基于電參數(shù)的道岔轉換阻力測量方案研究

楊偉偉，王 安

（西北工業(yè)大學自動化學院，陜西 西安710129）

0 引言

轉轍機是道岔控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，分為液壓轉轍機，直流轉轍機和交流轉轍機［1］，轉轍機的工作狀況直接影響鐵路的運輸安全。所以國家非常重視這些信號設備的工作狀態(tài)，將原來的“計劃修”逐步改為“狀態(tài)修”［2］。

目前，道岔阻力的測量主要使用銷式力傳感器的方式，這種方法具有精度高，顯示直觀等特點，但由于鐵路部門對鐵路設備有嚴格的要求，所以很難實現(xiàn)轉轍機的監(jiān)測；這種測量方式對測量條件的要求較高，必須提前“要點”才能測量，且若操作不當會有嚴重的安全隱患。因此，基于電參數(shù)的測量方式就被提了出來，這種方法只需測量轉轍機的輸入有功功率和電流有效值即可計算出轉轍機的輸出力，對鐵路的運行狀態(tài)沒有特別的要求，即可對轉轍機進行在軌測量。根據(jù)不同的模型既可直接在現(xiàn)場測量，也能在監(jiān)控室測量，所以很容易實現(xiàn)轉轍機的監(jiān)測，為轉轍機的“狀態(tài)修”提供了依據(jù)。因為S700K三相交流轉轍機在國內(nèi)提速道岔中使用的較為普遍，所以就以S700K轉轍機為研究對象，建立其輸入電參數(shù)與輸出力的模型并設計相應的硬件電路。

1 建立模型

交流電動轉轍機主要由異步交流電動機和機械傳動裝置構成，轉轍機的輸出力與電動機的輸出力成正比，所以主要研究異步交流電動機的輸入電參數(shù)與輸出力的關系［2－4］。電動機的輸出轉矩T2與轉子軸上的輸出機械功率P2成正比，與轉子軸的轉速n成反比，即

K1為比例系數(shù)。

交流電動機的功率流圖如圖1所示。轉子軸上的輸出機械功率P2與電動機的輸入功率P1的關系為：

P′為定子銅耗PCu1、鐵耗PFe、轉子銅耗PCu2及機械損耗和雜散損耗Pm的總和。

在一定負載范圍內(nèi)，可以認為電動機的轉子轉速不變，這樣結合式（1）、式（2）可得輸出轉矩T2與輸入功率P1的關系為：

所以，結合轉轍機的機械傳動結構，就可以得出轉轍機的輸出力F與轉轍機的輸入功率P1的關系為：

圖1 電動機功率流

圖1中各種損耗與電動機輸入電參數(shù)的關系如下：

k1，k2，k3為系數(shù)；I為轉轍機輸入電流的有效值；U為轉轍機輸入電壓的有效值［5］。

若認為Pm不變，則結合式（4）～式（7）可得到轉轍機輸入電參數(shù)與輸出力的關系模型為：

式（8）是轉轍機監(jiān)測的現(xiàn)場模型，以S700K轉轍機為對象，測量轉轍機的輸入功率，輸入電壓有效值，輸入電流有效值和轉轍機的輸出力，由測得的數(shù)據(jù)求出式（8）中的系數(shù)K，a，b，c，這樣就確定了現(xiàn)場測量S700K轉轍機的模型。將測試數(shù)據(jù)帶入模型得到在1 000～4 000N負載時，距離監(jiān)控室不同距離的轉轍機模型誤差，當S700K轉轍機的傳輸電纜電阻最大為54Ω時，最大誤差為4.6%。

根據(jù)以上所述可知，該模型只適用于現(xiàn)場測量，且需要測量轉轍機的輸入功率、輸入電流有效值和輸入電壓有效值才能估算出轉轍機的輸出力。

2 硬件設計

以測量S700K轉轍機為目標，S700K轉轍機為三相三線制的星形接法，額定電壓為380V，最大動作電流（電纜線阻為54Ω）為2A。為了電路設計的方便，采用兩表法測量功率。硬件的實現(xiàn)方案是用ARM（LPC2132）通過SPI串口控制ADE7754對S700K轉轍機的輸入功率和電流進行采樣，然后通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳送給上位機（PC），上位機根據(jù)模型對數(shù)據(jù)處理后得到轉轍機的輸出力，并以曲線的形式實時顯示力的變化情況。硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 硬件結構

2.1 功率和電流有效值的采集

功率測量采用AD公司的ADE7754，這款芯片的測量精度高，響應速度相對較快，硬件設計簡單。ADE7754可以設定對功率的累積時間，這樣通過讀取電能寄存器的值，就可以求出功率；ADE7754還可以測量電流電壓的有效值，采用SPI接口通信，可直接讀取寄存器中的值。通過ARM讀ADE7754的寄存器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給PC機，PC根據(jù)模型處理數(shù)據(jù)并以曲線的形式顯示力的變化。控制器是以ARM7TDMI－S為核心的LPC2132，它采用3級流水線技術，具有高性能和低功耗的特點［6－7］。LPC2132對底層接口的操作簡單方便，可以很容易的實現(xiàn)I／O模擬SPI時序的方式與ADE7754通信，這樣更便于調(diào)試和操作ADE7754。

2.2 顯示

為了能實時顯示力的變化，采用40ms為間隔對數(shù)據(jù)進行采集，處理和顯示，用曲線顯示的方式來反映力的變化。上位機界面使用LabWindows／CVI編寫。使用CVI編寫上位機界面更容易，縮短了開發(fā)周期。上位機界面上按鍵的主要功能有串口操作，測量以及相關功能和ADE7754的校準控制。串口的操作是為了控制PC機和控制器LPC2132之間的串口通信；測量功能是控制對轉轍機的測量，包括對轉轍機運動方向的判斷；校準功能是控制對ADE7754進行校準的流程和參數(shù)的修改。

3 軟件設計

3.1 系統(tǒng)測量的軟件流程

上位機的初始化主要是界面的初始化和串口的初始化；下位機的初始化包括I／O接口的初始化，UART串口的初始化；ADE7754的初始化是各相增益，零點以及相位的初始化，測量方式的初始化等。系統(tǒng)測量流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)測量流程

3.2 ADE7754的校準流程圖

為了使測量更準確，ADE7754在使用前要做一系列的校準，包括電流有效值的增益校準、零點校準；功率的增益校準、零點校準和輸入通道的相位校準。其中，電流有效值的零點偏移為：

I為輸入電流的有效值；Irms為測量出的電流有效值。

功率零點偏移為：

I為輸入電流的有效值；P為測量出的功率。

相位偏差為：

P（PF＝0.5）代表功率因數(shù)為0.5時的功率，P（PF＝1）代表功率因數(shù)為1時的功率。

根據(jù)上述公式可知，零點校準和相位校準需要測量2個點：電壓輸入保持額定值不變，功率因數(shù)角為0°不變，零點校準測量電流額定值和1／10額定值；電流保持額定值不變，相位校準測量額定輸入時功率因數(shù)角為0°和60°時的值。

校準流程圖如圖4所示。

圖4 校準流程

4 測試結果分析

首先驗證ADE7754對功率的測量精度，使用雙通道信號發(fā)生器，保持輸出電壓和功率因數(shù)角不變，改變輸出電流有效值的大小，測量得到相應的功率值，對這些值進行曲線擬合，測量結果與輸入具有很好的一致性。同樣，保持輸出電壓有效值和電流有效值不變，改變功率因數(shù)角，測量得到相應的功率；根據(jù)輸入計算可得理想的功率，將之和測量結果對比，測量數(shù)據(jù)如表1所示，其中的誤差是誤差的絕對值。由此可知，測量數(shù)據(jù)計算的誤差小于1.5%；而轉轍機在工作時的功率因數(shù)角通常是小于70°的，這時的誤差小于0.6%。

從上述數(shù)據(jù)可知，ADE7754可以滿足功率測量精度，考慮到硬件其他部分帶來的誤差，如電流傳感器、電壓傳感器等的誤差，所以需對整個硬件系統(tǒng)做測試，部分測量數(shù)據(jù)如表2所示。

由此可知，系統(tǒng)硬件的誤差絕對值小于2%，結合轉轍機模型的誤差4.6%，則可以認為系統(tǒng)的測量誤差應不大于6.6%。

表1 單相測試功率

表2 硬件系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

5 結束語

該模型只需校準一次即可適用所有位置上的轉轍機，且誤差小于6.6%，所以這種測量方法使用簡單，不會造成安全上的隱患，便于實現(xiàn)轉轍機的監(jiān)測。但是這是對一臺轉轍機進行的測試和推斷，對同一種型號的不同轉轍機是否成立還有待驗證。另外，對于不同型號的轉轍機，其工作原理不同該模型也是不適用的，需要重新修改模型中的參數(shù)。

［1］ 張小東.便攜式多通道轉轍機拉力測試儀的設計［D］.西安：西北工業(yè)大學，2012.

［2］ 王亞萍.道岔轉換阻力實時監(jiān)測方法的研究與實現(xiàn)［D］.西安：西北工業(yè)大學，2013.

［3］ 陳育青.一種能夠?qū)崟r監(jiān)測轉轍機轉換阻力的方法及其監(jiān)測設備［P］.中國專利：CN 1804568A，2007－12.

［4］ 杭州慧景科技有限公司，轉轍機阻力監(jiān)測裝置［P］.中國專利：CN 201569527U ，2009－12.

［5］ 河南輝煌科技股份有限公司，轉轍機轉換阻力在線監(jiān)測方法［P］.中國專利：CN 101408465A，2008－11.

［6］ 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［7］ 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實驗教程二［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.