CRH3型動車組牽引傳動系統運行狀態的模擬

王海洋，周 璇，楊顏凱

(國網冀北電力有限公司 平泉市供電分公司，河北 平泉 067500)

隨著改革開放的不斷深化，我國鐵路網的建設正蓬勃的發展，不僅逐步實現動車組的國產化，而且還向國外出口動車組相關的技術。雖然近十年我國動車組的牽引傳動系統的控制技術有了飛躍式的發展，并取得了巨大的進步，但技術仍然不成熟，還需要引進國外更為先進的技術，進一步解決高性能驅動系統中的非線性、參數多變、擾動和噪聲等控制問題[1]。如何更好地實現高速動車組牽引傳動系統的控制，提高高速動車組運行時的舒適度、安全性與可靠性，對于高速動車組的發展具有重要的現實意義。

1 CRH3型動車組簡介

我國CRH系列動車組全部采用分散動力式。CRH3型動車組是由唐山機車車輛公司生產，并以德國ICE3和西班牙AVES103高速動車組為原型。它由8輛編組的動力分散交流傳動電力動車組，4動4拖，其中相鄰的兩輛動車為一個基本動力單元，每個動力單元具有獨立的交-直-交牽引傳動系統[2]。

CRH3型動車組在不同時刻牽引制動工況所需牽引力，完成機車的牽引或者制動過程。

2 牽引傳動系統硬件部分設計

CRH3型動車組采用交-直-交型牽引傳動系統，主回路包括整流電路、中間直流環節電路和逆變電路三大部分[3]。本設計主要對牽引傳動系統的逆變電路部分進行深入地研究。逆變電路硬件部分采用富士公司生產的6MBP75RA060型號的IPM，控制電路使用TI公司生產的TMS320F2812型號的DSP芯片[4]，作為整個控制系統的控制核心。硬件整體電路包括：供電電源電路、信號采集電路、信號調理電路、驅動隔離電路、SCI通信電路和保護電路[5]。牽引傳動系統的模擬系統的硬件整體結構圖如圖1所示。

供電電源電路：本設計的電路板需要15 V、12 V、5 V、3.3 V和1.8 V電壓。采用5 V電壓作為供電電源電壓，通過外部電源適配器得到5 V電壓；通過LM1117-1.8芯片將5V電壓轉換成1 V電壓進行供電；通過LM1117-3.3芯片將5 V電壓轉換成3.3 V電壓進行供電；采用A0512S-1W芯片即可實現5 V電壓轉換成電流傳感器所需要的±12 V電壓；用芯片A0515S-1W可以實現5 V電壓轉換成所需要的±15 V 電壓。

信號檢測電路和信號調理電路：電流檢測電路選用的電流傳感器型號為LA-50P；電壓檢測電路選用的電壓傳感器型號為CHV-25P/500；采用YS-27型號霍爾傳感器模塊來測量轉速。由于DSP的A/D口的工作電壓是3.3 V，按照采集信號電壓幅值的70%進行計算，所以需要將信號電壓限制在3 V以內，通過兩個嵌位二極管來實現采集信號的調理。

IPM驅動隔離電路：用于驅動IPM模塊，避免強電信號的干擾。SCI通信電路：SCI電路用來實現上、下位機的通信。

3 牽引傳動系統軟件部分設計

3.1 軟件設計總體方案

CRH3型動車組牽引傳動系統框圖包括上位機軟件部分和下位機軟件部分。其中，下位機軟件部分包括電壓量的采集、電流量采集、轉速量采集、控制程序和通信。上位機軟件部分包括控制數據采集、數據錄入、數據存儲、輸出波形和數據顯示[6]。軟件設計的整體框圖如圖2所示。

3.2 下位機軟件設計

下位機軟件編程是在CCS軟件開發平臺，使用C語言進行編寫的。下位機軟件包括TMS320F2812對電壓、電流、轉速數據的采集和數據通信，其流程是：首先，系統上電復位后，需要對系統和外設參數等進行初始化設置，對串口進行初始化，串口初始化參數包括：串口號為COM1、波特率為9 600、8位數據位、1位停止位、無奇偶校驗位[7]。當TMS320F2812下發不同測量信號后，首先判斷測量信號的內容，即判斷是測量電壓信號、測量電流信號還是測量轉速信號，然后進行相應的數據采集。最后將采集的數據發送給上位機，當采集數據發送完成時結束流程。

3.2.1 數據采集模塊設計

數據采集模塊包括電壓量、電流量和轉速量三種測量量的采集。采集模塊的流程為：首先對DSP系統初始化設置，包括時鐘頻率、GPIO中斷向量等的初始化；然后，進行ADC模塊初始化設置，包括采樣模式、通道以及啟動模式的初始化；讀取采集中斷指令、采集時間的到來，按照上位機相應的指令要求，對電壓量、電流量和轉速量采集。若采集沒有完成，繼續循環采集數據直到檢測到采集結束為止。

3.2.2 SCI模塊設計

SCI串行通信接口是連接TMS320F2812與計算機的“橋梁”，實現發送數據和接收數據的功能。數據發送過程的流程為：當接收到發送數據的指令時，首先進行SCI寄存器的配置，當SCI接收狀態寄存器中的中斷標志位TXREADY為1時，開始發送數據，即啟動發送模式。當檢測到數據發送中止位時，結束發送數據，數據發送過程結束，若沒有檢測到數據發送中止位，則繼續發送數據。

數據接收過程流程：當SCI接收狀態寄存器的中斷標志位RXREADY是1時，則寄存器就會開始接收數據。如果能接收到數據信號并且接收信號與發送信號的地址匹配時，就開始自動接收數據包。如果數據接收過程還沒有完成，那么寄存器將會繼續接收發送過來的數據。當數據包接收過程完成以后，會校驗接收數據是否正確，若接收的數據不正確，向CPU發出重新接收數據的請求；若接收的數據正確，則將接收到的數據直接存到緩沖寄存器之中，直到接收完所有發送的數據。

3.3 上位機軟件設計

LabVIEW提供強大的VISA庫，串口通信程序是通過VISA來設計[7]。調用VISA串口設置模塊來實現對初始化串口參數設置。初始化過程完成后，對通信模塊寄存器進行配置。使用VISA寫入模塊實現發送數據，使用VISA讀取模塊實現接收數據[8]。數據接收之前首先需要使用VISA寫入模塊中的VISA Bytes Serial Port函數來查詢當前串口接收緩沖區中的數據字節數，若VISA讀取的字節數大于緩沖區中數據字節數，VISA讀取模塊操作處于持續等待的狀態，一直到Timeout或者緩沖區中的數據字節數滿足字節要求數，或者通過參數設置來分批讀取接受緩沖區或者只從中讀取一定字節的數據，使用完成后通過VISA關閉模塊將此串口關閉[9]。

4 實驗結果及分析

通過調試好的CRH3型動車組的牽引傳動系統的模擬系統，模擬CRH3型動車組的牽引逆變器控制電機在牽引啟動和制動停止工況下的運行特性，實現在不同運行工況下電壓、電流和轉速的數值顯示的功能及其相對應的電壓、電流和轉速波形顯示的功能。

1)牽引工況。從登錄界面登錄到系統主顯示界面后，系統上電后，完成串口設置。點擊“牽引啟動”按鈕，上位機將向下位機發送“牽引啟動”指令，經過一段時間的數據加載，界面中會顯示出該運行工況下的電壓、電流和轉速的數值。

當點擊波形顯示窗口下的波形顯示按鈕，會自動彈出該運行工況下的電壓、電流和轉速的波形圖。牽引啟動工況下的牽引電機的電壓、電流和轉速波形圖分別如圖3、圖4和圖5所示。

2)制動工況。點擊“制動停止”按鈕，上位機將向下位機發送“制動停止”指令。經過一段時間的數據加載，顯示界面中會顯示出電壓、電流和轉速的數值。

當點擊波形顯示窗口下的波形顯示按鈕時，會自動彈出該運行工況下的電壓、電流和轉速的波形圖。制動停止工況的牽引電機的電壓、電流和轉速波形圖分別如圖6、圖7和圖8所示。

由圖3～圖5可知：“牽引啟動”運行工況下，啟動電壓很大，電壓波形呈現近似正弦波的波形；電機啟動瞬間的啟動電流很大，經過短暫的不平衡狀態，最終趨于平穩狀態；轉速自零時刻開始急劇增加，在較短的時間內達到設定額定轉速值。由圖6～圖8可知：“制動停止”運行工況下，電壓呈現近似正弦波的波形變化趨勢；電流呈現遞減變化趨勢，最終呈現平穩狀態且穩定值不為零；最終電機轉速為零，實現制動停止。從模擬系統的結果來看，該模擬系統基本上實現了對CRH3型高速動車組牽引工況和制動工況的運行特性的模擬，能夠直觀地觀測出這三個量的變化狀況及變化規律，獲得了一些研究成果。

5 結語

設計了一套CRH3型高速動車組牽引傳動系統運行工況的模擬系統，并對系統進行了功能測試。研究了動車組在牽引工況和制動工況的運行特性，并獲得相對應狀態下的電壓、電流及轉速的數值及其波形圖。測試結果能夠很好地模擬CRH3型高速動車組的牽引工況和制動工況的運行狀態，能夠直觀地看出運行特性的波形，具有很好的演示性，為高速動車組在不同運行工況的運行特性的研究提供研究平臺。

參考文獻：

[1] 馮曉云.電力牽引交流傳動及其控制系統[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2] 于丹萍，周盛，江全元.CRH3型動車組牽引傳動系統的直接轉矩控制研究[J].機電工程，2010，27(10)：63-64.

[3] 宗劍.礦山牽引電機車控制系統的研究[D].上海：上海大學機電工程與自動化學院，2014.

[4] 徐科軍.DSP及其電氣與自動化工程應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[5] 熊盛艷.CRH5型動車組牽引變流器的研究[D].成都：西南交通大學電氣工程學院，2013.

[6] 牛莉潔.基于生產過程的產品質量追溯系統[D].石家莊：石家莊鐵道大學電子與電氣工程學院，2015.

[7] 陳樹學.LabVIEW寶典[M].第5版.北京：電子工業出版社，2012.

[8] 易牧，胡延霖，李寶林.基于LabVIEW與DSP的數據采集系統[J].四川兵工學報，2009，30(10)：139-140.

[9] 于志榮，楊莉.基于NI-VISA與 LabVIEW的USB接口應用設計[J].應用天地學報，2007，67(1)：67-68.