基于虛擬技術的磁浮列車整流單元測試系統研究

郭建宇

（上海磁浮交通發展有限公司，上海 201204）

0 引 言

與普通的軌道交通車輛不同，磁浮列車在庫內檢修或低速運行時可以從受流器獲取電力。但是在正常高速運行時沒有受流器或受電弓等外部供電部件，列車主要通過自身所帶的線性發電機獲取所需電力。

當磁浮列車的速度小于100 km/h時，列車受流器伸出接觸動力軌供電；當列車速度大于100 km/h時，列車自身線性發電機隨磁場變化產生交流感應電勢，然后經過整流單元（以下簡稱HS）轉換為直流電后供給后續負載。

線性發電機供電示意如圖1所示，不管是低速時來自動力軌的直流電還是線性發電機的交流電都要經過HS后經再給負載供電。HS是磁浮列車上的重要功率設備，在運行時經常會發生各類故障，如整流模塊短路、欠壓、過流以及機箱信號丟失等。為了保障HS的正常診斷與維修，需要對它的各功能進行全面測試，以檢測其電氣功能及在各類極限運行狀況下的性能。

圖1 線性發電機供電示意圖

1 測試系統硬件

1.1 電氣硬件

HS測試設備是車載電網測試系統中的重要設備之一，為了模擬和測試HS機箱正常運行時的各功能，測試系統電氣硬件主要由交流電源柜（工頻電源）、開關柜、功率負載、主控制柜、直流電源柜以及測試架等部分組成[1]。

HS測試系統控制柜具有統一的外部電氣接口，主要采用NI控制機箱和程控電源實現HS外部電氣性能的模擬，并采用NI控制器和各類控制板卡進行數據的采集與分析工作。其另外一個作用就是負責協調整個測試系統中各柜體之間的控制邏輯和供電。開關柜的主要功能是模擬HS的外部工作狀態，對HS機箱進行測試；直流電源柜能夠模擬車載電網中相關蓄電池的工作情況，并采用CAN通信總線進行電壓和電流控制，完成數據采集等工作；功率負載實現了對HS負載的模擬，以測試HS實際帶負載輸出能力。

另外，控制柜內還布置有可編程直流電源、電子負載、示波器以及采樣電路等部件，分別為系統各類控制板卡提供直流源、電子負載、測量輸出特性等[2]。

1.2 虛擬儀器

測試系統控制部分采用PXI及PXI Express總線進行數據傳輸，并選用NI PXIe-8840控制器和PXIe-1065控制搭建系統硬件平臺，構架如圖2所示。

圖2 控制器硬件平臺架構

采用PXIe-1065作為測試系統控制機箱，其中有18個插槽，各插槽功能模塊相互獨立，且具有高性能PXIe背板，每個PXIe插槽的傳輸帶寬高達1 GB/s。此外，它包括PXI總線，定時和觸發總線，還能向下兼容PCI機箱的所有特性[3]。

該系統采用PXIe-8840控制器作為系統的核心大腦來處理系統的所有輸入、輸出數據。PXIe-8840控制器其實就是一臺高度集成且性能優越的微型工業計算機，不僅有GPIB標準接口，還有豐富的外部擴展接口。其處理器為Intel CoreTM i5 4400E的雙核處理器，同時具有兩個外部顯示端口、兩個網口以及1個RS232接口。

采用PXI-8512作為測試系統CAN卡，它是一款高速率、單端口的PXI CAN接口模塊，可同時對數百個CAN幀和信號進行高速實時操作的應用。采用PXI-4065作為DMM采集卡來采集模擬量信號，能對交、直流電壓源、電感、溫度、電容以及頻率等進行精確地測量。采用PXI-2503作為測試系統低壓復用開關卡，通過程序控制靈活地切換測量信號。采用PXI-6528作為測試系統IO卡，具有光隔離輸入和輸出通道各24條，可以傳輸模擬測試系統中所需要的數字信號。此外，對數字量信號的采集和控制主要采用CB50擴展卡來實現。

2 測試系統軟件

HS測試系統是一種基于NI硬件和LabVIEW的虛擬儀器測試平臺。其原理以計算機為基礎，配合具有數據采集、傳輸以及轉換等功能的各類數據板卡搭建自動測試系統，完成各類自動測試工作[4]。不同于傳統的實物硬件測試系統，虛擬測試技術可以僅通過更改測試程序和調換相應的控制板卡實現另一種完全不同的測試功能，大大縮短了測試系統的開發周期，降低了測試成本。

2.1 系統通信

本測試系統各硬件之間的通信采用通用接口總線（General Purpose Interface Bus，GPIB）。GPIB 是一種標準的測試接口，核心為24芯總線，其中的16根為信號線，另外8根為數據線，主要特點如下。一是可以方便地將所需的硬件設備連在一起組成一個類似局域網的測試系統，但硬件設備不能多于15臺，總線總長可達到20 m。二是與常規邏輯方式不同，GPIB總線的邏輯方式為負邏輯，即低電平時邏輯為“1”,反之則邏輯為“0”。三是采用雙向異步傳輸方式，數據傳輸速度可達1M/s。四是總線地址容量大，其中單字節講地址和聽地址各31個，雙字節講地址和聽地址各961個。

在一般的測試系統中，控制主機通過GPIB即可實現電源、負載以及各類數字板卡之間的實時通信，如控制電源的開通與關斷、測試電壓的輸出與反饋、設定電子負載參數以及各類數字板卡的數據測量與轉換等工作[5]。

2.2 測試程序流程

為了檢測HS的各類極限運行情況下的電氣性能，需要設定不同的測試參數和測試方法來對HS進行測試。系統以LabVIEW和TestStand為平臺設定不同的VI程序和測試序列，對HS的測試數據進行分析并輸出測試結果，圖3為HS測試程序流程圖。

圖3 HS測試程序流程圖

傳統的編程語言都是文本語言，而LabVIEW是一種圖形化的編程語言，非常直觀且易上手，僅僅通過對各類功能圖標進行連線即可完成簡單的編程，通過更改數據流的方向即可改變程序的測試時序。最重要的是，LabVIEW自身有非常強大的庫文件，幾乎涵蓋了測試所需的各類基礎功能模塊，調用十分簡便高效[6]。VI指虛擬儀器子程序，是LabVIEW的程序模塊。圖4所示為本測試系統一個對電源進行控制的VI程序。

圖4 程控電源控制VI程序

TestStand是一種標準的自動化測試管理軟件，全面應用于組織原型搭建、控制設計認證以及具體測試程序的執行。它與LABVIEW、VB以及VC等主流測試環境能夠完美兼容，且能調用眾多的動態鏈接庫，將各類編程環境結合起來，便于對程序的調試，在提高系統開發效率會讓測試速度以及降低成本方面具有明顯優勢。此外，TestStand還能在測試結束后正常測試報表，對測試人員的分析提供幫助。圖5所示為TestStand的一個調用程序。

圖5 TestStand調用程序示例

當系統完成HS測試后，可以將本次測試的所有數據以特定的文件格式進行保存，包括測試人員、測試時間以及每個測試功能的主要測試數據和測試結果等信息，便于技術人員進行查閱和分析，進而分析和統計HS的故障情況。

3 結 論

基于NI硬件和LabVIEW軟件的磁浮列車線性發電機整流單元測試系統能夠實現對列車HS機箱各類極限功能的測試。該測試系統測試精度高，能夠在實驗室內模擬HS的實時工況并將測試結果以文件的形式進行輸出保存，便于分析測試數據并對故障機箱進行診斷與維修。其測試系統設計思路和實現方法對相關領域的自動測試具有一定的參考意義。