（模式识别与智能系统专业论文）电力机车传动单元分布式智能控制系统的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 电力机车牵引传动控制装置作为电力机车的关键技术设备之一，有着机车 “神经中枢”和“大脑”之称。目前我国电力机车传动控制系统多采用基于传 统p i d 的速度、电流双闭环控制结构，其电流、转速调节器是由以“模拟运算放 大器”为主要元件构成的模拟p i d 调节器。这种模拟式p 1 0 调节器参数固定，控 制结构简单、稳定性较好、易于工程实现。但系统的调节过程过分依赖于控制 对象的模型参数，且其控制算法的系统动态性能和鲁棒性较差。 针对列车运行过程中的多目标、大滞后、非线性等特点，本文首先分析了 交直型电力机车的工作原理与传动系统的控制方法，提出了基于转向架独立控 制的电力机车传动单元分布式控制系统，然后研究了模糊控制和神经网络理论 与算法在电力机车中的应用方法，设计完成“电力机车模糊r b f 神经网络p i d 自 适应调速智能控制算法”，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行了仿真。系统硬 件设计采用分布式控制结构，综合应用3 2 位a r m 7 微处理器、f p g a 和c a n 总线通信 技术，设计开发了“电力机车传动单元分布式智能控制系统”l 、2 号试验样机； 并在嵌入式实时操作系统u c o s - i i 环境下，完成系统控制软件的设计与智能控制 算法的实现。最后，就系统常见故障作了应对处理方案。 “电力机车分布式智能传动控制系统”样机在成都铁路局机务段、成都至 资阳铁路运营线( 段) 实际装车试运考核。试验证明：该系统结构设计合理， 硬件安全可靠，智能控制算法实用、高效，系统控制性能良好。试验过程中， 列车起动快速、平稳，调速调节平滑，动态调节误差小。系统达到了预期的设 计目的。 关键词：电力机车传动单元：模糊神经网络控制；p i d 自适应控制器；分布式 智能控制；实时嵌入式系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t a so n eo ft h ec o r e e q u i p m e n t si nw a i nt r a c t i o nc o n t r o le q u i p m e n t , e l e c t r i c l o c o m o t i v ed r i v i n gi ：o n t r o ls y s t e mi st h o u g h ta s ”n e u r a lc e n t e r a n d ”b r a i n ”i n c u r r e n t , t h ee l e c t r i cl o c o m o t i v ed r i v i n gc o n t r o ls y s t e mo f o u rc o u n t r yc u r r e n t l ya d o p t s t h ed o u b l e l o o dc o n t r o ls t r u c t u r eo fs p e e da n dc u r r e n tb a s e d0 1 3 t r a d i t i o n a lp i d r e g u l a t ec o n t r o l l e r t h ec u r r e n ta n ds p e e dr e g u l a t o rr e a l i z e db ya n a l o gd e v i c es u c ha s o p e r a t ea m p l i f i e r , r e s i s t o ra n dc a p a c i t o r t h i sk i n do fp i dr e g u l a t ec o n t r o l l e r s p a r a m e t e ri sf i x e d t h es y s t e mh a sas i m p l ec o n t r o ls t r u c t u r e ，s t a b i l i t yb e t t e r , a n di s r e a l i z e de a s i l y , b u tt h er e g u l a t ep r o c e s sr e l i e so nc o n t r o lm o d e le x c e s s i v e l y , a n d r o b u s t n e s sa n dt h e s y s t e m a t i cd y n a i n i cp e r f o r m a n c eo fi t sc o n t r o l la l g o r i t h mi s d i s s a t i s f a c t o r y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh y s t e r e s i sa n dt h em u c hg o a l ，n o n l i n e a ri n t r a i no p e r a t i o n , t h i st h e s i sh a sf i r s t l ya n a l i z e dt h ec o n t r o lm e t h o do fd r i v i n gs y s t e m a n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fe l e c t r i cl o c o m o t i v e ，w ed e s i g nad i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e mb a s e do nb o g i eo fe l e c t r i cl o c o m o t i v e ，h a v es t u d i e df u z z yc o n t r o la n dn e u r a l n e t w o r kt h e o r ya n da l g o r i t h m , d e s i g n ”f u z z y + r b f + p i d ”i n t e l l i g e n tc o n t r o l a l g o r i t h mf o re l e c t r i cl o c o m o t i v e ss p e e dr e g u l a t e ，a n dh a v es i m u l a t e di tu n d e rt h e e n v i r o n m e n to fm a t l a b s n m u l i n k ；h a r d w a r ed e s i g na d o p t sd i s t r i b u t e dc o n t r o l s t r u c t u r ea n d3 2a r m 7 m i c r o - p r o c e s s o r , f p g aa n dt h ec a nb u sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , d e s i g na n dd e v e l o p et h ep r o t o t y p en o 1a n dt h e2 “d i s t r i b u t e d i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r i cl o c o m o t i v ed r i v i n gu n i t ”；a n dh a sr e a l i z e dt h e a l g o r i t h mu n d e rt h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t es y s t e m - - u c o s 一 w eh a v eh a de x p e r i m e n t sf o rt h ep r o t o t y p eo f d i s t r i b u t e di n t e l l i g e n td r i v i n g c o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r i cl o c o m o t i v e ”o nt h el i n eb e t w e e nc h e n g d uc i t ya n dt h e c i t yo fz i y a n gs e c t i o n t h ee x p e r i m e n t sp m v e dt h a t ：t h es t r u c t u r eo fs y s t e mi s r e a s o n a b l e ，h a r d w a r ew o r k e ds a f e l ya n dr e l i a b l e ，i n t e l l i g e n c ec o n t r o la l g o r i t h mi s p r a c t i c a l ，e f f i c i e n t l y ，w e l lc o n t r o lp e r f o r m a n c e i nt h ec o u r s eo fe x p e r i m e n t , t h e t r a i ns t a r tf l e e t l ya n ds p e e dr e g u l a t es m o o t h l y , d y n a m i cr e g u l a t i o ne r r o ri sl i t t l e s y s t e mh a sr e a c h e de x p e c t e dd e s i g np u r p o s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 k e yw o r d s ： e l e c t r i cl o c o m o t i v ed r i v i n gu n i t ；f u z z ya n d n e u r a ln e t w o r k c o n t r o l ；a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r ；d i s t r i b u t e di n t e l l i g e n tc o n t r o l ； r e a l - t i m ee m b e d d e do p e r a t es y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 。1 电力机车传动概述 电力机车按传动型式可以分为直直型、交直型、交直交型、交交型电力机 车四类。我国第一、二、三代电力机车采用的交直传动方式，第四代电力机车 采用的交直交传动方式t 1 。 1 8 7 9 年世界第台电力机车和1 8 8 1 年第一台城市电车就尝试了真流供电牵 引方式，但因系统庞大、电能转换为机械能的转换效率低、转换能量小等因素， 未能成为牵引动力的适用模式。直到1 9 5 5 年水银整流器机车的问世，才标志着 牵引动力电传动技术实用化的开始。1 9 5 6 年，美国贝尔实验室( b e l ll a b ) 发明 晶闸管，1 9 5 8 年，美国通用电气公司( g e ) 研制成功第一只工业用普通晶闸管 并商用化，标志着电力电子技术的诞生，电力牵引跨入电力电子时代。1 9 6 5 年， 晶闸管整流器机车问世，电力牵引传动系统发生了根本性的技术变革，全球兴 起单相工频交流电网电气化的高潮口】。2 0 世纪7 0 年代，采用异步交流传动系统 的d e - 2 5 0 0 内燃机车闯世，交流传动在电力牵引领域展现了前所未有的活力。 电力机车的交流传动技术展现出来的良好性能，使得目前在世界范围内高速列 车和大功率机车的牵引传动几乎都采用了交流传动技术p 1 4 】。 我国电力机车交流传动技术的研究起步较晚，交流传动将是我国下一代电 力机车的主要牵引传动形式，交流传动与控制技术是我国目前铁路技术研究的 重点课题。尽管电力机车的交直传动方式必将为交流传动所取代，但目前交直 型电力机车仍是我国铁路运输干线主型机车，在我国铁路运输中充当主角，如 s s 3 ，s s 3 、s s 6 、s s 7 e 、s s 8 、s s 8 等。我国电力机车从交直传动到交流传动的 转换还需要一段较长的时间，交直型电力机车在我国仍具活力。 1 2 电力机车传动控制系统及其发展 我国电力机车控制技术的发展史可追溯到2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初。 作为机车“大脑”和“神经中枢”的电力机车控制技术，我国在这一领域起步 较晚。通过走独立自主研究开发与引进国外先迸技术相结合的技术路线，我国 电力机车传动控制系统从由以“运算放大器”为主的分立元件构成的第一代模 拟控制系统，经以大规模数字、模拟集成电路混合应用的第二代数模混合控制 系统，发展到以计算机技术为主体的第三代微机控制系统，目前已发展到先进 的网络控制系统【5 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 目前我国正在批量生产的电力机车控制系统主要有：模拟电子控制系统及 换代的s m t 模拟电子控制系统；交直传动机车微机控制系统( 引进m i c a s s 系统) ；交流传动机车微机控制( m v b ) 系统( 引进m i c a s s 2 系统) ；列车网 络控制( t c n 的w t b 和m v b 的) 系统r 引进e k e t c n 系统) 。其中，模拟电 子控制系统以s s 3 、s s 4 改、s s 6 b 和s s 7 c 等为代表，微机控制系统以s s 4 b 、 s s 8 、s s 9 、s s 7 d 、s s 7 e 等为代表。网络控制系统以近年新开发的交流传动机 车和动车组为代表，如“先锋”号、“奥星”、“中原之星”、“中华之星”等。网 络控制系统的应用也不断向交直流传动领域渗透，目前已经推广到s s 3 、s s 7 e 等重联机车中。 1 2 1 电力机车传动模拟电子控制系统 我国电力机车第一代控制系统是采用以“运算放大器”为主的分立器件构 成的模拟电子线路设计的，如图1 1 ( a ) 所示。图1 1 ( b ) 是数字集成电路的 出现后，采用数字与模拟混合电路设计的第二代数模混合控制系统。与现代电 子技术相比，这些设计上存在一定的不足，具体反映在【5 】： ( 1 ) 电路主要由电阻、电容、二极管、三极管、第一代运放( f c 3 c 、f 0 0 7 等) 和数字i c 构成。电路板密度低，可靠性差； ( 2 ) 控制功能简单，无特性控制、重联、功率因数补偿等功能： ( 3 ) 控制精度低，系统抗干扰能力低。 ( a ) 第一代产品( b ) 第二代产品 图卜1 韶山交直型电力机车模拟电子控制系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 2 电力机车传动微型计算机控制系统 我国电力机车的微机控制技术1 9 8 7 年开始起步，并于1 9 9 1 年底首次在s s 4 型电力机车上装车运行考核，成为我国第三代电力机车控制技术的核心，如图 l - 2 所示p 】。其特点是沿用了第二代控制系统的柜、插件箱、板三层结构，增 加了司机室诊断显示功能。在系统上采用人机对话级、特性控制级和变流器控 制级三级分层结构。其主要特点可以概括为： ( 1 ) 硬件标准化、通用化程度比较高，不同的特性、参数和控制功能秩序 在软件上区别，硬件可做到通用，因而系统的灵活性高； ( 2 ) 装置的可靠性提高； ( 3 ) 微机系统智能化程度高，其故障诊断、显示功能实时检测系统的主要 部件，便于确认系统状态，查找分析故障原因； ( 4 ) 便于功能的扩展和升级，如与其他部件或系统( 辅助变流器、p l c 、 制动单元、速度分级控制系统) 通过串行通信方式建立联系、交换信 息。 ( a ) s s 3 b 型电力机车微机柜( b ) s s 4 g 电力机车微机柜 图l - 2 韶山系交直传动型电力机车第三代控制系统 1 2 3 电力机车传动控制系统的发展方向 电力机车传动控制装置是电力机车上的核心设备之一，是衡量电力机车性 能的重要指标之一。它涉及电力电子技术、微型计算机控制技术、网络通信技 术、信号采集与处理理论、轮轨间粘着理论和智能控制理论等多方面的知识， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 充分体现了各学科领域知识的相互交叉和渗透。 随着微电子技术的迅猛发展，高性能微处理器、微控制器已经进入g h z 时 代。特别是近几年出现的3 2 位r s i c ( 精简指令集) a r m 7 t d m i 系列微处理器 以其高性能、高可靠性向世人展示了其广阔的应用前景。这些微处理器不仅处 理速度快，而且芯片内部资源都非常丰富，使s o c ( s y s t e m0 1 1c h i p ，片上系统) 设计成为现实，即可以在一颗芯片上完成过去需要一块甚至更多电路插件板所 实现的功能。与此同时，基于微处理器的嵌入式软件设计也因微处理器运行速 度的提高，片内f l a s h 及r a i v l 容量增加发生了革命性的变化。由以往基于汇编 语言的单线程、大循环程序结构，发展为采用高级语言( 如c ，j a v a 等) 编写 的多任务实时嵌入式操作系统。系统软件采用硬件驱动层、操作系统内核层、 应用程序层三层结构，使得系统的软件设计变得更加灵活、稳定、可靠、便于 维护。 3 2 位微处理器在电力机车控制系统中的应用，为复杂的高级智能控制算法 的实现奠定了物质基础，作为当代高速铁路机车发展的三大高科技标志之一的 电力机车微型计算机控制技术将大放异彩【8 】。电力机车控制技术也将由此引发 又一场新的变革。新一代的电力机车传动控制系统将朝着智能化、网络化方向 发展，系统的可靠性、可用性和安全性更好，故障自诊断、显示、报警、存储 等功能更加完善。 1 3 模糊神经网络控制在电力机车传动控制系统中的应用 电力机车传动单元构成复杂、控制参数众多、且系统具有时变、大时滞、 非线性和不确定性特点，同时受列车载荷、速度、线路断面、轨道、天气等诸 多因素的影响，建立电力机车传动控制系统的精确数学模型极其困难。传统的 p i d 控制难以取得良好的控制效果，将先进的智能控制策略和传统p i d 控制相 结合是解决上述问题的一种有效途径【4 】。 模糊控制和神经网络控制作为智能控制中的两个重要方法，近年来发展迅 速，一些优秀的控制算法不断涌现并被工程实践所验证。模糊控制器不要求确 定受控对象的精确数学模型，而根据控制规则组织控制决策表，由控制决策表 决定控制量的大小。但常规模糊控制器过于依赖专家的知识和经验，缺少对控 制网络规则及其完备性的自学习与分析，不利于隶属函数形状的优化1 9 。而人 工神经网络理论的发展，为自学习模糊控制提供了一种新的有效途径【1 “。将模 糊控制、神经网络控制和传统p i d 控制相结合，构造一种既具有模糊控制的灵 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 活性、神经网络控制的自适应、自学习能力，又具有p i d 控制稳态精度高、鲁 棒性好的新型控制策略，并将其应用到电力机车传动单元控制系统中，在理论 上显示出诱人的前景。虽然，我国电力机车传动单元的分布式智能控制技术研 究是近几年才起步，但理论上证明其具有广阔的发展前景，必将是我国电力机 车传动单元控制技术的发展方向。 本文设计的“电力机车传动单元分布式智能控制系统”，采用3 2 位先进微 处理器，构建分布式控制硬件平台，以模糊神经网络智能控制理论为基础，通 过c a n 总线网络通信连接，实现系统中各插件间相互协作、并行协调地完成 电力机车传动单元的智能化控制作业任务。 1 4 本文研究的目标、内容与方法 本文的研究工作是以铁道部成都铁路局科技研究开发计划项目一一“s s 3 型电力机车微机控制柜系统的设计与开发”为背景，以我国广泛使用的韶山3 型交直传动电力机车为研究对象，结合我国目前电力机车控制技术发展的现状， 针对列车运行过程的多目标、大滞后、非线性等复杂特点，综合应用先进的 3 2 位a r m 7 微处理器、高密度低成本f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s ， 现场可编程门阵列) 芯片和先进的c a n 总线通信技术，将模糊r b f 神经网络p i d 自适应智能控制方法应用到电力机车传动控制系统的中，设计新型“电力机车 传动单元分布式智能控制系统”，旨在为交直型电力机车传动单元的控制寻找一 条可供选择的方法和途径，为我国交直型电力机车传动单元的控制技术进行全 面技术改造、升级提供一套新的参考设计样本。 主要研究内容主要分为如下三个方面： l 、分析交直型电力机车的工作原理及其传动控制方法，提出“电力机 车传动单元分布式智能控制系统”结构设计方案； 2 、比较分析传统p i d 控制、模糊控制与神经网络控制的优缺点，对比 根据电力机车传动控制现有实践经验和铁路专家理论成果，总结归 纳出智能优化控制原则及相应的评价指标，研究糊神经网络智能控 制理论在电力机车传动控制中的应用方法；设计完“电力机车模糊 神经网络p i d 自适应调速智能控制算法”，并在 i a t l a b s i m u l i n k 环境下构建进数学仿真模型并仿真； 3 、设计开发“电力机车传动单元分布式智能控制系统”试验样机，完 成系统软件的设计与实现，并实际装车运行考核验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 5 本文的文档结构 全文共分七章，分别介绍如下： 第l 章绪论。首先对电力机车传动系统与控制方法作了简要的概述，简要 回顾了智能控制方法在工程实践上的应用，并对模糊神经网络智能控制方法在 电力机车传动控制系统中应用的可性行进行了分析、讨论，提出本文的研究目 标、内容与方法。最后介绍了本文的结构及相关主要内容。 第2 章电力机车传动单元分布式智能控制系统结构设计。从s s 3 型电力 机车的主电路入手，分析了交直型电力机车的工作原理；结合三段不等分半控 桥相控整流调压原理，分析描述了电力机车调速控制方法，借鉴现有电力机车 传动控制系统的优点，提出基于智能控制方法的“电力机车传动单元分布式智 能控制系统”的结构设计。 第3 章电力机车传动单元分布式智能控制系统的硬件设计。详细分析了电 力机车传动单元分布式控制系统的硬件平台设计方案，按照各个功能插件，系 统的介绍了各插件的硬件设计及实现。最后讨论了系统的电磁兼容性设计相关 内容。 第4 章电力机车传动单元分布式智能控制系统的智能控制算法研究。首先 简要介绍了交直型电力机车速度、电流双闭环结构，回顾了模糊神经网络控制 的基本理论，比较分析传统p i d 控制、模糊控制与神经网络控制的优缺点，对 比根据电力机车传动控制现有实践经验和铁路专家理论成果，总结归纳出智能 优化控制原则及相应的评价指标，研究糊神经网络智能控制理论在电力机车传 动控制中的应用方法；设计完“电力机车模糊神经网络p i d 自适应调速智能控 制算法”，并在d a t a b s i m u l i n k 环境下构建进数学仿真模型并仿真； 第5 章电力机车传动单元分布式智能控制系统的软件设计。简要介绍了实 时嵌入式操作系统u c o s i i 及其在“电力机车传动单元分布式智能控制系统” 中的应用。详细描述了系统的软件构架，双路c a n 总线冗余通信以及电力机 车模糊神经网络p i d 自适应智能调速控制算法的软件实现。就电力机车牵引和 制动两种工况下，对软件实现方法作了详细分析。 第6 章结束语。总结了“电力机车传动单元的分布式智能控制”的实验验 证结果。总结了本系统在设计实现过程中采用的新技术与方法，以资借鉴。同 时，对系统存在的问题与不足，提出了改进设想。展望了电力机车电力传动及 其控制系统的发展方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章电力机车传动单元分布式智能 控制系统的结构设计 2 1 交直型电力机车的工作原理 韶山3 型电力机车是我国电力机车第二代产品，是吸收了第一代韶山1 和 韶山2 型电力机车的成熟经验，并在韶山1 型电力机车改进的基础上，设计试 制而成的大功率客、货运干线电力机车。s s 3 b 电力机车是韶山3 型电力机车 的改进产品，是我国电力机车的第三代产品盯】。 本文以s s 3 ，s s 3 b 型交直型电力机车为研究对象( 韶山3 b 型电力机车外 形如图2 1 所示) ，分析交直型电力机车的工作原理与传动系统的控制方法， 具有广泛的代表性。 图2 一l 韶山3 型电力机车外形图 2 1 1 交直型电力机车的主电路 电力机车的电气线路按其不同作用，可分为主电路、控制电路和辅助电路。 主电路主要满足机车牵引、调速和制动三个基本工况的要求，实现电力机车电 力传动功能。韶山3 b 型电力机车主电路图如图2 2 所示，它具有下列特点f 7 】： 1 主电路基本型式：“交直型传动系统”。 2 调压方式：主牵引变压器低压侧晶闸管不等分三段半控桥式相控调压 方式。一桥为二u 半控大桥，二、三均为二c ，半控小桥，从而前大桥相 24 当于两段桥，后小桥相当于四段桥相控无级调压特性。 3 整流方式：采用双拍全波桥式整流电路，主整流桥采用三段桥式串联 接法，其中二、三小桥是一种叠加式经济桥接法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 4 供电方式：机车牵引工况时，各转向架的牵引电动机为并联状态，分 别由相应的硅整流装置集中供电，即转茼架独立供电方式。 5 电阻制动：机车制动工况时，6 台牵引电动机各自接成他励发电机状态， 励磁电路由6 台电机主极全串联和励磁硅整流装置构成。各电机电枢 分别与对应的制动电阻串联后，按各转向架电机并联与半控大桥构成 电路，从而可实现加馈电阻制动。 6 保护形式：有短路、过流、过载、过电压、接地保护等多种功能装置。 图2 - 2 韶山3 型电力机车的主电路( i 转向架) 交直型电力机车，其能量传递是从接触网2 5 k v 工频单相交流供电，经由主 变压器降压，相控整流调压装置转换为可调节的直( 脉) 流电压，供直( 脉) 图2 3 交直型电力机车的能量传递过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 流牵引电动机实现列车牵引任务。其能量传递与转换过程如图2 3 所示。 韶山3 型电力机车采用不等分三段桥，前后两个转向架独立供电，即一个 转向架有一套主整流器变流系统，给3 台并联的牵引电动机供电。其转向架单 元晶闸管整流调压简化电路原理图如图2 - 4 所示。 d l l2i五：爷一 扣2i la 1。l 砭 d 2 l 簦l 胀孙 ? 麒i 钳 i 五l 卜 主 扣j 、如 奁 l 五。 引 撇 i q ，幢棱 变 一 压 住2r 2 器 “l 十mj iq k x l 一 爷i2气2 嚣 图2 4 韶山3 型电力机车转向架单元晶闸管整流调压简化电路 韶山3 型电力机车同一转向架上的3 台牵引电机在励磁方式上，采用串励 方式。串励直流电机具有牛马特性，即起动转矩大，随着机车速度增加，牵引 力相应地减小，基本上具有恒功特性，但它的最大缺点就是软特性和防空转能 力差，容易超速1 1 2 l 。所以对该型电力机车的传动控制必须充分利用这一特性， 同时必须有效进行防滑防空转保护控制。 2 1 2 电力机车的速度调节原理 为了充分发挥电力机车的功率，实现多拉快跑，司机要根据不同的运行条 件来调节机车的速度。不仅要求能在不同的线路和载荷条件下改变牵引力，而 且还要求在相同的牵引力下得到不同的速度。 电力机车的速度调节，在不同工况其控制方法有所不同，这是由机车牵引 工况与制动工况电机励磁方式改变导致的。在牵引工况，电能经受电弓、主断 路器进入机车主变压器，然后经硅机组整流得到的直流电压驱动直流( 脉流) 电动机运转，达到牵引列车运行的目的。在制动工况，牵引电动机由串励变为 他励方式。电枢绕组与他励绕组分别与各自的相控桥并联。此时，控制的目的 是使机车减速，牵引电动机按发电机方式运行，发出的电能以热能的形式消耗 在制动电阻上，达到减速的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 韶山型交直传动晶闸管相控整流调压电力机车牵引、制动工况主电路简化 如图2 5 所示。 丫 ( a ) 牵引工况( b ) 制动工况 图2 - 5 韶山型晶闸管相控整流电力机车牵引、制动工况主电路示意图 图中符号说明： 仉一硅机组整流输出端电压 厶一电机电流 ，一制动电流 一励磁电流( 牵引时= l ) 【0 一电机端电压 由图2 - 5 可以看出，牵引电机电枢电流l 和牵引电机端电压【0 分别可以用 公式表达为： j 。：丝= 匕 ( 2 1 ) 。r = c 中 ( 2 2 ) 其中：默：主回路的阻抗总和，一般在0 0 1 0 1 q 之间。 m ：电机磁通量 c 与电机结构有关的常数。c = 尝c l ，c 1 = 毪 由于电机磁通量m ，主要取决于电机的励磁电流，( 串励电机牵引时， = 厶) 。，由( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 牵引电机电枢电流可以表述为： ，。：u a - k i i v ( 2 - - 3 ) ” 歇 式中：髟：算法改变后的系数，粗略地可以认为是一个常数 )j1厂、iy)工上 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 电力机车速度特性是指机车运行速度与牵引电动机电枢电流的关系 【v = ，( l ) 】，其计算公式是由牵引电机转速公式和机车速度公式推导得出。 牵引电动机的转速公式： 嘞= 警( 2 - - 4 ) 电力机车速度斌 v = 器+ ( 2 - - 5 ) 上各式中：0 ：牵引电动机的端电压 v ：机车速度； l ：牵引电动机电枢电流 p ：主极对数； ：电枢绕组有效导体数； 口：电枢绕组并联支路数： d ：动轮直径( m ) ； 以：机车齿轮传动比； 嘞：电机转速； 玛：电机绕组电阻值； 由式( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 得出机车速度特性计算公式： v ；丝二生鱼( 2 6 ) c 垂 从机车速度特性公式( 2 - 6 ) 可以看出，实现电力机车速度调节的方法有三种： ( 1 ) 改变牵引电动机回路电阻兄 ( 2 ) 改变牵引电动机的端电压夥。 ( 3 ) 改变磁通量中 由于牵引电机回路电压较高，电流也比较大，附加的调节电阻的损耗会使 牵引电机的效率降低，所以采用这种方法调速并不经济。又因为启动调压电阻 本身是分段的，在调速的过程中势必造成机车牵引力有冲击。因此，在电力机 车上并不使用这种方法调速。常用的方法是改变牵引电动机的端电压u 。和磁 通量m ，实现电力机车的速度调节。 在牵引工况，硅机组整流出来的端电压主要用来克服电机的反电动势即 其牵引电动机电枢端电压，从而达到传递功率的目的。在玑达到最大电压的限 制时，通过减小磁通m ，也即减小励磁电流，( 我们通常称之为磁场削弱) ， 实现电力机车的速度调节。在制动工况，牵引电动机作他励发电机运行，以便 在较大范围调节制动力，方便地控制列车的运行速度。电机制动力矩掰可以表 示为：m = c m l ( 2 7 ) 燃乞= 訾= 警= 半c 2 吲 式中：m ：电机制动力矩 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 e ： 电机反电势，与速度有关，制动时e = c m ：整流输出电压，在未进入最大励磁限制时= 0 由( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 式，可以得到电力机车在牵引和制动工况的速度 调节过程，如图2 - 6 所示。 ( a ) 牵引工况速度调节过程( b ) 制动工况调节过程 图2 - 6 韶山3 型电力机车牵引、制动工况速度调节过程 2 1 3 交直型电力机车相控调压原理 交直型电力机车的移相调压调速就是通过平滑无级地调节晶闸管的触发相 位，来调节晶闸管整流电路的输出电压，从而达到对电力机车进行无级调速的 目的。无级调速可以减少调压过程中的电流冲击，使牵引电动机的力矩变化平 缓，从而减小牵引力冲击与摆动，充分利用机车粘着重量，发挥较大的牵引力 进行平稳操作】。我国韶山系列第三代交直传动型电力机车，多采用单相多段 桥晶闸管整流相控调压方式实现电力机车牵引电动机的端电压调节口】。 韶山3 型电力机车采用单相不等分三段半控桥。前后两个转向架独立供电， 即一个转向架有一套主整流器系统，给3 台并联的牵引电动机供电。单一转向 架不等分三段半控桥晶闸管整流调压简化电路原理图如图2 7 所示。 变压器二次侧绕组由二段a 4 x 4 、g 2 x 2 组成，其中一段a 4 x 4 接成中抽式半控 桥，另一段a 2 x 2 接成一般不共阴极半控整流桥电路，因中抽式绕组可看作两段 绕组吼6 4 、6 4 ，故实际上变压器二次侧绕组是三段不等分绕组，各段绕组的电 压分配比例为l ；1 ：2 。d 1 一见提供直流续流通道。三段不等分半控桥式调压 整流电路的升压顺序控制如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 l 一j衙二 析郅轿 ，厂 厂刽门 图2 7 不等分三段半控桥图2 - 8 不等分三段桥分段调压波形图 说明：强：第1 段桥大桥调压，晶闸管的控制角； 啦：第1 i 段桥晶闸管的控制角； 吗：第1 段桥晶阐管的控制角，( o q 、啦i 钙 石) 第1 段：a 2 x 2 - t 1 t 2d 1 d 2 工作，大桥调压，晶闸管的控制角为优，t 3 t 6 晶闸管封锁，即第1 i 段桥晶闸管的控制角啦和第1 段桥晶闸管的控制角吗均为 耳。负载电流流过r 2 x 2 、t 1 t 2 、d 1 d 2 、p k 、m 、d 3 d 4 。输出电压、电流、变 压器绕组中电流的波形如图2 0 1 1 ( a ) ，整流输出电压的平均值为： u d = 。9 u 。：鼍鳖= 0 ， 啊2 万 i 1u 女( 1 + c 。s 喁) ， o q 万( 2 - 9 ) 吉u 矿o 9 u 。：，啦= o 第1 i 段：维持t l 、t 2 满开放即q1 = o ，a 4 b 4 3 t v 4 v d 3 v d 4 四臂小桥调压， t 5 、t 6 封锁即q3 = 。负载电流流过a 2 x 2 、v t l v t 2 v d v d 2 、p k 、m 、a 4 b 4 、 v t 3 v t 4v d 3 v d 4 。此时输出电压、电流及变压器绕组中电流波形如图2 1 0 。整 流输出电压平均值为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 u ，= i 1u a o + 0 9 u 枷l + 丁e o s z 2 = 昙u 枷， i 1u 。( 5 + c o s 口：) ， 丢u 舷= 7 o 万 ( 2 1 0 ) o r , = 0 第1 i i 段：维持t 1 满开放即o1 = 0 。o2 - - 0 ，b 4 x 4 t 5 t 6d 3 d 4 调压桥调压， 负载电流流过三段变压器绕组和三段半控桥。电压、电流波形如图2 - 8 。此时 整流电压平均值为： 玑= i 3 u a o + o 9 u 。t l + c o s 及, 3 = 丢u 吗= 万 吉u 。( 7 + c o s z 3 ) ，o 数字电路的高频去耦电容应当尽量靠近放置，确保滤波效果 减少设计中差模信号的回路面积： 减少设计中共模信号的回路面积； 增大干扰源与对敏感电路之问的距离。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 3 3 2 信号调理插件板硬件设计 信号调理插件的主要功能是对接触网网压、牵引变压器次边电流、牵引电 机电枢的端电压、电枢电流和励磁电流及制动空气压力等信号进行真有效值转 换、比例变换、滤波处理，使这些信号的变换为o 5 v 以内的电压输出，以符 合特性控制插件进行a d 变换的要求。 对机车l l o v 输入输出逻辑量信号，进行电平变换，将之变换成订l 电平， 同时实现控制电路与机车蓄电池回路间的光电隔离。 3 3 2 1 信号调理插件硬件结构方框图 信号调理插件硬件实现电路框图如图3 1 0 所示： 主变压器次边电流 主变压器原边电压 电动机电枢端电压 电动机电枢电流 电动机励磁电流 1i o v 逻辑输入量 ( 8 路) 11 0 v 逻辑输出量 ( 8 路) 校 比 准例 信 真 变 二 号有 换阶 ( 有 与效信 校 + 值 + 号+ 源 准 转 幅滤 度 波 切换变 换 换 滤 开 )波 关 幅度变换、 整形 光电隔离与电平变换 ( 转换为t 1 l 电平) 芯 标 准 插 座 一 个 图3 - 1 0 信号调理插件硬件结构框图 3 3 2 2 信号调理插件板电路原理分析 如图3 一1 0 所示，信号调理插件的信号来源于电力机车内部各种传感器和电 位器：有的是电压型信号，有的是电流型信号，经过调整以后都变成范围0 5 v 范围以内的电压型信号。选择这些信号的变换比例是一项重要的工作，其原 则有两个：一是最大或最小值留有一定余量，因为a d 转换在极值附近不一定 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 呈线性；二是尽量将信号变换到中间值附近线性度较好区段。根据信号调理插 件板中信号的不同特性，在硬件处理方式上可以分成四类： ( 1 )牵引变压器次边绕组信号的处理 在牵引变压器次边四个牵引绕组上，都装有交流电流互感器，用于检测各 桥网压、次边电流。交流传感器比例3 0 0 0 ：1 a ，传感器次边并有1 0 n 电阻， 实现i 变换。在实际工程设计时，可以预留三个采样电阻的安装位置，方便 电阻的匹配。对于一个转向架，牵引变压器次边绕组电流信号有两路，两路信 号取最大值，如果次边电流大于3 0 0 0 a ，则进行脉冲封锁进行过流、短路保护。 牵引变压器次边绕组电压信号，幅度成固定比例关系，可以通过该信号计算网 压，供网压补偿计算使用。同时，该信号与接触网网压信号相位同步，是晶闸 管脉冲触发的网压同步信号。这两种信号处理的电原理图如图3 1 1 所示。 图3 1 l 牵引变压器次边绕组信号处理的电路原理图( 部分) ( 2 )牵引电机信号的调理 牵引电机信号是指牵引电动机端电压、电枢电流、励磁电流信号。电枢电 流是单极性的，亦即牵引和制动两种工况下，电枢电流方向不变。电枢电压和 励磁电流在牵引和制动两种工况下极性是不同的。电压传感器比例为2 0 0 0 v 8 0 r a h 。电流传感器的比例为1 0 0 0 a ：2 0 0 m h 。选择取样电阻和放大比例，分别调 整到输出5 v ：2 0 0 0 v ；5 v ：1 0 0 0h 。这三种信号的处理电路原理一样，只是元 件参数有所调整，以电压信号处理电路为例示出其实现电原理图，如图3 1 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 图3 一1 2牵引电机信号调理电路原理图( 电机端电压) ( 3 )1 i o v 逻辑输入量的处理“1 机车1 i o v 逻辑输入量处理的电路原理图如图3 - 1 3 所示( 图中为两路信号) 。 信号i o _ r e s e t 可以对所有输入信号进行置位，实现输入通道硬件自检。 i o _ i n p u t e n 为输入信号封锁。 图3 1 31 i o v 逻辑输入量的处理单元电路原理图( 部分，2 路) ( 4 )1i o v 逻辑输出量的处理 机车1 i o v 逻辑输出量主要有：机车司机室控制台指示灯、撒沙，其实现电 路原理图如图3 1 4 所示( 图中为一路信号) 。图中，o p 2 1 完成输出控制1 - r l 电平信号与i o o v 电平信号的光电隔离，而0 p 2 3 实现输出信号的回读，确认 输出电路的执行结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 图3 1 41 l o v 逻辑输入量的处理单元电路原理图 3 3 3 司机室控制插件硬件设计 司机室控制插件主要负责采集并处理机车司机操作控制指令信号，并负责 司机控制台仪表显示、状态指示灯的驱动等，具体功能如下： ( 1 ) 司机机车速度调节控制指令信号的预处理，模数转换与分发； ( 2 ) 机车重联控制信号的调制与解调； ( 3 ) 司机室控制台电机电压、电流，励磁电流显示仪表的机车状态指示灯的 显示驱动； ( 4 ) 司机室控制台各种控制命令( 制动、牵引、向前后、重联、手柄零位、 过八跨等) 1 l o v 逻辑信号的幅度变换、整形及光电隔离。 3 3 3 1 司机室控制插件硬件实现电路框图 司机室控制插件硬件实现电路方框图如图3 一1 5 所示，在该插件中，采用 富士通1 6 位微控制器m b 9 0 f 5 4 3 g 作主控制器，该芯片具有超强抗干扰能力，片 上系统资源丰富，具有两路c a n 总线控制器，同时其片内1 0 位a d c 等外设本插 件的设计提供了不少便利。 图3 1 5司机室控制插件硬件实现电路框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 在司机室控制插件中，其模拟输入信号、i i o v 逻辑信号、状态指示灯的驱 动部分电路与信号调理插件中相关电路处理方式相同，双c a n 、r s 2 3 2 通信电 路与特性控制插件相同，在此不再重复。由于本插件信号种类众多，在p c b 布 局布线时，充分考虑了分区分类的原则。同时就信号输入输出的方向不同，布 线分层也作了区分，以减少信号间的相互干扰。 3 3 3 2电力机车重联信号调制与解调电路 为了提高电力机车的运输能力，满足铁路运量不断增长的需求。采用双机 重联或多机重联方式牵引重载列车。采用先进的重联技术有利于提高运输能力， 减轻司机劳动强度有着显著的意义。在网络化控制机车中，机车的重联 控制，直接由网络通信实现p ”。本插件针对现有机车的重联控制方式。采用数 字化重联控制