文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)02-0018-03
防滑控制是保障鐵道車輛制動安全,提高制動效率的有效手段。特別是隨著貨運速度的提高,一旦發(fā)生滑行,可能造成更大的危害,因此,我國的快速貨車上應(yīng)考慮安裝防滑裝置[1]。齊車裝備有限公司和眉山車輛有限公司在研發(fā)的快速貨車的樣機上,安裝了機械式防滑器來解決輪對滑行問題。然而機械式防滑器存在靈敏度低、性能不穩(wěn)定、不能實時監(jiān)測粘著狀態(tài)、調(diào)節(jié)制動壓力的缺點[1],且機械式防滑器中關(guān)鍵的敏感元件經(jīng)長期使用易磨損,導(dǎo)致其性能逐漸下降。電子防滑器利用計算機控制技術(shù),實時檢測車軸滑行狀態(tài),調(diào)整制動缸壓力以防止車軸打滑,且能根據(jù)多滑移判據(jù)判斷車軸是否滑行,具有更高的準(zhǔn)確性,在鐵道客車、動車組等機車車輛上得到廣泛運用。
在快速貨車上使用電子防滑器需解決電源問題。西南交通大學(xué)已設(shè)計出一種可懸掛于車體底部的風(fēng)力供電裝置[2]。本文在此基礎(chǔ)上對貨車采用電子防滑器方案進(jìn)行相應(yīng)研究,提出了一種基于數(shù)字信號處理器(DSP-TMS320F2812)控制的防滑控制器,以模糊控制為算法,實現(xiàn)車軸的滑行檢測和防滑控制。
1 快速貨車電子防滑器原理
由于受粘著限制,車輛制動過程中容易產(chǎn)生滑行,甚至車輪擦傷。目前在我國速度超過120 km/h的鐵道機車車輛上均安裝了電子防滑器,防止車軸滑行。從原理上,快速貨車電子防滑器和客車電子防滑器其原理是一致的:防滑器通過實時采集車輛上4個車軸速度,經(jīng)比較得到車輛基準(zhǔn)速度,進(jìn)而計算車輛滑移率和減速度等,并根據(jù)多滑移判據(jù),判斷車軸是否打滑,從而調(diào)整制動缸壓力,防止車輪滑行。本文設(shè)計的電子防滑器原理如圖1所示。
2 硬件設(shè)計
防滑器需要采集各車軸速信號。速度傳感器輸出信號一般是速度脈沖形式,同時經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理才能完成防滑控制。較高的運算速度和數(shù)據(jù)處理能力可縮短防滑器的響應(yīng)時間,提高響應(yīng)準(zhǔn)確性。本文選用了TI公司的32 bit定點DSP-TMS320F2812作為防滑器主機的核心控制器,其事件管理器的捕獲單元可捕捉到外部引腳的跳變,可方便用于速度傳感器信號的測量。該芯片數(shù)據(jù)處理能力達(dá)150 MIPS,集成了豐富的片上外設(shè),既有數(shù)字信號的處理能力,又有強大的事件管理能力和嵌入式控制能力,特別適合于需要大批量數(shù)據(jù)處理的測控論域[3]。此外,完成防滑控制主要用到的模塊還包括:事件管理器(EV)的定時器單元和CPU定時器、外設(shè)中斷擴展模塊(PIE)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、SPI通信接口、看門狗、通用I/O、外部中斷接口和存儲器接口等。
為了減少系統(tǒng)輸入、輸出與核心控制單元之間的信號干擾且便于維護(hù),防滑器硬件采用如圖1所示的模塊化設(shè)計,分為信號調(diào)理模塊、核心控制單元和驅(qū)動模塊。
核心控制單元包含了最小系統(tǒng),其包括TMS320F2812、時鐘與復(fù)位電路、電源和濾波、JTAG等。此外,電子防滑器還應(yīng)包含其他必要的應(yīng)用電路,如故障碼掉電存儲、顯示和清除等。本文將DSP的串行外設(shè)接口(SPI)擴展了EEPROM存儲,選用X5045作為故障碼存儲器,其存儲容量為4 KB,可進(jìn)行100萬次擦寫。為方便維護(hù),本文設(shè)計了故障碼顯示功能,選用MAX7219作為兩位數(shù)碼管的顯示驅(qū)動器,由DSP的I/O口控制。此外,利用TMS320F2812的3個外部中斷口,直接作為按鍵控制接口,用于控制故障碼的顯示和清除等操作。
信號調(diào)理模塊和驅(qū)動模塊是電子防滑器的重要組成部分。速度傳感器的信號經(jīng)信號調(diào)理(光耦隔離)接到DSP的4路捕獲口,由DSP實時采集各車軸速度,計算滑移率、減速度等。防滑器根據(jù)車軸運行情況控制電磁閥驅(qū)動電路,從而控制防滑閥充放氣、調(diào)節(jié)制動壓力。
3 軟件設(shè)計
在明確電子防滑器功能的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)采用了模塊化編程的思想,程序總體框圖如圖2所示。由于TMS320F2812的PIE模塊最多可支持96個中斷,為系統(tǒng)的模塊化編程帶來了很大的方便,增強了系統(tǒng)程序的可讀性。其中速度處理和滑行檢測控制是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵模塊。
3.1 滑移率及減速度的計算
車軸前行速度v和車軸傳感器發(fā)出的脈沖頻率f成正比關(guān)系:
速度值。結(jié)果表明無論在高速或低速情況下,電子防滑器的速度測量絕對誤差不超過0.05 km/h,相對誤差不超過0.05%,可滿足防滑器對速度測量精度的要求。
3.2 滑行檢測和控制
本文應(yīng)用模糊控制算法實現(xiàn)防滑控制。為提高DSP運算效率、縮短系統(tǒng)響應(yīng)時間,系統(tǒng)采用了離線查詢的方法實現(xiàn)模糊控制;通過MATLAB/Simulink仿真設(shè)計了二維模糊控制器;滑移率的基本論域為[0,0.25],減速度基本論域為[-4,4]。實際控制過程中只要測得滑移率和減速度的量化值,通過查表的方法即可得到當(dāng)前控制量。電子防滑器的控制輸出量為充放氣時間(0~500 ms),正值即為充氣,負(fù)值為放棄,0為保壓。
設(shè)定CPU定時器0周期中斷為5 ms(即單次充放氣時間為5 ms),設(shè)定CPU定時器2中斷周期為100 ms[4](即滑行狀態(tài)檢測周期)。則實際控制中,模糊控制量OP在[-50,50]內(nèi)即實施保壓。
4 防滑模擬試驗
為驗證防滑器控制效果,本文在實驗室進(jìn)行了防滑模擬試驗,如圖4所示。試驗以LabVIEW軟件為平臺,模擬整車速度信號和打滑車軸速度信號,通過防滑器對容積室壓力的控制模擬,實現(xiàn)對制動缸壓力的控制。在計算機上通過LabVIEW編程讀取MATLAB/Simulink仿真得到的兩路車軸信號,控制NI公司的6008型數(shù)據(jù)采集卡生成兩路與速度成比例的電壓信號。該電壓信號經(jīng)電壓頻率轉(zhuǎn)換電路,得到頻率與速度成比例的脈沖信號,速度脈沖信號經(jīng)信號調(diào)理模塊的光耦隔離接到DSP的CAP腳。其中電壓頻率轉(zhuǎn)換選用了AD654芯片來實現(xiàn)。AD654是一款低漂移、線性度高、低成本的電壓頻率轉(zhuǎn)換芯片,只需要很少的外圍元件即可實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。
本試驗控制對象為容積室,其壓力由充氣閥和排氣閥控制,容積室壓力通過壓力傳感器接到數(shù)據(jù)采集卡,在計算機上通過LabVIEW編程實時顯示容積室壓力。
試驗?zāi)M車輛在制動過程中出現(xiàn)車軸兩次打滑的情況,其結(jié)果如圖5所示。當(dāng)防滑器檢測到車軸滑行時,實時調(diào)整容積室壓力,可防止車軸繼續(xù)滑行,在無滑行后繼續(xù)恢復(fù)容積室壓力,以保證制動力的順利實施。
防滑控制是快速貨車制動的關(guān)鍵技術(shù)之一,對保障制動安全、提高制動效率具有重要意義。本文設(shè)計的基于DSP的快速貨車電子防滑器能高精度測量車軸速度,并以模糊控制為算法,根據(jù)多滑移判據(jù)檢測車軸滑行狀態(tài),及時調(diào)整制動缸壓力,防止車軸繼續(xù)打滑,從而保障制動安全,縮短制動距離,提高了制動效率。經(jīng)模擬試驗表明,本防滑器具有響應(yīng)快、實時性好、準(zhǔn)確性高等特點。
參考文獻(xiàn)
[1] 李培署.我國快速貨車上使用防滑器的可行性探討[J].鐵道車輛,2002(8).
[2] 西南交通大學(xué).用于鐵路貨車的風(fēng)力供電裝置[P].中國專利:201120076778.2,2011-06-16.
[3] Texas Instrument Corporation.TMS320F2810.TMS320F2812 digital signal processors data manual[K].2002.
[4] 陳朝發(fā),孫峰.TFX1型防滑器在提速客車上的應(yīng)用研究[J].鐵道車輛,1999(6).