分片方式提交給各任務使用的，當系統處理的數據量大時，單CPU很難滿足系統的實時性。為解決這一矛盾，我們將多任務分配給主動機（上位機）和PXI實時控制器（下位機）同時進行，在這種結構中，上位機運用LabVIEW提供界面，實時性要求不高的系統任務可以放在上位機中，對時間要求嚴格的系統任務交給下位機LabVIEW RT引擎來處理［7］。

軟件設計包括上位機軟件設計和下位機軟件設計，均采用LabVIEW編程實現。

上位機軟件功能包括：（1）用戶界面登錄及初始化控制；（2）系統配置；（3）控制采集的運行；（4）實時顯示結果數據及波形；（5）存儲試驗數據；（6）實現與下位機的網絡通訊等。

下位機軟件功能：（1）采集、分析和上傳試驗數據；（2）與主控機通訊，接受主控機控制等。

軟件按不同任務進行模塊化設計，在圖5中的軟件流程圖中，顯示了各任務模塊以及其所處的位置。

圖5 軟件結構流程

系統中各個功能采用模塊化的編程方式，便于系統的擴展、更新和維護，以數據采集模塊和數據分析模塊為例說明軟件編程的方法。在數據采集模塊中，對于需要進行復雜數據分析的數據要根據要求對數據組進行相應的預處理，如最新的IEC 61000-4-7／2002標準，對諧波計算方法有嚴格規定。如時間窗、同步、窗函數等。50 Hz系統的時間窗必須為10個周波（200ms）。圖6為數據采集模塊的控制流程，圖7為程序代碼示例。

數據采集完成后將進入數據分析流程，在交流傳動試驗臺的系統測試中，需要進行數據分析的參量有很多，包括電壓電流的有效值計算、功率計算、功率因數計算、諧波分析等。在軟件中通過調用相應的功能模塊，根據標準公式，完成復雜的數據分析計算。以電機電流的諧波分析為例，其數學計算公式為：

圖6 數據采集流程

圖7 代碼示例

基波電壓計算：

電壓諧波含量：

諧波總畸變率：

數據分析模塊的控制流程和代碼示例如圖8和圖9所示。

測試系統設計的優劣不僅取決于數據測試的精度、功能的完備，用戶界面的友好性也是一個重要的因素。采用LABVIEW開發平臺提供的豐富的界面控件，我們設計了功能豐富、使用靈活的人機界面，如圖10所示，方便了測試人員對整個測試過程的監視和控制。

圖8 數據分析流程

圖9 代碼示例

圖10 用戶監控界面

5 結論

整個測試系統按照高速動車組交流傳動試驗臺“高速度、大功率”的特點完成了軟硬件的設計，系統測試范圍涵蓋了我國現有所有型號高速動車組、大功率機車及城軌車輛等被測對象。在整個系統的工程設計中，以下一些設計理念值得推廣：

（1）系統設計前進行詳細和全面的需求分析是必要的，這將有助于我們準確的把握系統結構和功能。

（2）根據被測對象特點，采用分布式、模塊化設計，適當配置各個分系統，將可在保證系統高可靠性的前提下，提高系統的性價比。

（3）統一選擇可靠性指標符合要求的測試設備，提高系統的兼容性和測試精度；

（4）系統設計采取了監控、屏蔽、隔離、接地和濾波等技術措施，提高了系統的可靠性和可維修性；

（5）優化系統設計，采用多任務、實時系統設計，提高系統的測試精度和數據處理速度。

（6）根據系統測試的任務及其要求編制界面友好的操作軟件，實現了交互式運行操作。

［1］鄧學濤.CRH2型200km／h動車組牽引傳動系統［J］.機車電傳動，2008，（4）：2-5.

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［7］秦紅磊，路 輝，郎榮玲.自動測試系統：硬件及軟件技術［M］，北京：高等教育出版社，2007.

［8］陳錫輝，張銀鴻LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社，2007.