crh3型動車組充電機半實物仿真實驗平臺設計

0基于“實際控制器+虛擬失控對象”半實物仿真平臺，測試需求crh3級動電機通過將440v.60hz交流壓改為110v直流電，并將整個運行的直流負荷電源轉移給電源。在研究和分析充電器主電路的性能時，研究并解決了故障診斷和分析。在創新工作中，我們面臨以下問題：1）充電機的正常工作時內部存在較大的電壓，因此很難測量內部因素。2）一些測試和研究過程中存在一定的風險，這可能會破壞器官的完整性，因此不允許直接在充電機模塊內進行測試。3）在實際情況下，由于某些測試環境的要求無法滿足，因此無法獲得預期的測試結果。例如，在實際工作中，交流電源的供電范圍、部件參數范圍和功率沒有得到滿足試驗要求。將基于“實際控制器+虛擬被控對象”半實物仿真平臺應用于電力電子系統設計，可以實現安全、快捷檢測充電機主電路故障，對故障進行仿真，實現可視化模擬，同時有利于設計綜合性能優良的主電路，有效地減少實時、實地測試研究過程中的復雜性和危險性，大大地節約開發成本，縮短開發周期。本文基于整車充電機內部各個元器件的型號和參數，通過Matlab軟件中的Simulink工具箱建立起CRH3型動車組充電機主電路，保證在主電路仿真運行、故障分析以及故障可視化模擬過程中還原實際故障，通過Matlab軟件中的RTW(real-timewindowstarget)模塊和數據采集卡實現與實際控制器之間的信息實時交互，建立CRH3型動車組充電機半實物仿真系統1正常工作模式下的電源CRH3型動車組由4M(動車)+4T(拖車)組成，在動車組中分別安裝了2個獨立的電池充電機。充電機有3種工作模擬:正常工作模式、外接供電模式、停放整備工作模式。在正常工作模式下充電機接受的供電方式為輔助變流器主輸出回路提供的440V/60Hz交流電;在外接供電模式下充電機接受的供電方式為雙輔助變流器的外接電源接口提供的380V/50Hz交流電;在停放整備工作模式下充電機接受的供電方式為輔助變流器主輸出回路提供的345V/47Hz交流電1.1充電機對蓄電池充電的影響充電機主要由4部分組成，包括:輸入整流模塊、逆變模塊、高頻變壓模塊以及輸出整流模塊。圖1為充電機主回路原理圖。啟動充電機工作，充電機的預充電接觸器、直流風扇接觸器、主風扇接觸器閉合，輸入電壓通過熔斷器、預充電接觸器對功率模塊中的支撐電容進行預充電;在預充電過程中支撐電容上的電壓到達輸入電壓的90%，并且中間直流母線電線電壓到達預設值后，預充電過程結束，然后主接觸器閉合，預充電接觸器斷開，充電機進入正常工作模式。充電機在對蓄電池充電過程中主要有快速充電和微電流充電2種充電階段，即恒流充電和恒壓充電。充電機工作過程中采用強制空氣冷卻法，空氣由裝在充電器箱前面板上的雙氣嘴進氣格柵吸入通過散熱片和安裝板噴射到通氣道內，主風扇冷卻空氣快速擴散。1.2中央控制單元Sibcos-M1300主控制器用于控制充電機內部接觸器和繼電器，使其完成觸發、監控和聯鎖功能，并接受車輛級總線(MVB)的工作狀態和輸入信號來控制充電機的喚醒和靜置過程，同時監測充電機運行過程中的所有工作狀態，并通過車輛級總線(MVB)向中央控制單元(CCU)發送狀態信息。Sibcos-M1300主控制器在充電機運行過程中可以對其發生的過載、短路及其他故障進行監測并觸發相應的保護作用，并將故障狀態及數據流進行儲存，用于診斷與修復。同時將故障代碼及數據流通過車輛級總線(MVB)發送到中央控制單元(CCU)。Sibcos-T2000逆變控制器通過CAN網絡總線與Sibcos-M1300主控制器連接，實現與Sibcos-M1300主控制器之間的數據交換。處理器磁心存儲器和外圍接口通過LCA(邏輯單元數組)進行邏輯連接。借助邏輯單元數組，在軟件系統中搭建邏輯電路。特定功能涵蓋連鎖、鎖閉次數或最小通電次數等。Sibcos-M1300主控制器和Sibcos-T2000逆變模塊控制器采用直流110V外部電源供電，其外圍接口如圖2所示。充電機中主風扇接觸器、直流風扇接觸器、主風扇轉速控制器的直流110V開關量信號通過Sibcos-M1300主控制器中X083插頭進行控制，輸入接觸器和預充接觸器的直流110V開關量信號通過X084插頭進行控制。這5種接觸器的閉合和斷開信號通過其輔助觸點傳輸到主控器的X080、X081插頭上，稱為接觸器反饋信號。主風扇保護開關信號傳輸到主控器的X081插頭上，外接反饋信號、扼流圈R5反饋信號傳輸到主控器的X082插頭上。充電機內部分別測量輸入電壓1(交流)、輸入電壓2(交流)、接地檢測(直流)、中間直流電壓的電壓傳感器，測量得到的模擬量信號通過主控制器上的X251插頭傳送給主控制器，B20溫度傳感器通過X151插頭傳送給主控制器。充電機內部測量蓄電池電流、蓄電池電壓1、蓄電池電壓2、充電機輸出電流的傳感器，測量得到的模擬量信號通過Sibcos-T2000逆變模塊控制器上的T1-X6插頭傳送給逆變模塊控制器，蓄電池溫度信號、T2整流模塊的溫度信號通過T1-X2傳送給逆變模塊控制器。2工業計算機數據采集處理半實物仿真系統的實現控制策略如圖3所示，工業計算機用來對充電機主電路進行仿真計算，工業計算機通過數據采集板卡、信號及接口電路實現與控制器之間的數據信息實時交互，并對數據信息進行存儲和顯示。2.1繼電器信號采集半實物仿真系統采用直流110V電磁繼電器模擬接觸器閉合和斷開，Sibcos-M1300主控制器輸出接觸器閉合信號，通過插頭X083、X084將閉合信號傳送給繼電器并使之閉合，繼電器外供直流110V電源保證繼電器正常工作，通過與數據采集卡配套的晶閘管端子板采集繼電器的常開輔助觸點的實時狀態，從而實現工業計算機對接觸器開關量信號的采集。計算機接收到接觸器閉合信號后，Sibcos-M1300主控制器還需要接收相應接觸器閉合的反饋信號、主風扇保護開關信號、外接反饋信號、扼流圈R5反饋信號以及主風扇轉速反饋信號，用數字量輸出板卡及其配套的繼電器端子板通過插頭X080、X081、X082將主控制器需要的信號傳送給主控制器。2.2半實物仿真系統設計充電機內部8個電壓電流傳感器分別采集不同模塊的電壓、電流信號，將采集到的電流信號分別通過插頭X151和插頭T1-X6傳送給Sibcos-M1300主控制器和Sibcos-T2000逆變控制器模塊。半實物仿真系統中，仿真主電路將仿真運算得到的數據通過模擬量輸出板卡輸出相應的電壓值信號，再通過信號接口電路將接收到的電壓信號采用線性算法轉換為相應的電流信號，然后通過X151、XT1-X6插頭傳送給控制器的模擬量輸入通道，模擬實際充電機內部傳感器對控制器發送的信號。在半實物仿真系統中，仿真主電路的運行需要采集當前SibcosT2000逆變模塊控制器對IGBT的控制信號，基于采集得到IGBT控制信號實時計算出仿真主電路的電壓和電流等參數值，通過高頻二極管搭建調理回路，同時轉換模塊將IGBT的控制信號轉化為數據采集卡能夠識別的電壓信號。模擬傳感器工作中需要保證接口電路電流為線性變化，同時計算機發送的相關電壓值有明確的數值范圍限定，防止模擬電壓值過大損壞控制器。2.3主風機和蓄電池溫度設定溫度傳感器在充電機運行過程中起到了非常重要的作用，充電機運行過程中，控制器Sibcos-M1300基于散熱片和安裝板的實時溫度來控制主風扇實時轉速，同時基于蓄電池溫度傳感器檢測得到的實時溫度調整充電電壓。在半實物仿真系統中，采用數字電位器、單片機及電阻等元器件搭建調理電路，計算機控制調理電路對控制器發送不同的阻值信號從而實現對溫度傳感器的模擬。仿真試驗中基于多種工況設置不同的阻值信號通過T1-X2、X151插頭對控制器提供不同的輸入信號。2.4工業計算機的配置工業計算機上通過Matlab軟件的Simulink工具箱搭建仿真平臺3模擬主電路軟件和控制器監控軟件3.1逆變轉換控制仿真a)半實物仿真系統主電路仿真模型基于Matlab軟件中的Simulink工具箱搭建的充電機仿真主電路模型如圖4所示。仿真主電路中各個元器件參數的設置都是根據實際充電機內各個元件參數進行設定的，以保證搭建的仿真主電路更加接近實際主電路運行工況。預充電工作狀態下，主電路中預充電容的電壓逐漸升高，當Sibcos-M1300主控制器檢測到中間直流母線電壓達到預設值后，閉合主接觸器Q3，再斷開預充電接觸器Q4，系統正常工作。正常工作狀態下，Sibcos-T2000逆變控制器模塊輸出的IGBT控制信號經過模擬量輸入數據采集卡、轉換模塊傳送給仿真系統，仿真系統接收到IGBT控制信號，仿真主電路將其轉換為控制仿真IGBT模塊工作的頻率信號，從而完成控制仿真主電路中電壓逆變轉換，逆變電壓經過高頻變壓、整流后產生110V直流電壓給蓄電池進行充電系統正常工作狀態下，Sibcos-M1300主控制器和Sibcos-T2000逆變控制器模塊實時接收蓄電池電壓、中間直流母線電壓、三相交流輸入電壓、漏流檢測電流等測試信號，在仿真主電路的相應模塊搭建傳感器采集系統運行實時值，將傳感器檢測得到的瞬時值通過PCL-727數據采集卡和信號接口電路傳送給控制器，保證整個系統的正常運行。b)程序生成RTW模塊是基于Simulink的代碼自動生成環境，通過RTW模塊將Simulink搭建的仿真模型轉化為可移植、可視化的代碼，同時基于目標配置自動生成多種工況程序。RTW模塊可以同時支持多種類型的I/O設備，故在搭建仿真實驗平臺過程中，無需重復編寫I/O設備的驅動程序。搭建充電機仿真主電路編譯為C語言代碼，可以提高程序的運行速度，C語言代碼生成過程如下1)RTW模塊讀取充電機仿真主電路的模型文件(*．mdl)，并且對模型文件進行編譯，形成相對應的中間描述文件(*．rtw)。2)運用C語言編輯器(TCL)將形成的中間文件轉換成C語言程序代碼，并且輸出仿真主電路的C語言代碼。3)通過生成的C語言代碼生成程序的聯編文件(*．mk)。4)運行程序的聯編文件可執行文件。轉換成C語言代碼的過程都是由Matlab自動完成的，搭建的仿真模型是基于Matlab的仿真實驗環境得到相應的C語言程序代碼。3.2控制器控制函數充電機工作實際工況下，動車組中央控制單元(CCU)通過網絡會對Sibcos-M1300主控制器發送充電機啟動信號，充電機進入正常工作階段。在對充電機進行單獨測驗過程中，采用編寫功能性測試程序模擬中央控制單元(CCU)發送控制命令，通過MVB總線對Sibcos-M1300主控制器發送控制命令，圖5為充電機功能性測試界面。系統運行過程中，基于監測得到的系統實時運行狀態，編寫充電機運行監測軟件，監測Sibcos-M1300主控制器反饋的各種實時運行數據，充電機Sibcos-M1300主控制器的RS-232接口將數據輸出。圖6為充電機檢測軟件運行界面。4充電機故障分析方法綜上所述，采用Matlab軟件中的RTW模塊、數據采集卡、信號及接口調理電路實現了仿真數據與充電機實際控制器之間實時信息交互，建立了“實際控制器+虛擬被控對象”的充電機半實物仿真平臺。通過該平臺，根據CRH3型動車組充電機故障代碼如預充電接觸器故障、主接觸器故障、中間直流環節電壓故障、輸入電壓故障、蓄電池輸出電流故障、直流接地故障、溫度傳感器故障及主風扇故障等，借助仿真軟件對充電機控