列車傳動控制單元并行自動測試系統設計

賈勇

株洲中車時代電氣股份有限公司 湖南 株洲 412000

引言

隨著中長期鐵路規劃的進一步落地，國內外鐵路運行里程逐年增加，軌道交通車輛的需求量同步提升。列車交流傳動系統作為軌道車輛的動力核心，內部關鍵部件傳動控制單元（TCU）更是有著牽引變流器的“大腦”之稱。列車TCU的可靠性直接影響列車的運行狀況與行車安全，因此其生產過程中，需要全面的功能測試以保證硬件功能的正常。但功能測試往往受TCU自身硬件設計、儀器資源和人員等條件的限制。

（1）列車TCU功能測試需要人員通過過渡線纜手動外接信號發生器、示波器和傳感器等設備，并根據通道的信號類型需求手動切換過渡線纜，測試效率較低；

（2）測試結果由人為主觀判斷，漏測錯測時有發生，測試質量難以保證，同時無法對過程數據進行記錄與追溯；

（3）調試項點多，過程復雜，對操作人員技能要求高，不同人員測試結果存在差異性，無法保證測試一致性。

1 硬件測試需求分析

列車交流傳動系統主要由受電弓、牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機組成，牽引變流器內部包括整流器、中間直流環節、逆變器、牽引電機、傳動控制單元（TCU）和輔助逆變器等設備，TCU承擔牽引變流器的邏輯控制和對外通信功能。

牽引系統與TCU相關聯的功能模塊拓撲如圖1所示，TCU與列車網絡系統通過硬線連接的形式，接收司控臺發來的控制命令，列車網絡系統類似于人體中樞系統，利用MVB或以太網通信的方式，實時傳遞行車指令。同時TCU會將牽引系統相關的控制參數、故障信息反饋給列車網絡系統，進而傳遞至司控臺。

圖1 TCU機箱邏輯功能結構框圖

列車TCU邏輯控制功能由內部的SMC主控插件承擔，通過背板總線與其他各功能模塊分別實現變流器邏輯控制、系統保護功能、輔助逆變器控制、四象限整流控制、逆變控制和粘著利用控制。為了快速實現TCU機箱的硬件功能測試，測試系統需模擬實現TCU機箱正常工作時所需的外部環境，即各類型的輸入輸出信號。

列車TCU正常工作時，實時接收變流器內其他部件和傳感器發送的信號，內部功能模塊同步將信號反饋至變流器。通過對TCU接收與反饋的信號進行統計分析，測試系統應能提供包括溫度信號、電壓電流信號、速度信號、網壓信號及數字IO信號在內的多種信號。同時各信號需考慮多通道輸出，避免人為換線和最大化兼容機動軌平臺TCU測試需求。

2 整體方案設計

基于列車TCU的硬件測試需求分析，設計一種基于虛擬儀器的自動化硬件測試系統。測試系統包含模擬牽引變流器部件和傳感器輸入至TCU的信號源，以及TCU對外的輸出信號檢測模塊。系統內部模塊化構成如圖2所示。

由于TCU機箱硬件測試時，信號需求種類及通道較多，無法為每種類型的信號入出通道配備單獨的信號源或信號檢測模塊，其成本較大，采用基于PXI通信的可編程矩陣實現信號源的分時復用，測試過程中根據需要自動完成通道切換[1]。

每種類型信號所需的信號源配備雙路，從而實現通道間并行測試。使用海量互聯方案結合模塊化設計思想，將信號源及開關通過導線連接到系統對外接口，對外接口適配器（ITA）執行功能分區。測試時只需選擇對應產品過渡線束，便能實現測試系統與被測TCU之間的信號交互。

圖2 自動測試系統整體方案設計圖

2.1 硬件方案設計

由于TCU機箱對于信號質量要求較高，輸入出信號精度應小于2%，因此測試系統采用模塊化儀器作為信號源，以滿足高精度要求。工控機作為系統控制的核心，通過GPIB方式與測試儀器通信，控制儀器和PXI模塊的開關、參數調節和輸出。

測試系統內部硬件包括被測TCU供電電源、數字IO信號電源、波形檢測示波器及模擬外部傳感器信號的電壓/電流信號源、信號發生器等儀器，各儀器的信號輸出通過PXI機箱內部的開關和矩陣完成，同時PXI機箱還包含控制卡、數字萬用表卡、電阻卡、數字IO卡，控制卡實現PXI機箱與工控機之間的通信，從而控制PXI機箱內插件的輸出和開關動作，萬用表卡實現電壓、電流、電阻等信號的測量，電阻卡提供四線制溫度傳感器模擬信號，數字IO卡用于指示燈控制、過渡線束的編碼及配地址功能[2]。

PXI矩陣模塊信號路由方式連接如圖3所示，將測試系統內部儀器的輸入和輸出接口連接至矩陣的列端口，每種儀器信號接入雙通道，作為系統的固定資源路由。此種連接方式的路由數可最大化取決于矩陣的列數，避免了接入行端口時，資源路由數僅能連接3路信號源或信號檢測模塊，為行端口數的一半，同時雙路資源可實現并行測試。

圖3 PXI矩陣輸入輸出信號路由示意

2.2 軟件方案設計

測試上軟件采用LabVIEW圖形化語言進行開發，配置儀器及PXI硬件平臺編程控件，程序開發方便，可快速實現信號的調節、輸出和采集。

單通道波形采集時，被測品TCU輸出使能脈沖等信號時，經適配限線纜進入自動測試系統能夠對外ITA接口，矩陣路由器示波器采集通道。程序依次完成儀器初始化、矩陣模塊的連接、矩陣通道點位閉合、示波器通道選擇和參數設置后即可開始信號的采集，并且軟件可自動判斷被測信號的參數是否滿足功能要求，測試通過后分別斷開矩陣連接、關閉示波器，并設置信號接口，便于復用。

電壓/電流信號采集、模擬溫度信號輸出和速度信號輸出、數字信號輸出的程序設計與波形采集相似。并行測試時，基于軟件時鐘進行觸發，同步開啟雙通道資源初始化及參數配置[3]。

底層程序VI設計完成后，使用NI Test Stand軟件開發VI管理程序，Test Stand軟件內置LabVIEW API接口，可快速調用已編制好的VI，使用工具自帶編輯器創建全過程測試序列main sequence。根據被測TCU的功能特點，將每個功能模塊的測試打包為單獨的子序列，子序列僅需完成單一信號類型的并行測試，不同通道之間的測試切換只需調節矩陣模塊的閉合點位即可，避免了儀器間的相互切換及參數調節。

VI程序的輸入參數可以在子序列的每個步驟中進行設置，并且輸出參數支持預設限值，當輸出參數滿足限值時，執行結果為pass，否則為fail。

每個功能模塊分別輸出不同的子序列后，由main sequence快速調用，從而實現被測TCU的全功能測試，并輸出一個完整的.sequence文件。執行被測TCU批量功能測試時，測試完成后根據輸入序列號生成對應測試報告，報告不僅包含每個VI的結果數據，還支持測試時間，周期等過程數據的記錄，最終上傳至專用服務器或數據庫中，用作數據分析及歷史數據追溯。被試TCU批量測試軟件流程如圖4所示[4]。

圖4 TCU批量測試程序流程圖

3 結束語

列車傳動控制單元自動測試系統已廣泛應用于機動軌平臺8軸HXD1車型、350KM復興號、廣州地鐵18號線等項目T列車傳動控制單元功能測試，解決了TCU功能測試的瓶頸問題[5]。

采用基于GPIB通信的儀器互連，借助PXI矩陣模塊的進行通道切換，通過分時復用和并行測試方式，提升了測試儀器的資源利用率；上位機軟件可自動完成測試信號輸出、采集及處理，實時記錄過程測試數據并上傳至服務器，實現產品質量數據追溯；模塊化軟件設計，保證程序開發效率，節約人力成本，提升列車TCU的硬件測試效率和測試一致性，保證了產品質量。