基于矩阵开关的牵引控制装置例行功能试验通用测试系统开发

曹金洲 ，易卫华，陈安平

（株洲南车时代电气股份有限公司 制造中心，湖南株洲412001）

牵引控制装置是牵引变流器的核心组成部分，承担着牵引控制和安全运行的重要任务，它的性能直接关系到行车安全。例行功能试验作为牵引控制装置出厂前重要检验工序，对其各项功能进行详细的试验验证，重要性不言而喻。

由于应用场所及客户需求的差异，牵引控制装置衍生出很多不同的型号，形成了多品种、小批量的鲜明特色。由于不同型号间的差异，每个型号通常需要开发一套专用的测试过渡线束，才能实现测试系统与被测牵引控制单元相连。这对于承担着各型牵引控制装置生产测试的制造部门而言存在着诸多缺点：

（1）通用性差。由于测试线束的专用性，设计部门每开发一个新型牵引控制装置就必须开发一套测试过渡线束，不利于新型产品测试程序的开发。

（2）浪费资源。不断开发专用测试过渡线束不仅耗费大量的人力、物力、财力和时间，而且不断侵蚀宝贵的生产空间。

开发一款通用的自动测试系统，避免测试过渡线束的不断开发，同时适应各型牵引控制装置高质量、高效率测试，对于生产测试部门有着重要意义。

1 需求分析

牵引变流器的控制框图如图1。牵引控制装置控制断路器、接触器等动作，接收主电路电压传感器、电流传感器、速度传感器等信号，经控制器运算后输出驱动脉冲至变流模块和逆变模块，同时接收自变流模块和逆变模块的故障信号，以进行必要的保护。

对各型牵引控制装置例行功能试验需求的相同点和不同点进行分析，得出如下结论。

相同点：不同型号牵引控制装置对所需的外接口连接器型号、试验仪器种类及信号类型是一致的。这为测试系统的通用性提供了有利条件。

不同点：不同型号牵引控制装置试验时信号具体接入点的数量和位置经常存在一些差异。这为测试系统的通用性带来了挑战。

如何利用上述相同点，适应不同点，成为通用测试系统方案设计的关键。

图1 牵引变流器的控制框图

2 方案设计

由需求分析可见，如何适应信号接入点的差异成为通用测试系统开发的重中之重。经过各种方案的比较分析，发现在通用测试系统配置矩阵开关（如图2），能够很好地解决信号接入点差异问题。

图2中，矩阵的任意一行或一列内部是相通的，行与列之间通过开关相联系。通过控制开关的通断，即可控制行与列之间连接关系。

利用上述特点，可以按图3进行资源配置。将测试用仪器（如电流源、电阻卡、方波输出卡、数据采集卡、万用表等）依次布置在矩阵的列上，形成仪器列。每个仪器占用的列数由仪器所需的输出或输入端口数量来决定。其余则用作对外接口列。通过控制开关的通断，可将所需仪器列连接至需要使用的对外接口列。同一时间可连接的仪器数量受矩阵行数的限制，需选择适当规模的矩阵开关来满足。

图2 矩阵开关示意图

图3 矩阵开关资源配置示意图

对外接口列与各型牵引控制装置间经通用过渡线束（如图4）连接。通用连接器依据各型牵引控制装置接口连接器种类来确定，测试时可通过计算机程序提醒操作者进行连接器级别的切换。连接器内部各点位何时与何种仪器连接，则由计算机程序来控制。计算机程序依据各型牵引控制装置例行试验大纲来编制。一个计算机程序对应一个型号，实现测试系统的通用。

3 硬件架构

按照上述方案设计开发的牵引控制装置通用测试系统硬件架构如图5。其中各部件主要功能介绍如下：

图4 通用过渡线束示意图

（1）嵌入式PC：NI公司PXI-8108安装于PXI控制机箱，是测试系统的控制中心和人机交互接口。它经以太网口连接至交换机，与矩阵开关和被测牵引控制装置进行以太网通讯。经GPIB接口与供电电源、故障信号模拟电源、电流源进行GPIB通讯。经显示器、鼠标、键盘与编程员或操作员进行人机交互。

图5 测试系统硬件架构

（2）方波输出卡：NI公司PXI-6624安装于PXI控制机箱，产生方波信号，经矩阵开关路由后送至被测牵引控制装置，用于模拟速度传感器信号。

（3）电阻卡：Pickering公司40-297-002安装于PXI控制机箱，是一种可编程可变电阻，经矩阵开关路由后送至被测牵引控制装置，用于模拟温度传感器、压力传感器信号。

（4）数据采集卡：NI公司PXI-6259安装于PXI控制机箱，经矩阵开关路由接收来自牵引控制装置的PWM脉冲，进行数据采集。

（5）万用表卡：NI公司PXI-4065安装于PXI控制机箱，经矩阵开关路由测量来自牵引控制装置的电压信号（如数字量输出等）、电流信号。

（6）电流源：Agilent公司E6634B产生电流源信号，经矩阵开关路由后送至被测牵引控制装置，用于模拟电压传感器、电流传感器信号。

（7）故障信号模拟电源：Agilent公司E3631A产生电压信号，经矩阵开关路由后送至被测牵引控制装置，用于模拟变流模块、逆变模块故障反馈等数字量输入。

（8）矩阵开关：Pickering公司50-550-022，用于控制上述各类信号的路由。

（9）供电电源：Agilent公司N5770A，用于向被测牵引控制装置提供电源和模拟断路器、接触器等数字量输入信号。

开发完成后的牵引控制装置通用测试系统实物图如图6所示。

图6 通用测试系统实物图

4 软件架构

通用测试系统的软件架构如图7所示。系统采用NI LABVIEW软件进行模块化代码开发。它通过安装在操作系统的GPIB驱动、PXI驱动经VISA指令与GPIB仪器、PXI仪器交互。采用NI TESTSTAND软件调用LabVIEW代码构建测试序列。编程员构建上述LabVIEW代码和TESTSTAND序列。操作员运行TESTSTAND序列进行牵引控制装置例行功能试验。

图7 通用测试系统软件架构

开发完成矩阵开关控制界面截图如图8所示。

图8 矩阵开关控制界面示意图

5 结束语

该通用测试系统已成功用于8轴9 600kW电力机车、南非双流制货运机车等车型牵引控制装置例行功能试验，系统运行稳定。它很好地解决了资源路由问题，具有很强的灵活性和扩展性，大大缩短新型号牵引控制装置自动测试开发时间。同时具备良好的人机交互界面，大大简化了人工操作。

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