司機控制器可靠性試驗系統的設計與測試

袁碧珍 趙懷林 王蘇曉 朱紀洪

司機控制器可靠性試驗系統的設計與測試

袁碧珍1趙懷林1王蘇曉1朱紀洪2

（1.上海應用技術大學電氣與電子工程學院，201418，上海；2.清華大學計算機學院，100084，北京∥第一作者，碩士研究生）

司機控制器是司機操縱機車的重要部件，其性能的好壞直接影響列車的運行狀況。對司機控制器進行可靠性測試是保障其質量最有效的方法。采用LabVIEW作為系統的上位機開發平臺，實時監測顯示系統狀態；用DSP（數字信號處理）作為控制采集模塊，控制司機控制器運動并采集其輸出數據。同時，采用一臺上位機控制多個DSP系統的主從式網絡結構，提高了系統效率并降低了成本。該系統同時對多臺司機控制器進行試驗。最后對可靠性進行了評估，結果表明該系統滿足試驗要求，為司機控制器的維修和維護提供了依據。

軌道交通車輛；司機控制器；可靠性；主從式網絡結構；試驗系統

司機控制器是駕駛者操作和控制列車行駛速度和剎車的主要器件，列車的行駛安全依賴于司機控制器的可靠性。列車運行一段時間后，其內部零件可能會有機械磨損，同時緊固件有可能會松動，或者傳動件會產生故障，然而這些不易察覺的小故障會降低司機控制器的可靠性。因此，在司機控制器設計、研究和生產過程中，需要對其進行可靠性測試［1］。然而，司機控制器作為一種電氣設備［2］，一般的測試系統只能實現對其機械性能的單一測試，這是遠遠不能實現測試目標的。因此，本文提出的可靠性試驗系統在對其進行機械壽命測試的同時，也對其內部至關重要的低壓電器的性能進行檢測，可以滿足可靠性試驗的要求。

LabVIEW是一種被稱作G語言的圖形化編程工具。在程序開發過程中，與傳統的開發語言進行比較，其編程方式能夠在不影響運行速度的前提下充分利用資源，體現出其高效率的優勢，同時Lab－VIEW自帶的顯示控件給用戶帶來直觀和便捷的視覺體驗。與其他編程語言相比，LabVIEW在數據采集和處理方面有不可替代的優勢。因此，本可靠性試驗系統將LabVIEW作為上位機的開發工具［3］。

1 測試系統的結構

本系統是基于TKS354C型司機控制器設計的。其內裝有電位器、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、預置、惰轉、1、2、…、8。依據其內部結構，司機控制器內部的工作過程可以簡單描述為兩部分：①當手柄在8至預置擋位之間轉動時，帶動主軸和凸輪架隨之轉動，當凸輪塊的位置轉動到輔對應位置時，杠桿受到凸輪塊的擠壓而將與其連動的輔助觸頭頂開，此時，對應的控制線與電源斷開，輸出低電平；相反地，當凸輪塊的位置轉動到某些位置時，使得對應的控制線與電源接通，從而輸出高電平。根據這個原理可以獲得手柄在不同位置時的觸頭閉合表。②在MAX至預置擋位之間接有電位器，手柄轉動可以改變其輸出的有效電阻值，最終改變輸出電壓。因此，通過采集比較觸頭閉合表和輸出電壓值與設計標準的設定值的一致性，最后根據數據庫記錄的數據，對其進行分析、計算，從而獲得列車司機控制器的可靠性能指標。

司機控制器壽命試驗系統主要由上位機、一組DSP（數字信號處理）模塊、一組電機驅動器和電機，以及司機控制器試驗臺組成。其結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

如圖1所示,整個測試系統由裝有基于Lab－VIEW開發的測試系統軟件的計算機即上位機和一組下位機組成。下位機主要包括DSP、電機驅動器、電機和司機控制器試驗臺組成。依據制定的通訊協議，上位機與各DSP通過RS422總線實現數據的發送與接收。上位機通過如圖2所示的人機交互界面，將來自于測試人員的指令封裝成8字節的具有幀頭、指令數據、校驗和的數據幀。上位機采用輪詢的方式，每2 ms發送一次指令，通過指令ID辨別各DSP，從而實現與DSP的輪流通信。DSP定時采集接收端的數據，然后，先確認接收數據的ID，再通過計算校驗和來驗證幀數據的準確性，確認幀數據無誤后，將幀數據進行解封裝，得到指令數據，而后根據指令數據的動作控制對應伺服電機驅動器。驅動器得到來自DSP的指令后，驅動電機，電機通過減速器帶動司機控制器的手柄，使之按測試人員的要求進行運轉。司機控制器運行過程中輸出的電壓值通過電阻分壓傳送給DSP的A/D（模/數）轉換模塊，A/D轉換模塊將獲得的模擬信號轉換成數字信號輸出；司機控制器對應擋位的觸點閉合情況通過DSP的I/O（輸入/輸出）口捕獲。DSP依據內部通訊協議，將觸點閉合數據和輸出的數字化電壓值轉換成幀數據，通過RS422總線，將數據傳遞給上位機。上位機定時讀取串口接收緩沖區的數據，同樣先判斷ID，然后驗證校驗和，確保幀數據無誤后，對幀進行解析，從而得到對應的司機控制器的輸出電壓值和觸點閉合數據，將其與設定界面中對應位置的設定值進行比較，將結果在界面中實時顯示，并將結果通過數據庫模塊保存到對應的ACCESS數據庫中。

圖2 司機控制器可靠性試驗系統界面

2 測試系統的軟件設計

2.1 需求分析

根據客戶的要求，需要實現包括4部分的功能：①用戶登錄；②觸點的閉合情況和輸出電壓值等參數可自定義；③試驗結果實時顯示；④可以查看在司機控制器運行過程中NI數據采集卡采集到的電位器閉合數據和輸出的電壓值與設定的參數不一致的信息（以下簡稱錯誤信息）并顯示出來。因此將軟件部分分為4個部分：登錄界面、參數設定界面、試驗操作界面和查看錯誤界面。其結構框圖如圖3所示。

圖3 系統軟件結構框圖

2.2 主要模塊設計

根據設計要求，程序實現的流程圖如圖4所示。圖4中，程序主要由數據采集模塊、上電初始零位調整模塊、開始測試模塊和查看錯誤模塊組成。

2.2.1 數據采集模塊

一般的數據采集系統都包含了采集、分析和顯示3部分。在LabVIEW中，如果將這3個步驟通過數據流連接起來，不僅不能體現LabVIEW的并行處理優勢，還會帶來時間延遲，進而使采集的周期變長，最終數據的實時性也得不到保證［4］。因此，本系統采用了生產者/消費者結構，讓多個循環并行執行，即采集數據和處理數據分別放入2個While中并行運行，同時這2個循環可以相互通信，但不會互相干涉。同時此結構還可避免數據丟失或數據的重復利用等問題［5］。

圖4 程序流程圖

本系統的數據是通過串口來傳輸的，串口的波特率是19 200，DSP每10 ms發一幀數據，一幀數據8字節，1開始位，1停止位，無檢驗，一幀數據傳輸的時間大概是3.437 5 ms。采集的數據放入隊列的過程耗時極少，即采集的數據存到緩存中需要的時間很短。本系統中生產者循環每10 ms存放一次數據，而處理數據循環不停地處理數據。其程序示意圖如圖5所示。

2.2.2 上電初始零位調整

圖5 數據采集模塊示意圖

由于伺服電機使用的是增量式編碼器，當電機與司機控制器試驗臺連接完成，開始上電測試時，上位機無法得知伺服電機即司機控制器的手柄位置，所以采用了在手柄運動位置的兩端（即MAX和8位置）安裝接近開關以確定初始零位。因此，在試驗平臺設定界面有8-MAX和MAX-8兩個按鈕來調整手柄，使其在8位置或者MAX位置。

2.2.3 開始測試

當司機控制器的機械手柄回到MAX或者8的兩端位置時，就可以開始進行可靠性試驗。點擊開始測試后，上位機指令的發送通過定時循環實現，在發送的數據中改變ID的值，從而實現與各個DSP數據傳遞，進而實現相應的控制功能。DSP接收到控制指令后，通過PWM（脈沖寬度調制）模塊產生PWM波，從而控制電機驅動器，進而控制電機通過減速器帶動手柄從8到MAX，再由MAX到8這樣循環運動，將其運動過程中的觸點閉合情況和電位器輸出電壓值與設定界面內的設定值進行比較、顯示和存儲。最后對存儲的數據進行分析，從而獲得司機控制器的可靠性參數。

2.3 主從式網絡結構

本系統采用的網絡結構框圖如圖6所示。

圖6 主從式網絡組網結構框圖

由圖6可知，本系統是一個總線型結構，各DSP掛在總線上。主從式的網絡結構中，采用令牌的管理方法。在這種網絡拓撲結構中“通信權輪流分配”首先是 DSP1 ，然后是 DSP2、…、DSPn，再接著就是DSP1，這樣無限循環。當輪到某個DSP通信時，它就得到了控制權，能和上位機進行通信。

3 測試結果分析

測試系統實物展示如圖7所示。整個測試系統由19個測試臺架組成。

圖7 測試系統實物展示

隨著高速鐵路和動車技術的發展，對機車的可靠性提出了更高的要求。可靠性是指產品在規定條件和時間的前提下完成規定功能的能力；反之，產品或者該產品的其些部分不能或將不能完成規定的功能就是出故障。換言之，故障少的產品其可靠性就高。產品的故障總數與壽命單位總數的比稱為故障率，用λ表示。同時，對于電器產品，其λ服從指數分布。因此，該產品的故障率和平均故障間隔時間tMBF符合如下關系表達式：tMBF=1/λ。

tMBF是指可修復的產品在兩次相鄰故障之間的平均時間。tMBF是衡量電器產品的可靠性指標，反映了產品的時間質量，體現了產品在規定時間內保持功能的能力。

在本系統中，主要測試多個凸輪觸頭和電位器這些低壓器件的性能，因此司機控制器的故障率可以通過這些零部件的試驗獲得，進而可以根據下式計算出司機控制器的平均故障間隔時間：

式中，N在對司機控制器進行可靠性試驗的過程中共計發生的故障次數，λi是第i個器件的故障號。將這些故障進行分類，分配到具體的器件，假設某個器件發生故障次數為Ni，每次故障后經過修復繼續投入使用，其工作時間分別為 t1，t2，t3，...，tn，那么可以根據下式計算出該器件的故障率為：

根據公式（2）可計算出每個器件的故障率，最終由公式（1）計算獲得本司機控制器的平均故障時間。

4 結語

采用LabVIEW作為本系統的上位機，為用戶提供了友好的人機交互界面；用DSP作為控制和采集模塊，對司機控制器的手柄進行了精確的位置控制，能夠實時采集和傳輸數據。該系統能夠滿足設計需求、達到了預期效果，并通過計算分析可以獲得系統的可靠性。該系統現已投入使用，為司機控制器可靠性測試提供了依據和參考。

［1］ 黃朝暉.司機控制器機械壽命試驗臺的設計［J］.電力機車與城軌車輛，2008（4）：19.

［2］ 許霽.基于LabVIEW隊列狀態機的掃頻儀設計與實現［J］.工業控制計算機，2013（9）：75.

［3］ 夏玉龍，趙懷林，和陽.基于虛擬儀器的電機測試系統設計［J］.自動化與儀表，2015（4）：59.

［4］ 盧天海，王見.基于LabVIEW的電機功耗實時監測系統設計［J］.計算機測量與控制，2012（3）：580.

［5］ 果實，薛磊，朱朝旭.基于LabVIEW隊列狀態機的鐵路信號電纜故障檢測系統［J］.電腦知識與技術，2011（29）：7228.

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）