（电气工程专业论文）ss4g电子柜试验装置的设计.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h i st h e s i si sb a s e do nt h ep r o j e c t ，t h ea u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e mo ft h e e l e c t r o n i cc a b i n e tf o rs s 4 gl o c o m o t i v e a f t e rs t u d i e dt h ep r i n c i p l eo ft h ef a u l t d i a g n o s i so ft h ee l e c t r o ne q u i p m e n ta n dt h et h e o r yo ft h ea u t o m a t i ct e s t i n g s y s t e m ，w es t u d i e dt h ea u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e ma n di t sf a u l td i a g n o s i sa n d a p p l i e di tt op r a c t i c e b ya n a l y z i n gt h ew o r k i n gp r o c e s so f t h ee l e c t r o n i cc a b i n e t ，p r e s e n t i n gt h e h a r d w a r em o d e lo ft h em a i nc i r c u i ta n dt h et r a c t i o nm o t o r w h i c he n a b l et h e w h o l ee l e c t r o n i cc a b i n e tt e s t i n g w ed i v i d e dt h ew h o l ee l e c t r o n i cc a b i n e t t e s t i n gi n t op a r t i a lf u n c t i o n a lm o d u l eb yt h ep o s s i b l ew o r k i n gs t a t e so ft h e l o c o m o t i v e u s i n gt h et h e o r yo ff a u l td i a g n o s i st r e ei nt h em o d u l et e s t i n g w h i c he n a b l eu st oa s c e r t a i nt h ef a u l t si nb o a r d t h es a l n em e t h o di sa l s ou s e d i ns i n g l eb o a r dt e s t i n gt h r o u 曲w h i c hw ec a na s c e r t a i nt h ef a u l ti nt h eu n i ta s s m a l la sw ec a n t h e r e b yb r i e ft h ef a u l td i a g n o s i n ga n de n h a n c et h ed i a g n o s i s a c c u r a t e l ya n dr a p i d l y k e y w o r d s ：t h ee l e c t r o n i cc a b i n e tf o rs s 4 gl o c o m o t i v e ，a u t o m a t et e s t s y s t e m ，f a u l td i a g n o s i s ，f a u l td i a g n o s i st r e e 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 1 1 自动测试的意义 第1 章绪论 随着电子技术的发展，现代工业上的电子系统无论是军用的，或是民 用的。都变得越来越复杂。如果仍用传统的手工测试装置，无论对产品生 产时测试还是设备维护时测试，都将变得越来越困难，同时还需要测试技 术熟练的工程技术人员进行操作，所以，自动测试装置已取代了传统的手 工测试装置。对于各种自动检测系统的组成越来越复杂，对许多参数的检 测精度要求越来越高，既要求检测系统具有更高的速度和自动化水平，又 要求检测系统具有更大的灵活性、适应性和可靠性，并向多功能发展。 微机自动测试系统为满足上述这些要求创造了条件，其特点是许多测 试系统的硬件功能可以由软件来实现，这样可简化系统设计、降低成本、 减小体积和重量及提高系统的可靠性：由于软件编制工作有很大的灵活性， 因此使系统的功能大大加强，并且有很好的可扩展性和可移植性。还可以 通过软件编程将各种数字处理技术应用于测试系统中，使测试系统更准确 可靠。通过软件控制相应的硬件设备，能完成输入输出信号切换，从而使 系统有更好的可扩展性和可移植性。除此之外，系统还有故障诊断、记录 显示和结果判断等功能。 1 2 微机自动测试系统的构成 微机自动测试是用微机及其外部设备取代人的动作、感觉功能和人的 思维功能对被测对象进行测试。微机在测试过程中有如下作用： 1 控制测试过程； 2 激励信号： 3 数据处理，对响应信号进行各种数字逻辑运算，作出判决； 4 输出测试结果； 5 管理测试系统； 6 监测报警。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 测试系统的硬件结构如图卜1 示。微机输出数字量经过d a 转换和信号 处理后经可控开关阵列送入被测系统，送出开关量同样经过必要处理送入 被测试系统，使被测系统工作于某一状态，系统的响应信号经过可控开关 阵列后，经过必要的处理送入微机，微机再对这些数据进行处理，对被测 系统的运行状态进行故障诊断和评估。 图1 1 微机自动测试系统硬件结构 1 4 技术资料( 或用尽量少的技术资料) ，由非技术人员上机进行几乎 全自动的操作。 1 3 论文的目的与任务 本论文的工作是结合项目“s s 4 g 型机车控制柜测试系统”研制而进 行的。 s s 4 g 型机车电子控制柜( 简称电子柜) 是在引进、吸收、消化8 k 型 机车的基础上，针对s s 4 g 型机车的牵引、制动控制要求而重新设计的新 一代电子柜。它在控制性能上与s s 4 型机车电子柜有很大不同，增加了功 率因素补偿控制、空电联合制动控制等新功能，在结构上采用标准的插件 和插件箱，电子柜的体积大大减小。其主要功能包括：牵引控制、制动控 制、空转滑行控制、空电联合制动控制、轴重转移控制、功率因素控制、 重联集中控制等。为保证机车的安全运行、完成对机车的检修任务，需要 对机车电子柜进行经常性检测，由于系统的复杂程度很高，若采用人工测 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 试，不仅要很多操作复杂的专用设备，而且对测试人员的综合素质高，他 不仅要对整个系统及内部电路结构有详细的了解，还要对设备操作非常熟 悉。测试工作费时费力，效率低下，而且难于保证及时准确地对故障点进 行定位。为此我们设计了“s s 4 g 型机车控制柜测试系统”，该系统以工业 控制计算机为核心，配以外围接口电路及处理电路，对s s 4 g 型机车控制 柜进行自动测试。并结合自动测试和故障诊断理论，对电子柜进行故障诊 断。该系统提供友好的人机界面，操作人员在系统的提示下，只要选择相 应的测试项目，系统就会自动完成全部测试，并作相应的故障诊断，显示 并记录测试结果及系统状态。该测试系统设计了单板测试和整机测试功能， 可以先进行整机测试，将故障定位到板卡级。再通过单板测试确定故障在 板卡上的具体位置，实现故障定位。实际测试表明，该系统能够正确对电 子柜进行测试和诊断。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第4 页 第二章s s 4 g 机车电子柜功能及组成 s s 4 g 机车电子柜的主要功能是对机车进行牵引和制动控制，根据司机 指令和当前机车的运行状况给出正确的三段桥的触发脉冲，使机车能够可 靠运行。s s 4 g 机车的牵引电机使用的是8 0 ( k w 的脉流牵引电机，牵引时串 励，制动时他励。具体主电路可参考。s s 4 g 型电力机车的调速特性是： 1 起动阶段，恒流起动；2 运行阶段，准叵速运行。s s 4 g 机车控制系统设 置了a 、b 组控制功能，a 组用于正常情况控制时，b 组是备用功能。当a 组出现故障时，可以通过拨动开关将电子柜置于b 组运行。同时，机车还 设置了单机和多机重联运行方式，无论是单机还是多机重联，只有操作端 的调制电路工作，其调制脉冲经重联线，传送至各电子柜独立解调。这通 过设置操作端信号控制输入输出插件上的继电器来实现。 a 组有1 6 个插件，b 组有1 0 个插件。共有1 5 种规格，分别为电源插 件、输入输出插件、调制解调插件、保护逻辑插件、特性控制插件、脉冲 形成插件、脉冲放大插件、转换控制插件、电压给定插件、转向架控制插 件、空电联合制动插件、频率变换插件、防空转控制插件、功补控制插件 和功补接口插件。 2 1s s 4 g 机车电子柜使用方式 机车有两种运行方式，a 组或b 组运行。机车运行时，正常情况工作 于a 组，当a 组故障时，将电子柜上的拨动开关置于b 组，使电子柜工作 于b 组。待机车回到机务段后，再进行a 组故障排除。 2 2s s 4 g 机车电子柜的a 组简介 a 组控制系统框图如图2l 示， a 组控制系统框图如图2 一l 示， 工况作介绍。 对此框图分别对机车牵引和制动两个 对此框图分别对机车牵引和制动两个 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 图2 1a 组控制系统框图 1 牵引特性发生器；2 制动特性发生器：3 给定值积分器：4 粘着限制环节；5 。制动电流 限制环节；6 轴重补偿环节；7 防空转防滑系统；8 最大电压调节器；9 电枢调节器； 1 0 控制逻辑环节：1 1 磁场调节器；1 2 最大励磁电流调节器；1 3 移相电压变换环节： 1 4 同步移相信号：1 5 调制：1 6 解调；r p i 牵引电位器；r p 2 制动电位器；r p 3 调车电位器：4 。级位指令信号：z 制动信号：g 1 前转向架1 作信号； j 。电机电 流反馈信号；电机电压反馈信号：，f 励磁电流反馈信号：u ，。最大电压限 制给定值；i f 。最大励磁限制给定值：z 。最大制动电流限制值；，2 。最小制动 电流限制值；m a x 最大值选择：r a i n 最小值选择；+ 加法：一1 ，倒相：d 一段桥 2 2 1 牵引控制 由主台牵引用电位器r p l 或调车用电位器r p 3 二者中取最大值，成为 牵引级位指令，与机车速度反馈信号一起输入至牵引特性形成环节。其输 出经给定值积分器后进行脉宽调制，调制成幅值为1 i o v 的调制波，调制波 送至重联机车及本务机车的解调环节，经解调后又还原成给定值积分器输 出的直流电压信号。该电压信号与粘着限制环节的输出二者中取最小值即 成牵引给定电流信号，。当电机电流大于某规定值后，轴重补偿环节就会 产生电流差值信号u ，此信号只加于前转向架，以达到前架减载的目的。 ，信号经防空转保护系统后成k 信号，没有空转时，j 。= 1 。：发生空转 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 时，空转保护系统的减载功能起作用，k 即瞬时下降，然后再按一定的上 升率回升，回升后仍有空转则再次下降，直至空转被抑制。正信号的k 与 负信号的电机电流反馈信号输入至电流调节器，两者不断地比较，从而 决定了调节器输出的大小。该输出经倒相后即成移相信号u 。，、u 。：、u 。， 经移相电压变换环节后成直流控制电压玑。、u u 该电压与交流移 相电压比较，其交点即决定了移相角的位置。由于u ”玑：、u 。是顺序 衔接的，所以三段桥能顺序开放。 在调速过程中，电机电压不断升高，其反馈信号0 上升，当达到给 定的最大电压时限制以，一值时，最大电压限制调节器的输出小于电流调 节器的输出。由于最大值环节的作用，此时u ，为最大电压限制调节器的 输出，两小段桥的移相角被限制在对应予电机电压最大值的位置。电机达 到最大电压后，如再要提高速度，则要进行有级消弱。 2 2 2 制动控制 制动时，每节车四台电机的主极绕组串联连接，经励磁接触器、励磁 整流器构成回路，由主变压器励磁绕组供电。由主台制动电位器r p 2 送出 制动级位指令，由于制动时从高速到低速，手柄从高级位到低级位，为此 先将r p 2 的输出值经反比例环节转换成制动级位信号a 。该级位信号与机 车速度反馈信号一起输入至制动特性形成环节，其输出与最小制动电流给 定信号比较后取最大值，再经给定值积分环节，然后与牵引控制一样，经 调制、解调，再与最大制动电流限制曲线比较，取最小值即成制动电流给 定信号，。 ，。信号经防空转滑行保护控制系统后成k 信号，该信号与制动电流 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 反馈信号 ，输入至磁场电流调节器，。与k 比较后即决定了调节器的输 出，孩输出经倒相后即成移相信号u 。，再变换成u 即可控制励磁桥的 移相角。同时逻辑环节还送出一个信号至电枢调节器使之封锁。 随着机车速度的降低，励磁电流不断增加，当达到最大励磁电流限制 时，最大励磁限制调节器开始工作，磁场调节器不起作用，逻辑控制环节 解除电枢调节器的封锁信号，使其工作。同时逻辑环节还送一个信号至磁 场调节器使之饱和，以保持最大励磁限制调节器工作，使励磁电流一直为 最大值。电枢调节器输出经倒相后产生u 。经移相电压变换环节后与同 步电压比较，其交点即决定了大段桥的开放角。此时即进入加馈制动工况。 此时只有一个架的两台电机从电网吸收了电能，进入加馈制动，且只有 个大段桥开放，其余的桥臂脉冲在脉冲放大插件被来自保护逻辑的封锁信 号封锁。励磁桥满开放时，若励磁电流仍未到最大，则限制环节起作用， 电枢调节器解锁，同时，使励磁调节器工作维持负饱和输出，机车工作于 加馈制动状态。 2 3s s 4 g 机车电子柜的a 组工作原理 电子柜通过对电流指令和电枢电流反馈量比较，经过调节器来控制 三段桥或励磁桥的直流移相控制电压经脉冲形成插件形成脉冲，再经脉 冲放大插件将脉冲放大隔离后驱动晶闸管，从而改变电机两端的电压，达 到机车稳定运行目的。下面来分析机车实际运行中指令电流、反馈电流、 反馈电压、励磁电流、速度、牵引力等物理量的关系。 牵引指令信号，。 司机指令经过特性控制插件和防空转插件处理后，形成修正后的指令 送入转向架控制插件。 牵引时，修正后的指令厶如下( 与司机指令、机车速度、电机电压有 关) ： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 1 5 0 6 0 0 n 一5 4 v 1 0 9 6 ( 1 ) 1 1 7 2 6 0 3 2 8 1 6 3 2 2 一o 7 7 7 牵引时有最大电压限制环节，u m a x = 1 0 8 0 v 。 牵引反馈电流信号，。 电机电流l 型：匕二! g 丝。 式中u 。流桥输出电压( 矿) ；e 表示牵引电机电动势( 矿) ； 月。表示牵引电机总内阻 ( n ) ，该数值与磁场削弱系数 有关，对满磁场及i 、i i 、 i i i 级削弱，工厂实测值为 0 0 4 4 1 0 4 、0 0 4 1 6 2 、0 0 4 0 0 9 、 0 0 3 9 2 3 q ： r l 表示牵引电机转速 p m i n ) ； ( 2 ) 图2 - 2s s 4 g 机车军引电机典型空载特性试验曲线 e 矽由牵引电机空载特性曲线确定，如图2 - 2 所示( 矿m i n r a d ) ， 其中i l = i 。，满磁场及i 、i i 、i i i 级削弱时，分别为0 9 8 、0 7 0 、 0 5 4 、0 4 5 ； t 。牵引电机齿轮传动比，为4 1 9 ： 制动指令信号，。 制动有电阻制动和加馈制动两种。电阻制动时牵引电机电枢与主极绕 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 组脱离，与制动电阻串联，且同一转向架的两台电机电枢支路并联之后， 与主整流器串联构成回路，两个转向架的四个电机主极绕组串联，经励磁 接触器、励磁整流器构成回路，由主变压器绕组供电。加馈制动又称“补 足”电阻制动，它是在常规电阻制动的基础上而发展起来的一种能耗制动 技术。它克服了机车在常规制动下轮周制动力在机车低速时减小的状况， 从电网吸收电能并将该电能补足到电机电枢电流中去，以获得理想的轮 周制动力。加馈制动时，只有一个转向架产生加馈电流，并且三段桥也只 有一段桥开通，其余的在脉冲放大插件把脉冲全部封锁。 制动时的修正后的司机指令： l s 。m i n m a x5 6 v - 5 6 0 ( n 一1 + 5 。l 7 7 1 1 3 9 4 7 7 2 v 式甲v 霰不材l 军j 噩厦( k m h ) ； n 表示级位： 实际电路中的流过制动电阻的电流值为： 川z ，帆2 瓦e + u d2 器h + 轰 式中：牵引电机或制动电阻电流( a ) ； 五2 学砌) 厶，5 翥叫 r 。表示制动时回路的总电阻( q ) ： u 。表示回路外加电压，即加馈制动时三段桥加的电压( 矿) 。 电阻制动时u a = o ：加馈制动时u 。0 ( 即三段桥开放) 。 电阻制动时，转向架的制动电流调节电路通过电枢电流的反馈量控制 励磁桥的移相电压，从而控制励磁电流的大小，因i z i l c o n s t ，所以要 西南交通大学工程硕士研蠢生学位论文第1 0 页 根据c 。庐t n ，。的关系曲线查处，图3 - 2 所示。设定j 。，n ，根据查出的 e 妒 才能算出。，实现起来很困难。 反馈电压信号 s s 4 g 型机车牵引电机电压u 。v 限制曲线如图3 - 3 示，限制包络线 为q 吼披其中q 为起动阶段，随v 线性增大，s s 4 g 型机车u d v 关 系 u d = 5 6 4 5 + 1 8 7 1 v 当v = 0 、5 、5 1 5 k m h 时，= 5 6 4 5 、1 5 0 、1 0 2 0 v 。 n m 为恒功区，当v 由额定速度5 1 5 砌 增加至最高恒功速度 8 1 4 b n t h 时，由额定电压1 0 2 0 v 线性增高至1 0 8 0 v ，然后维持不变直 到最高速度1 0 0 k i n h ，即m r 自然特性区段。 图2 - 3 s s 4 g 型电力机车牵引电机电压v 限制曲线 从运动学的角度来看s s 4 g 机车的起动和运行过程 s s 4 g 机车牵引力f 与牵引电机电枢电流，。的关系表示为 f = 厂( l ) 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第”页 或f ：! 丝堡m f 柳1 1 0 0 0 d 、7 其中一牵引电机总台数； 版一牵引电机齿轮传动比： r 。一机车齿轮传动效率： 肘一牵引电机轴输出转矩； d 一机车动轮直径。 对于s s 4 g 型机车上式整理为 f = 0 0 5 4 4 7 m 工厂根据实验实测的m l 典型曲线绘制的f l 关系曲线如图2 - 4 示。 黜 上 白 ， ，7 。 ， 1_ 7。 1 鬟日w 7 。 8 夥7，。 7 7 ，钐 宝誊 一委 彳 气 一l t j 图2 - 4s s 4 g 型电力机车牵引力特性曲线 当电机起动时运行在恒流状态此时，机车起动，牵引力大于摩擦力， 处于加速状态。速度不断增大，而给定由特性控制插件限制，保持不变， 由前面电机电枢电流计算式知，这时电机电流反馈信号变小，p i 调节器工 作，使电机电压值增大。当速度信号大小达到特性限制曲线拐点后，由特 性控制插件处理后的给定信号逐渐减小，同样这时仍处于加速状态，速度 在增大，这时仍处于动态调节过程，牵引力逐渐减小，直到最后达到电流 平衡此时也达到了力平衡。当运行过程中力平衡被打破后，速度相应变 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 2 页 化，处理后的给定信号向相反方向变化，此时反馈也向相反方向变化，重 新达到下一个电流平衡和力平衡。 2 4s s 4 g 机车电子柜b 组简介 b 组是简单的牵引、制动控制系统，框图可参照a 组的框图。 由主台牵引电位器r p l 或调车用电位器r p 3 二者中取最大值成牵引制 动级位信号，再经给定值积分环节后直接成为移相信号u ，( 也即是u ，) 。 因此电位器的输出直接决定了移相角，从而决定了电机电压的大小或励磁 电流的大小。b 组牵引时，实现恒流、限压控制功能。当a 组出现故障时， 通过拨动电子柜面板上的a 、b 组转换拨动开关，置电子柜工作于b 组。此 时，为减小系统功耗，系统切断了a 组电源插件供电使a 组所有电子插件 无供电电源，而将ll o v 电源加到b 组电源插件，相应的b 组工作电路。转 换控制插件在b 组工作时，+ 2 4 v 电源脚有电源输入，继电器吸合，实现a 、 b 组信号切换和隔离。牵引时，通过设置电压给定插件的短接电阻方法， 可以使电子柜工作开环或闭环状态。b 组牵引恒流、限压控制是两个转向 架一起控制的。它的电流反馈取的是四台电机电流的最大值，电源反馈也 是取四台电机电压的最大值。最大电压限制同a 组。 2 5s s 4 g 机车电子柜的测试 根据以上分析，不难发现机车运行时始终处于电流平衡和力平衡调节 过程，测试中要模拟这两个过程存在诸多问题。系统电流给定、电机电压、 电流和速度信号等关系较复杂。很难建立它们之间的准确表达式。由于缺 乏相关的数据，测试时很难实现所有对应关系，且实现起来费时费力，最 后还不能得到有说服力的结果。 我们测试的目的是测试电路功能的好坏。至于具体的机车实际运行时 电流、给定电压、电流和速度的对应关系不要求严格的吻合。这样可以简 化我们的电路设计，但目的是一致的，即是将其各部分功能测试出来，是 一种基于功能的测试方案。根据牵引制动控制系统的特性要求，分析后可 知需要检测的具体的电路功能如下： 牵引特性功能测试 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第13 页 制动特性功能测试 粘着限制功能测试 最大电压功能限制 加馈制动功能测试 防空转功能测试 空电联合功能测试 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第14 页 第三章s s 4 g 机车电子柜试验装置的设计 3 1s s 4 g 机车电子柜试验装置的设计方案选择 为了能够准确的反映电子柜的运行情况，我们要提供电子柜实际运行 的电压、电流、速度反馈信号，即要有一个系统来模拟机车主电路和脉流 电机的运行状况，可以采用软硬件实现”1 和硬件实现： 1 软硬件实现采用单片微机仿真机车主电路，主电路模拟是由软件来 实现的，程序设计主要围绕同步信号，由同步信号触发周期性执行脉冲检 测和运算任务。脉冲检测采用查询方式，数据处理及任务量很大，采用每 隔一个周期进行脉冲相位采样，另一个周期进行数据处理运算的工作方式。 脉冲检测采样周期为t 3 6 0 ，即每隔1 0 采样一次，正、负半波都由同步信 号过零点触发开始计时，以保证其对称性，根据采样到的信息确定各路脉 冲的触发角，在根据不同主电路结构和参数结构表得出各控制元件应输出 的整流电压，然后再算出整个桥输出的整流电n u 。，确定之后，再根 据机车速度、网压值和虚拟的电机特性计算出电机电流、电机反电势及励 磁电流等，并将这些数据经过一定处理传送电子柜和主机。对于不同的机 型可以通过上位机向单片机系统下载不同的主电路结构和参数结构表。能 较容易地实现不同机型测试，具有一定的通用性。 2 采用硬件的方法实现是用硬件来模拟主电路和电机，从前面分析电 子柜的工作原理可知，电子柜调节是通过电流闭环来实现调节的，电压信 号只是起限制作用，因此主电路采用了模拟三段桥，电机采用线性电路来 模拟。用电子柜的输出脉冲驱动模拟三段桥，模拟三段桥的负载是电阻， 从电阻上取出电压信号经过相应处理作为需要的反馈信号，输入电子柜， 构成闭环系统，原理如图3 5 示，同时，反馈信号送入主机，进行故障诊 断。d a 7 d a 9 的作用是为测试电子柜相关保护功能而设置的，通过调节相 应的d a 值大小，可咀使电子柜工作于某一保护状态。 对以上两个方法进行比较，不难发现各有优缺点。前一种方法主要是 软件实现，通用性强，只需要改变相应的数据表和少量的硬件改动就能实 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第15 页 现不同机型机车电子柜的测试，需要单片机处理电路和相关后续处理电路， 数模转换和隔离放大等，还要编制相关程序，实现起来较复杂。后一种方 法通用性较差，参数配置是用硬件来实现的，如放大倍数等，一经确定， 就很难更改。其中参数的配置要保证电子柜能运行在所有可能的工作范围。 但它的优点是电路简单，实现容易，条理清楚，能完全模拟整个调节过程， 还能通过设置相应的d a 信号很方便地使电子柜工作于各种保护状态。因此 本设计采用后一种方法来实现s s 4 g 机车电子柜试验装置。 图3 - 1s s 4 g 机车电子柜测试系统电机模型原理图 为简化电路设计，我们作以下处理：制动功能测试时，认为励磁电流， 和，。，成正比；在正常情况下，即不加d a 7 、d a 8 、d a 9 信号时，控制系统不 会进入保护功能：调节相应d a 能实现限制功能测试；设置手动自动转换是 为了实现空电联合制动功能：电子柜输出的电压电流信号用波形卡采集， 然后对采集到的数据进行数据分析处理。 对整机测试时确定的故障板件进行测试，根据电路结构，提供测试需 要的信号，对响应信号进行采集、分析、处理，并对电路板上的故障元件 进行定位。故障诊断的原则是对将电路划分成最小功能单元，无论对数字 电路，还是模拟电路来说都能有利于故障的最终定位。对所有单板进行功 能分析后，确定测试方案。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第16 页 3 2 测试系统构建 测试系统硬件结构框图如图3 - 2 示。系统的全部测试诊断工作在一台 一体化工作站上完成。利用工作站来实现系统的资源管理、控制、计算、 统计、存储、显示、打印和联网等功能。接口电路通过工作站控制负责系 统各部分的协调及控制，完成激励信号给入，被测信号测试，及不同测试 试验项目、不同信号间的转换等工作。 s54g 电子柜单板 电 源 插 件 试 验 箱 继 电 器 板 ai s s46 电子柜整机 继 电 器 板 a14 继 电 器 板 al9 继 电 器 板 a20 激励 信号 及信 号处 理板 32 路 开 关 量 输 出 板 b1 32 路 开 关 量 输 出 扳 b2 32 路 开 关 量 输 入 板 b3 l6 路 a i d 板 b4 12 路 da 板 b5 12 路 波 形 采 集 板 b6 图3 2 测试系统硬件结构框图 测试系统由两部份组成：测试硬件和测试软件。测试硬件提供了测试 软件与被测试目标之间的数据通道，将被测目标的各种信息转换为相应的 数据传递给软件进行分析处理：同时将软件输出的控制指令变为相应的控 制信号输出到被测目标，使被测目标在软件的控制下做出相应的动作。 被测对象要测试的功能多，测试时，分功能模块进行测试。被测对象 有1 5 类单板插件，采用标准的u 6 接口，每个板上的信号种类和大小不尽 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第17 页 相同，且很多管脚上根本就没有信号。为了增加测试的通用性和设计维护 的方便，我们采用模块化设计的思想，将每一个被测对象对应一插件板， 测试单板插件时，只要简单的控制对应的继电器板，切换信号就能进行测 试。测试时，根据被测对象功能，我们将它划为不同功能模块进行测试， 增加测试的灵活性。因板件提供的测试接口较少，我们确定故障时只是将 故障定位到功能级，为进一步将故障定位到更小功能级或元件级，需要实 时显示测试结果和提示测试人员进行相关操作。根据上面要求我们采用 c v i 平台上开发和调试软件。 测试过程中，控制信号及数据流流向如下：当准备工作完成后，选择 某一功能测试时，软件控制计算机使开关量板b l 送出开关量信号，控制相 应的继电器动作，将由计算机控制d a 板b 5 和开关量板b 2 送出的信号，经 过激励信号处理的信号加到单板测试底座上，送入单板；同时，单板输出 信号，经过信号处理板后，送入开关量输入板b 3 、a d 转换板b 4 或波形采 集板b 6 ，由计算机读入测试结果，计算机内部根据测试结果进行故障诊断， 给出故障信息。 通过对电子柜功能和所有单板功能分析并对测试方案制定后。总结得 到本测试系统需要提供的信号类型和流向如下： 1 直流电压信号。由计算机控制d a 输出，经运放隔离放大后，再经 继电器板投切，输入被测系统。需要注意的是，在电子柜控制系统中，有 些地方是电流信号输入，如电机电流、电压、励磁信号，这些信号来着传 感器，属于电流信号，在电压给定插件上经过i u 变换转换成电压信号。 我们需根据实际的转换关系，设计输出电压信号，且要有一定的带负载能 力。 2 脉冲列信号。固定脉冲由集成电路5 5 5 ，或7 4 l s l 2 3 产生。可调频 率的脉冲列信号由计算机控制d a 板输出模拟信号，由集成块l m 3 1 3 产生。 最后的幅值根据实际需要调整。 3 开关量信号。对于电平的开关量由计算机控制开关量输出板输出。 对被测电路中有上拉或下拉的开关量，可以在外面直接接地或接直流+ 5 v ， 由继电器板切换送入被测电路。对于1 1 0 v 直流开关量输入可以直接经过继 电器板上继电器切换送入被测电路。 4 正弦信号。可以由变压器变压得到，输出经过隔离放大后由继电器 切换后送入被测电路。在功补控制插件中，要求提供反馈电压和电流信号， 使无功功率达到一定值，以测试功补控制功能的好坏。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第18 页 本测试系统需要测试的信号类型和流向如下： 1 直流电压信号。由继电器板切换后送入隔离放大器，变换成一5 v + 5 v 电压信号，再由a d 板读入计算机，进行必要处理。 2 脉冲列信号。由继电器板切换后送入隔离放大器，变换成一5 v + 5 v 电压信号，由波形采集卡采集读入计算机，并显示波形信号，来判断被 测系统状态。 ，3 开关量信号。一部分是t t l 电平信号，经由继电器板后送入开关量 输入板，另一部分经过电平转换和隔离后再经继电器板送入开关量输入板， 最后送入计算机。 4 波形信号。由继电器板切换后送入隔离放大器，变换成一5 v + 5 v 电压信号，由波形采集卡采集读入计算机，并显示波形信号，来判断被测 系统状态。 3 3 激励信号及测试电路 上面对测试系统的构建进行了说明，本测试系统由工作站控制开关量 输入板，开关量输出板，d a 转换板，a d 转换板，辅以继电器板，激励信号 和信号处理板来实现s s 4 g 机车电子柜的测试工作。下面对相应的激励信号 和测试电路进行必要说明。 3 3 1 板卡设计与选择 3 3 1 1 开关量板设计 该i o 板是为i s a 总线设计的开关量输入、输出口板，该板具有3 2 路开关量信号的输入、输出功能，并能对开关量输出的信号进行采集，保 证输出状态的正确性，同时能自检本板的工作性能。其框图如图3 3 示。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第19 页 3 3 ，1 2d a 板选择 图3 - 3 开关量板框图 a m p c 一1 2 2 4 板是p c 总线d a 转换输出卡，该板可直接插入具备p c ( i s a ) 插槽的工控机或个人微机，构成模拟量电压电流信号输出系统。输出信号 由2 5 芯孔式d 形插头引出，可输出1 2 路1 2 b i t 的电压或电流信号，可选 择模拟量电压输出范围：0 5 v 0 1 0 y 一5 v + 5 v 一1 0 v + 1 0 v ， 选择模拟量电流输出范围：0 1 0 m a 或4 2 0 m a ，并具有加电清零功能。 用户可根据需要选择每一路输出电压方式或电流方式。 性能和技术指标 输出通道数：1 2 路 模拟输出电压范围：0 5 v ，0 1 0 v ，一5 v + 5 v ，一1 0 v + 1 0 v 模拟输出电流范围：0 1 0 m a 或4 2 0 m a 电压转换系统误差： 2 0 电流转换系统误差： 1 负载要求：0 1 0 m a 时l t n ，4 m a 2 0 m a 时2 5 0 q d a 分辨率： 1 2 b i t 电源要求：+ 5 v 5 ，+ 1 2 v 5 ，一1 2 v 5 电源消耗 ： + 5 矿时2 0 0 m a + 1 2 y 时1 0 0 m a ，一1 2 y h 寸1 0 0 m a 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 0 页 输出建立时间：6 加 模拟电压输出最大电流：4 m a 控制端口的地址与功能表如表3 - 1 示。 表3 - 1d a 板控制端口的地址与功能表 l 端1 3 地址操作 d 70 6 d 5d 4d 3d 2i ) id o功能 b a s e + oo u t lb 1 lb i ob 9 b 8b 7b 6b 5b 4写d a o 高8 位 0 u t 2b 3b 2 b 1 b o写低4 位 b a s e + bo u t lb 1 1b i ob 9b 8b 7b 6b 5 b 4写d a l l 高8 位 o u t 2b 3b 2b 1b o写低4 位 b a s e + oi n pxxxxxxxx 启动o a 转换 x ：启动d a 转换时读到的数据无意义 3 3 1 3a d 板选择 a c l 0 8 0 是一款廉价通用a n 板，适合测量变送器输出、直流电压等场 合的测量应用。a c l 0 8 0 具有3 2 路开关量1 6 路输入及1 6 路输出。a c l 0 8 0 采用大规模可编程门阵列设计，提高可靠性。 主要特点、性能： a d 转换器：l o o k h z1 2 位a d ，a d 内置采样保持器。 1 6 路单端输入，输入阻抗 l o o m q ，最大输入电压： 十1 2 v 一5 5 v ， d b 2 5 孔式输入连接器。 输入为双极性输入幅度：5 v ，单极性输入幅度：5 v 、1 0 v 输入程控放 大器，对应输入幅度及精度如表3 2 示。通过跳线来实现配置。 表3 2a d 板精度及分辨率 输入精度分辨率 o 1 0 v0 2 + l l s b o 一5 vo 1 + 1 5 l s b 一5 v 一+ 5 v o 1 + 1 l s b a d 最大通过率：5 0 k h z ，输入通道建立时间 l o s 。 3 2 路开关量( 4 个8 位) ，t t l 电平，1 6 入、1 6 出。4 0 脚扁平电缆插 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 1 页 座输入、输出。 a c l 0 8 0 占用4 条p ci o 地址线，i o 地址可从i o o h - 3 f o h 问选择。分配如表3 3 示。 表3 3a d 板地址分配表 偏移地址 读操作( r d )写操作( w r ) a o - a 3 o h a d 状态s t a t e ，d o = oa d 转换结束 a d 输入通道号，c b = o f h l h 启动a i d 转换，r u n 2 h a d 结果低8 位：a d l 3 ha i d 结果高4 位：a d h 6 h 读入一号开关量输入口数据d i a写入开关量输出一号口数据d o a 7 1 1读入二号开关量输入口数据b i b 写入开关量输出二号口数据d o b 3 3 1 4 波形采集卡选择 因在测试过程中，需要对脉冲等信号进行测试，以判断其电路功能的 好坏。为了使连续信号采样后输入计算机不失真，根据香农( s h a n n o n ) 采 样定理，采样周期需要满足下列关系式 丁 知 式中厂m 。、：被采样信号的最高频率。 由于厂m 。很难准确确定，所以如果按香农定理选择采样周期，实际采 样取用的厂m 。，还须要放大4 6 倍。我们采集的信号有2 0 u s 负脉冲，因此 采样频率应大于5 0 k h z ，放大4 6 倍，为2 0 0 k h z 3 0 0 k h z 。 在测试的实践中，有两种方式实现测试数据的处理，一种处理方式是 实时信号处理，即在测试的同时处理所得的测试数据；另一种处理方式是 事后处理，也就是在测试的过程只进行数据采集，存储，不对信号进行处 理，采集完后，再对采集到的数据进行分析处理。这种处理方式将信号记 录下来，方便运用各种处理、分析手段对被测对象进行分析处理。这个测 试系统对实对性没有要求，所以采用了后一种数据处理方式。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 2 页 在事后处理方式中要充分考虑采样深度和采样周期，方面对高频信 号要进行高采样率采样，以充分记录信号信息：另一方面高采样频率，需 要提供更多存储空间。在事后处理方式中有可以采用的存储方式有存储读 取、d m a 、f i f o 或双口r a m 和双缓冲等几种存储方式。 存储读取方式是将采集的信号暂时记录到采集硬件板的存储器上，在 采集完成后由控制器件将全部数掘转存到永久存储器上。由于这种方式在 数据采集过程中，所采集的数据只在采集硬件上移动，其采集速度不受外 部硬件设备通信速度的限制，存储器的读取速度是很高的，一般都可以达 到微秒级，大大提高了硬件设备的采集速度。同时这种方式还有处理方便， 编程容易等特点。但这种方式，由于采集深度受存储器容量的限制，采集 的最大时间受到一定限制。 d m a 方式是在d m a 控制器的控制下，将采集硬件的存储器中记录的数 据直接转移到永久性存储器上。d m a 控制器是专用控制数据转移的控制器 件，它使数据转移过程完全不需要主控制器的参与。避免了与其他设备在 系统资源使用上的冲突，从而提高采集设备的采集速度。但这种技术目前 只应用与p c i 总线测试设备。 f i f o 及双口r a m 是采用硬件方法实现高采样率、大数据量的采集，f i f o 采用的是先进先出的堆栈模式。负责数据读取的硬件得到的数据是按照时 间的先后顺序依次写到存储器中。读、写功能分别由不同的硬件电路来完 成，能够同时实现读写功能，借此提高数据采集速度。双口r a m 则是通过 在不同的读写周期中对同一寄存器单元赋予不同的硬件地址，实现寄存器 单元的重复利用。这两种方式都是通过重复利用有限在板存储器实现大数 据量的数据存储。但是这两种方式为了控制读写逻辑而设计了复杂的硬件 电路，使其价格增加，一般采集板采用容量很有限。 另一种是采用软件实现的存储器重复利用即双缓冲方式，这种方式是 将一段连续的存储空间划分为两部份，分时对这两部份空间进行读写操作。 也就是在第一段空间写完后，才开始写第二段空间，同时读取第一段空间 的数据。在第二段空间完成写之前将第一段空间置为等待写状态。如此反 复，实现数据的采集。这种方式采用软件来实现读写功能。不能保证读写 时间，存在一个问题，即不能保证写之前读已经完成。 本测试系统中测试的模拟量种类多，包括脉冲信号、正弦信号、及其 它曲线信号，需要采集的量时间长短不一，频率大小不同，没有统一标准。 因此需要一种能设置采样深度和采样频率的采集卡，同时系统没实时性要 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 3 页 求，采用存储读取方式。综合以上要求，选择了北京双诺测控技术有限公 司的a c l 8 2 0 波形采集卡，框图如图3 4 示。 r a m a d 转换器 丽，洱 一 雩兰h 辫罢 74 * | | | | 立 驱动电路 耳1 6 a 4 a 9 。 a o a 3i r qi o w i o rd o 、d i s “8 ” i s a , 峨 1 6 路模拟量 输入 图3 - 4 波形采集卡框图 a c l 8 2 0 由模拟输入转换开关，a d 转换器，数据存储r a m ，计时计数器， 逻辑控制电路等部分构成。a d 转换采用1 2 位8 0 0 k h z 模数转换器，输入 1 6 通道自动扫描，通道的起始与结束通道可以程控。同时提供软件触发与 硬件触发二种启动模式。板上8 2 5 3 的通道0 ，提供4 m h z 基准时钟的1 6 位 定时器，用来控制采样周期。8 2 5 3 的通道1 提供采样长度计数的功能。 a c l 8 2 0 采用板上r a m 存储方式，可以脱机采样，适合w i n d o w s 系统的应用。 a c l 8 2 0 板上带1 2 8 k 字r a m ，可以扩充到5 1 2 k 字。逻辑控制电路由c p l d 来实现它主要实现采样控制、通道控制、转换后数据存储控制、数据读 出控制等功能。 性能、指标： 1 6 路单端输入，输入范围一5 v 一+ 5 v ，输入建立时间小于1 微秒 输入通道自动扫描，可以程控从任意通道开始到任意通道结束。输入采 用d b 2 5 ( 孔) 插座。 1 2 位8 0 0 k h za d ( a d s 7 8 1 9 ) ，分辨率1 2 位，系统精度0 1 ，r m s 噪音 小于1 5 l s b ，多通道时每通道的采样速度：b o o k 通道数量。 输入最大耐压1 2 v ，输入阻抗大于1 0 0 m 。 工作方式： 板上自带1 2 8 k 1 6 b i tr a m ，可以扩充到5 1 2 k 字，存储方式 a d 启动方式：软件、外部触发( 上升边沿有效) a d 转换控制：板上1 6 位定时器( 4 m h z 基准) 、外部时钟输入 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 4 页 外部触发电平：t t l 电平 外部时钟输入：t t l 电平 板上时钟：4 m h z 基准，1 6 位分辨率，考虑到a d 转换芯片的转换频率 分频数最小为5 ，对应的实际的最大转换频率