高速懸浮列車車載控制器綜合試驗臺研制

苗 欣，閆德順，元臣，李廣振，賈召會

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266100;2.北京航天測控技術有限公司，北京 100041)

0 引言

高速磁浮列車作為一種新型尖端軌道交通工具，具有速度高、噪音小、能耗低、清潔環保等優點[1]，包括我國在內的眾多國家都在研究其關鍵技術，而列車運行控制系統在整個高速磁浮系統中起著列車進行自動控制及安全防護的核心作用，是保證列車運行安全的核心裝備[2]。其中車載控制器作為列車運行控制系統的核心設備，起著控制指令驅動放大、邏輯運算并收集列車狀態信息的關鍵作用[3]，所以研制一套車載控制器綜合試驗臺顯得尤為重要。

針對新一代高速磁浮列車車載控制器研制、生產、試驗期間的測試以及故障診斷需求的需求，研發一套綜合試驗平臺，為車載控制器功能性能驗證提供基礎數據和驗證平臺，通過模擬各種故障以及異常工作狀況，驗證控制系統對故障的處理能力，也可作為車載控制器的出廠檢測與檢修維護的平臺。

傳統車載控制器的測試為手動方式，測試效率低、測試準確率低、可重復性差、測試數據不方便管理。本文針對車載控制器的功能特點，基于自動測試關鍵技術，研制開放式可裁剪、可靈活應用的車載控制器綜合試驗臺[4]。

1 測試需求分析

車載控制器由8個驅動器和10個與邏輯運算單元組成。在整個運行控制系統中位于車載計算機和懸浮/導向/制動控制器之間，起到控制指令驅動放大及列車狀態收集的作用。針對車載控制器的測試需求，構建車載控制器功能與性能驗證平臺，實現對控制器正常、異常工作狀況的模擬，驗證控制器功能、性能指標以及故障處理能力，滿足車載控制器研制、出廠測試和檢修維護測試需求，詳細測試需求如下：

1)電氣接口測試，主要是車載控制器的接口。通過對車載控制器上施加不同的輸入指令，測量其輸出端口的電壓值，以測試車載控制器的功能；

2)控制器維持工作區域能力，主要是最大、最小輸入電壓的測試以及故障工況下的測試。通過對車載控制器上施加設計的最大、最小電壓以及故障工況(短路、斷路等)下的電壓測量其輸出端口的電壓值，以測試車載控制器的輸出是否滿足設計要求；

3)具備與懸浮/導向/制動控制器、電磁鐵互聯開展懸浮導向控制系統的系統級測試；

4)綜合試驗臺需對車載控制的18個BLOCK的所有排列組合進行測試，據統計，測試項點多達2萬多，傳統測試需一周左右，測試不夠充分，不能完全暴露問題，所以要求綜合試驗臺的測試速度要在一天內完成測試。

對車載控制器測試需求進行分析梳理后，車載控制器測試項匯總如表1所示。

表1 車載控制器測試項分析表

2 系統結構及原理

針對車載控制器測試與診斷需求，基于通用化、模塊化、標準化設計思想，采用PXI、LXI混合總線以及自動測試程序集技術等成熟的測試技術與測試框架，構建車載控制器綜合試驗臺。該試驗臺具有良好的擴展性與操作性，能夠完成對車載控制器的電氣接口、極限工作能力、設備功能及性能指標的測試與驗證，確保滿足實際使用要求。整個試驗臺由車載控制器試驗臺控制柜和安裝臺組成。

圖1 車載控制器綜合試驗臺組成框圖

其中，車載控制器試驗臺控制柜以PXI模塊化儀器為測試核心，所有獨立的儀器設備均采用基于以太網的控制方式，通過柜內交換機與PXI零槽控制系統互連。其中GPIB模塊、CAN總線通信模塊、數字萬用表模塊和矩陣開關模塊選用PXI板卡，程控直流電源、電子負載等選用標準上架臺式儀器。加電控制組合組合主要實現系統的供配電以及功能邏輯連鎖，資源分配互聯單元完成資源分配、與車載控制器的機械和電氣連接的功能。整個控制柜主要提供所需的程控電源、信號采集分析、負載模擬、信號對接等功能，實現對車載控制器的自動測試；試驗安裝臺實現與車載控制器的機械與電氣接口對接。

3 硬件設計

3.1 電氣功能設計

試驗臺控制柜電氣功能設計主要包括機柜內供電單元、安全配電單元、連鎖控制電源和資源分配單元設計。電氣設計的重難點在于資源分配單元的設計，其中包含了萬用表、程控直流電源、程控電子負載、I/O模塊、CAN通信模塊和矩陣開關等儀器資源互聯及資源分配設計。

表2 車載控制器電氣功能設計

3.2 PXI儀器組合

本試驗臺主要采用PXI總線形式實現系統儀器資源的控制調度。PXI總線是比較成熟的總線形式，國內市場占有率比較高，由于PXI總線與以往的GPIB、VXI總線結構相比，傳輸速率更高，價格較低，更容易滿足測試儀器小型化，高維護性的需求，且更加適合于試驗、測量與高速數據采集等場合[5]；同時，多重的PXI模塊選擇，搭配不同機箱，使得PXI可以符合各種應用需求，并且易于維護，所以本試驗臺采用了PXI總線結構。本系統選用的PXI儀器組合如表3所示。

表3 PXI儀器組合型號列表

3.3 加電控制組合設計

加電控制組合主要實現功能包括：系統供配電、電氣保護、電壓電流顯示以及+24 V、+15 V二次電源的轉換、車載控制器加電連鎖等功能。電源供電及分配示意圖如圖2所示。

圖2 試驗臺系統組成框圖

系統加電控制組合主要完成對整個試驗臺系統的加電、斷電控制、電壓狀態監測，并能夠實現緊急狀態下的快速斷電。控制方式采用手動的方式，具有過壓、過流保護功能。

當測試過程中出現異常、需要緊急斷電時，拍擊機柜上方前面板上的急停按鈕，可以快速切斷供電電源。

車載控制器加電安全聯鎖電路實現車載控制器安裝接觸好后，程控直流電源和程控電子負載才能得電，防止試驗過程中車載控制的帶電插拔，損壞設備。

系統加電控制組合充分考慮了人-機工程學，便于操作，顯示醒目，所選功能滿足系統的使用要求。

外部輸入的220 V交流電源經過配電箱內的濾波、整流、穩壓、空氣開關、漏電保護等器件，最終分為多路電源輸送至控制柜內的測量儀器。PXI機箱的開關可通過遠程控制接口引至加電控制組合前面板，實現PXI控制系統的獨立上電，方便系統故障時的排查。

3.4 資源分配互聯單元

資源分配互聯單元是整個試驗臺設計核心，主要思路是系統激勵和測量資源分開，分別掛接到矩陣開關上，從而在不同負載工況下，利用試驗臺配置的多通道程控電源模擬控制器的各種輸入組合，實現控制器多達兩萬項的全面試驗及測試。另外，在兩個矩陣模塊之間將關鍵信號互聯，還可以實現系統的自檢設計。

資源分配互聯單元完成資源轉接、信號互聯，實現與車載控制器電氣和機械接口連接。左右兩側相應位置各布置一個接近開關，一是用來判斷車載控制器是否與試驗臺接觸可靠，二是實現控制器供電功能電氣互鎖，也就是在只有在接觸可靠的情況下才能實現對控制器的供電。

4 軟件設計

車載控制器試驗臺基于虛擬儀器思想設計綜合測試軟件系統。操作系統采用Windows7系統，數據庫管理系統采用SQLite軟件，開發環境采用Visual Studio 2010，由于硬件模塊都帶有符合VISA標準的驅動程序，大大提高了系統開發效率。軟件采用了模塊化和開放化的設計思想，便于維護和擴充。

軟件系統主要由系統自檢模塊、系統級測試模塊、車載控制器獨立測試模塊、用戶管理和數據管理模塊等組成。其中獨立測試模塊又分為輸出信號檢測、功能測試、診斷信號測試。軟件功能如圖3所示。

圖3 軟件功能框圖

系統軟件實現的主要功能為：

1)對門電路功能、驅動器功能和診斷功能進行順序檢測；

2)對門電路和驅動器輸出電壓進行檢測；

3)對診斷信號進行檢測；

4)對每個檢測步驟的所有的設置值(電壓值，輸出負載等)、測量值、診斷數據、功能故障、診斷故障進行文件記錄；

5)具有在中央控制單元統一控制下，與MRE試驗臺和電磁鐵試驗臺進行系統級測試功能；

6)可設置不同的權限，供研究、功能測試、檢修維護等不同模式下的應用；

7)具有自檢功能，檢測試驗臺各部件能否正常工作并可診斷出故障部件。

功能檢測包括18個帶有不同的輸入信號和輸出信號的功能塊。所有18個功能塊都用一個標準檢測以及一個最小值/最大值檢測來進行檢測。

標準檢測：對于單個邏輯連接元件的功能，只用2個不同的輸入電壓(3 V，22 V)針對2個不同的負載電流(用于門電路的0 mA和60 mA； 用于驅動器的0 mA和120 mA)以及1個25 V的電源電壓進行檢測。對所有可能的組合進行檢測。

最小值/最大值檢測： 對于單個邏輯連接元件的功能，用4個不同的輸入電壓(0 V，6 V，21 V，30 V)針對3個不同的負載電流(用于門電路的0 mA、40 mA和100 mA；用于驅動器的0 mA、40 mA和130 mA)以及2個不同的電源電壓進行檢測。對所有可能的組合進行檢測。

表4 車載控制器功能檢測TP測試項數目表

表4中的每個測試小項的測試流程基本相同，基本測試流程如圖4所示。

5 結構設計

控制柜采用800 mm×800 mm×2100 mm(深×寬×高)標準控制機柜，內置42U標準上架安裝立梁結構，所有設備均采用上架安裝方式，便于更換和維護。內部布局從下往上依次是電子負載、程控電源、PXI機箱、KVM顯控組合和加電控制組合等組成。在右側距離地面1 m高的位置放置4U高度的對外接口航插面板，通過連接電纜與信號轉接適配器連接，試驗臺實物如圖5所示。

圖5 測試驗證結果圖

BST安裝臺導軌架采用標準鋁合金材質型材搭建。導軌架根據車載控制器結構尺寸進行定制設計，并采用與控制器配套的結構鎖緊機構，實現控制器的鎖緊對接。

鎖緊裝置主要由閉合裝置、定位夾板解鎖鍵、組合定位夾板組成。實現車載控制器的鎖緊對接。

6 測試驗證

本試驗臺先后對多種型號的數十臺車載控制器對接測試驗證，測試分為標準模式和最大值/最小值兩種模式，圖5為兩種模式連續測試的測試結果，測試過程中試驗臺運行穩定，測試精度高，測試效果良好。

7 結束語

本文在測試需求進行綜合分析的基礎上，對新一代高速磁浮列車車載控制器綜合試驗臺的硬件、軟件和結構設計進行了詳細的論述。對接測試結果表明，本試驗臺設計原理正確、運行穩定可靠、測試結果準確，滿足高速磁浮列車車載控制器自動化測試的需要。