電力機車半實物仿真系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種電力機車半實物仿真系統(tǒng)，包括：牽引控制單元、用于模擬電力機車傳動系統(tǒng)主電路的半實物仿真器以及用于轉(zhuǎn)換所述牽引控制單元和所述半實物仿真器之間傳輸信號的信號轉(zhuǎn)換單元；所述牽引控制單元與所述信號轉(zhuǎn)換單元連接，所述信號轉(zhuǎn)換單元與所述半實物仿真器連接。本發(fā)明提供的電力機車半實物仿真系統(tǒng)能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中針對傳動系統(tǒng)性能采用的測試方法成本高，不具有實時性的問題，實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)性能的實時測試，降低成本。
【專利說明】電力機車半實物仿真系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電氣技術(shù)，尤其涉及一種電力機車半實物仿真系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGate Bipolar Transistor, IGBT)技術(shù)和脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)技術(shù)在電力機車牽引系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，電力機車傳動系統(tǒng)的復(fù)雜程度大幅度提高，其動態(tài)性能取決于變流器的功率模塊、實時控制軟件、分布式計算以及控制器間通信速率，因此對于電力機車傳動系統(tǒng)的模擬、研究和綜合實驗越發(fā)重要。
[0003]為了研究電力機車傳動系統(tǒng)的性能，通常搭建地面聯(lián)調(diào)試驗研究平臺，以進行詳細(xì)的功能試驗和性能測試，但由于電力機車傳動系統(tǒng)中的電壓較高，電流較大，并且在測試的過程中會出現(xiàn)燒毀器件的現(xiàn)象，導(dǎo)致測試的過程較危險，也耗費了較高的成本。對于傳動系統(tǒng)主要控制原理及算法的研究通常采用非實時仿真軟件搭建電路模型，進行離線仿真，但是離線仿真不具有實時性，無法滿足對電力機車傳動系統(tǒng)動態(tài)性能研究的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種電力機車半實物仿真系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中針對傳動系統(tǒng)性能采用的測試方法成本高，不具有實時性的問題，實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)性能的實時測試并降低成本。
[0005]本發(fā)明實施例提供一種電力機車半實物仿真系統(tǒng)，包括:牽引控制單元、用于模擬電力機車傳動系統(tǒng)主電路的半實物仿真器以及用于轉(zhuǎn)換所述牽引控制單元和所述半實物仿真器之間傳輸信號的信號轉(zhuǎn)換單元；
[0006]所述牽引控制單元與所述信號轉(zhuǎn)換單元連接，所述信號轉(zhuǎn)換單元與所述半實物仿真器連接。
[0007]本發(fā)明實施例的技術(shù)方案通過采用半實物仿真器模擬電力機車傳動系統(tǒng)主電路，且采用信號轉(zhuǎn)換單元分別與半實物仿真器和牽引控制單元連接，用于轉(zhuǎn)換半實物仿真器和牽引控制單元之間的傳輸信號，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中針對傳動系統(tǒng)性能采用的測試方法成本高，不具有實時性的問題，實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)性能的實時測試，降低成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明實施例提供的電力機車半實物仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009]圖2為本發(fā)明實施例提供的電力機車半實物仿真系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換單元中模擬信號調(diào)理板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖3為本發(fā)明實施例提供的電力機車半實物仿真系統(tǒng)的部分電路模型的仿真流程圖。【具體實施方式】
[0011]圖1為本發(fā)明實施例提供的電力機車半實物仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明實施例提供的電力機車半實物仿真系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換單元中模擬信號調(diào)理板的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為本發(fā)明實施例提供的電力機車半實物仿真系統(tǒng)的部分電路模型的仿真流程圖。如圖1-3所示，電力機車半實物仿真系統(tǒng)包括牽引控制單元1、用于模擬電力機車傳動系統(tǒng)主電路的半實物仿真器2以及用于轉(zhuǎn)換牽引控制單元I和半實物仿真器2之間傳輸信號的信號轉(zhuǎn)換單元3。
[0012]其中，牽引控制單元i與信號轉(zhuǎn)換單元3連接，信號轉(zhuǎn)換單元3與半實物仿真器2連接。
[0013]牽引控制單元I采用真實的電力機車牽引控制單元，包括中央處理器(CentralProcessing Unit, CPU)、電源模塊、數(shù)字量輸出模塊11、數(shù)字量輸入模塊12、速度信號輸入模塊13、脈沖輸出與反饋模塊14及模擬量輸入模塊15等，其中，CPU發(fā)出控制指令，通過數(shù)字量輸出模塊11輸出數(shù)字量信號，指示外部設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的操作，例如控制接觸器吸合，然后通過數(shù)字量輸入模塊12獲取到接觸器動作的數(shù)字量反饋信號以判斷接觸器吸合狀態(tài)是否正常。具體可以為:(PU發(fā)出合主斷路接觸器指令，通過數(shù)字量輸出模塊11輸出數(shù)字量信號，指示主斷路接觸器吸合，再將主斷路接觸器的吸合狀態(tài)通過數(shù)字量模塊12傳送給CPU,以判定主斷路接觸器工作是否正常。速度信號輸入模塊13與檢測電機轉(zhuǎn)速的速度傳感器連接，將獲取到的電機轉(zhuǎn)速信號傳送給CPU，以使CPU根據(jù)電機轉(zhuǎn)速對逆變器的控制進行調(diào)整。脈沖輸出與反饋模塊14用于將CPU產(chǎn)生的脈沖信號傳送給外部設(shè)備并接收外部設(shè)備反饋的脈沖信號，例如當(dāng)司機通過操作臺發(fā)出牽引指令時，CPU通過網(wǎng)絡(luò)接收到該牽引指令后，控制牽引系統(tǒng)輸入端的主斷路接觸器閉合，使得牽引系統(tǒng)接入交流電，然后牽引控制單元I向牽引系統(tǒng)中的整流器和逆變器發(fā)送驅(qū)動脈沖信號，使得輸入交流電經(jīng)整流和逆變后轉(zhuǎn)換為三相驅(qū)動交流電提供給驅(qū)動電機。模擬量輸入模塊15可獲取外部傳感器設(shè)備輸入的模擬量信號，并傳送給CPU用于分析和計算，整流器和逆變器運行過程中的電壓或電流信號就通過模擬量輸入模塊15返回至牽引控制單元1，以使CPU對逆變器的狀態(tài)進行判斷和調(diào)整。例如，用于檢測電網(wǎng)電壓的電壓傳感器將檢測到的電網(wǎng)電壓信號經(jīng)模擬量輸入模塊15傳送給CPU，以使CPU根據(jù)電網(wǎng)電壓的狀態(tài)控制電力機車的運行。
[0014]半實物仿真器2用于模擬電力機車傳動系統(tǒng)的主電路，接收牽引控制單元I發(fā)出的控制信號，并將主電路的模擬運行信號發(fā)送給牽引控制單元I。電力機車傳動系統(tǒng)的主電路包括電力機車的弓網(wǎng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)，其中弓網(wǎng)系統(tǒng)包括接觸網(wǎng)、受電弓、主斷路器和牽引變壓器，轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)包括四象限整流器、中間回路、牽引逆變器、牽引電機及負(fù)載?；贛atlab仿真軟件分別搭建弓網(wǎng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的模型，包括四象限整流器電路模型、支撐電容器模型、二次濾波電路模型、過壓抑制單元模型、牽引逆變器電路模型、牽引電機模型以及負(fù)載模型等，并通過半實物仿真器2相應(yīng)的下載軟件下載至半實物仿真器2中。
[0015]由于牽引控制單元I中各輸入輸出模塊的工作電壓較高，而半實物仿真器2中各電路板的工作電壓較低，二者不能直接進行信號傳輸，因此可采用信號轉(zhuǎn)換單元3用于轉(zhuǎn)換牽引控制單元I和半實物仿真器2之間的傳輸信號，將牽引控制單元I輸出的信號進行轉(zhuǎn)換后傳送給半實物仿真器2，將半實物仿真器2輸出的信號進行轉(zhuǎn)換后傳送給牽引控制單元I。[0016]電力機車半實物仿真系統(tǒng)的工作過程為:PC機通過RS485通信模擬司機操作臺的牽引指令給牽引控制單元1，牽引控制單元I經(jīng)判斷后，一方面發(fā)出斷路器閉合信號通過信號轉(zhuǎn)換單元3轉(zhuǎn)換后傳送給半實物仿真器2，使得牽引系統(tǒng)主電路模型中輸入端的斷路器閉合，然后在接收到半實物仿真器2反饋的斷路器已閉合信號后，輸出驅(qū)動脈沖信號給牽引系統(tǒng)中的四象限整流器模型和牽引逆變器電路模型，將輸入交流電壓經(jīng)整流和逆變后轉(zhuǎn)換成電壓幅值和頻率可調(diào)的三相交流電提供給牽引電機模型。半實物仿真器2將四象限整流器模型和牽引逆變器電路模型運行過程中的運行狀態(tài)及輸入輸出電壓或電流值輸出，并經(jīng)信號轉(zhuǎn)換單元3轉(zhuǎn)換后反饋給牽引控制單元I。半實物仿真器2可模擬牽引電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定子電流，通過信號轉(zhuǎn)換單元3轉(zhuǎn)換后傳送給牽引控制單元1，以使?fàn)恳刂茊卧狪調(diào)整輸出脈沖信號的占空比調(diào)節(jié)牽引電機模型的輸出功率。
[0017]本實施例的技術(shù)方案通過采用半實物仿真器模擬電力機車傳動系統(tǒng)主電路，且采用信號轉(zhuǎn)換單元分別與半實物仿真器和牽引控制單元連接，用于轉(zhuǎn)換半實物仿真器和牽引控制單元之間的傳輸信號，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中針對傳動系統(tǒng)性能采用的測試方法成本高，不具有實時性的問題，實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)性能的實時測試，降低成本。
[0018]優(yōu)選的，在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，半實物仿真器2可包括:數(shù)字輸入輸出板21、數(shù)字波形輸出板22、電機控制板23、高速總線電纜24和主處理器25。其中，數(shù)字輸入輸出板21用于模擬數(shù)字量信號輸出以及接收數(shù)字量信號，數(shù)字波形輸出板22用于模擬速度傳感器的脈沖信號，可模擬牽引電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，電機控制板23可模擬電網(wǎng)電壓信號、四象限整流器模型的輸入信號和輸出信號、三相逆變器電路模型的輸入信號和輸出信號、斬波電路模型的輸出信號以及牽引電機模型的定子電流信號。數(shù)字輸入輸出板21、數(shù)字波形輸出板22和電機控制板23通過高速總線電纜24與主處理器25連接以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。上述技術(shù)方案可采用主處理器板DS1005、數(shù)字輸入輸出板DS4003、數(shù)字波形輸出板DS5101、電機控制板DS5203設(shè)置成機箱式結(jié)構(gòu)，搭建一個四象限整流器和一個三相電壓型逆變器的電路模型，優(yōu)選的，可以將四象限整流器模型、三相電壓型逆變器的電路模型以及三相交流異步電機模型加載到電機控制板(DS5203)中，其運算速度最高可達(dá)10ns，將其他電路模型加載到主處理器板DS1005，運算速度為微秒級，能夠提高半實物仿真器的運算速率，提高測試過程的實時性。
[0019]信號轉(zhuǎn)換單元3可以包括:用于轉(zhuǎn)換牽引控制單元I輸出數(shù)字量信號的數(shù)字量輸入板31、用于轉(zhuǎn)換半實物仿真器2輸出數(shù)字量信號的第一數(shù)字量輸出板32、用于轉(zhuǎn)換半實物仿真器2輸出脈沖反饋信號及速度信號的第二數(shù)字量輸出板33、用于轉(zhuǎn)換牽引控制單元I輸出脈沖信號的脈沖信號輸入板34、以及用于轉(zhuǎn)換半實物仿真器2輸出模擬量信號的模擬信號調(diào)理板35。
[0020]其中，數(shù)字量輸入板31分別與半實物仿真器2中的數(shù)字輸入輸出板21和牽引控制單元I中的數(shù)字量輸出模塊11連接，第一數(shù)字量輸出板32分別與半實物仿真器2中的數(shù)字輸入輸出板21和牽引控制單元I中的數(shù)字量輸入模塊12連接，第二數(shù)字量輸出板33分別與半實物仿真器2中的數(shù)字輸入輸出板21和牽引控制單元I中的脈沖輸出與反饋模塊14連接，且與半實物仿真器2中的數(shù)字波形輸出板22和牽引控制單元I中的速度信號輸入模塊13連接，脈沖信號輸入板34分別與半實物仿真器2中的電機控制板23和牽引控制單元I中的脈沖輸出與反饋模塊14連接，模擬信號調(diào)理板35分別與半實物仿真器2中的電機控制板23和牽引控制單元I中的模擬量輸入模塊15連接。
[0021]模擬信號調(diào)理板35包括:用于轉(zhuǎn)換電機控制板23輸出電網(wǎng)電壓信號的網(wǎng)壓模擬板351、用于轉(zhuǎn)換電機控制板23輸出四象限整流器輸入信號的四象限輸入電流模擬板352、用于轉(zhuǎn)換電機控制板23輸出四象限整流器輸出信號的中間電壓模擬板353、用于轉(zhuǎn)換電機控制板23輸出斬波電流信號的斬波電流模擬板354、用于轉(zhuǎn)換電機控制板23輸出定子電流信號的電機電流模擬板355。
[0022]上述技術(shù)方案提供的電力機車半實物仿真系統(tǒng)的工作過程為:PC機模擬司機操作臺的牽引指令，并通過RS485通信方式將該牽引指令傳送給牽引控制單元I中的CPU。牽引控制單元I中的CPU經(jīng)過判斷后，一方面經(jīng)數(shù)字量輸出模塊11發(fā)出斷路器閉合的數(shù)字量輸出信號，通過信號轉(zhuǎn)換單元3中的數(shù)字量輸入板31轉(zhuǎn)換后傳送給半實物仿真器2中的數(shù)字輸入輸出板21，使得牽引系統(tǒng)主電路模型中輸入端的斷路器閉合，另一方面在接收到半實物仿真器2中數(shù)字輸入輸出板21反饋的斷路器已閉合信號后，通過脈沖輸出與反饋模塊14輸出驅(qū)動脈沖信號，經(jīng)脈沖信號輸入板34轉(zhuǎn)換后,傳送電機控制板23,將四路PWM信號加在四象限整流器模型中，待四象限整流器正常工作后，再將六路PWM信號加載在三相電壓型逆變器和三相交流異步電機模型中，以使?fàn)恳到y(tǒng)中的四象限整流器模型和三相電壓型逆變器電路模型將輸入交流電壓經(jīng)整流和逆變后轉(zhuǎn)換成電壓幅值和頻率可調(diào)的三相交流電提供給三相交流異步電機模型，經(jīng)電機轉(zhuǎn)矩公式及運動方程運算后，將運算結(jié)果返回四象限整流器模型、三相電壓型逆變器和三相交流異步電機模型形成反饋閉環(huán)控制。電機控制板23模擬四象限整流器模型和牽引逆變器電路模型運行過程中的工作狀態(tài)，并通過數(shù)字輸入輸出板21發(fā)出脈沖反饋信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換單元3中的第二數(shù)字量輸出板33轉(zhuǎn)換后，傳送給牽引控制單元I中的脈沖輸出與反饋模塊14，以使?fàn)恳刂茊卧狪中的CPU判斷發(fā)送給四象限整流器模型或三相電壓型逆變器電路模型中IGBT的脈沖是否發(fā)生錯誤，若判斷出有錯誤發(fā)生，則停止發(fā)送驅(qū)動脈沖信號。數(shù)字波形輸出板22模擬牽引電機的轉(zhuǎn)速，輸出正交編碼的速度信號，經(jīng)第二數(shù)字量輸出板33轉(zhuǎn)換后，傳送到牽引控制單元I中的速度信號輸入模塊13。電機控制板23還可以模擬四象限整流器模型和牽引逆變器電路模型的輸入輸出電壓或電流、牽引電機的定子電流以及斬波電流信號。模擬信號調(diào)理板35中的網(wǎng)壓模擬板351、四象限輸入電流模擬板352、中間電壓模擬板353、斬波電流模擬板354和電機電流模擬板355分別對電機控制板23輸出的電網(wǎng)電壓信號、四象限整流器輸入信號、四象限整流器輸出信號、斬波電流信號和定子電流信號進行轉(zhuǎn)換，并傳送給牽引控制單元I中的模擬量輸入模塊15，以使?fàn)恳刂茊卧狪通過調(diào)整輸出脈沖信號的占空比來調(diào)節(jié)牽引電機模型的輸出功率以及牽引電機模型的轉(zhuǎn)速。
[0023]本實施例的技術(shù)方案通過采用半實物仿真器模擬電力機車傳動系統(tǒng)主電路，且采用信號轉(zhuǎn)換單元分別與半實物仿真器和牽引控制單元連接，用于轉(zhuǎn)換半實物仿真器和牽引控制單元之間的傳輸信號，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中針對傳動系統(tǒng)性能采用的測試方法成本高，不具有實時性的問題，實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)性能的實時測試，降低成本。
[0024]最后應(yīng)說明的是:以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種電力機車半實物仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括:牽引控制單元、用于模擬電力機車傳動系統(tǒng)主電路的半實物仿真器以及用于轉(zhuǎn)換所述牽引控制單元和所述半實物仿真器之間傳輸信號的信號轉(zhuǎn)換單元； 所述牽引控制單元與所述信號轉(zhuǎn)換單元連接，所述信號轉(zhuǎn)換單元與所述半實物仿真器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力機車半實物仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述信號轉(zhuǎn)換單元包括:用于轉(zhuǎn)換所述牽引控制單元輸出的數(shù)字量信號的數(shù)字量輸入板、用于轉(zhuǎn)換所述半實物仿真器輸出的數(shù)字量信號的第一數(shù)字量輸出板、用于轉(zhuǎn)換所述半實物仿真器輸出的脈沖反饋信號及速度信號的第二數(shù)字量輸出板、用于轉(zhuǎn)換所述牽引控制單元輸出的脈沖信號的脈沖信號輸入板、以及用于轉(zhuǎn)換所述半實物仿真器輸出的模擬量信號的模擬信號調(diào)理板； 所述數(shù)字量輸入板分別與所述半實物仿真器中的數(shù)字輸入輸出板和所述牽引控制單元中的數(shù)字量輸出模塊連接； 所述第一數(shù)字量輸出板分別與所述半實物仿真器中的數(shù)字輸入輸出板和所述牽引控制單元中的數(shù)字量輸入模塊連接； 所述第二數(shù)字量輸出板分別與所述半實物仿真器中的數(shù)字輸入輸出板和所述牽引控制單元中的脈沖輸出與反饋模塊連接，且與所述半實物仿真器中的數(shù)字波形輸出板和所述牽引控制單元中的速度信號輸入模塊連接； 所述脈沖信號輸入板分別與所述半實物仿真器中的電機控制板和所述牽引控制單元中的脈沖輸出與反饋模塊連接； 所述模擬信號調(diào)理板分別與所述半實物仿真器中的電機控制板和所述牽引控制單元中的模擬量輸入模塊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力機車半實物仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬信號調(diào)理板包括:用于轉(zhuǎn)換所述電機控制板輸出的電網(wǎng)電壓信號的網(wǎng)壓模擬板、用于轉(zhuǎn)換所述電機控制板輸出的四象限整流器輸入信號的四象限輸入電流模擬板、用于轉(zhuǎn)換所述電機控制板輸出的四象限整流器輸出信號的中間電壓模擬板、用于轉(zhuǎn)換所述電機控制板輸出的斬波電流信號的斬波電流模擬板、用于轉(zhuǎn)換所述電機控制板輸出的定子電流信號的電機電流模擬板。
【文檔編號】G05B17/02GK103885340SQ201210559546
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月20日
【發(fā)明者】李婷婷, 徐從謙, 叢培城 申請人:中國北車股份有限公司