CRH3型动车组牵引传动系统运行状态的模拟

王海洋，周 璇，杨颜凯

(国网冀北电力有限公司 平泉市供电分公司，河北 平泉 067500)

随着改革开放的不断深化，我国铁路网的建设正蓬勃的发展，不仅逐步实现动车组的国产化，而且还向国外出口动车组相关的技术。虽然近十年我国动车组的牵引传动系统的控制技术有了飞跃式的发展，并取得了巨大的进步，但技术仍然不成熟，还需要引进国外更为先进的技术，进一步解决高性能驱动系统中的非线性、参数多变、扰动和噪声等控制问题[1]。如何更好地实现高速动车组牵引传动系统的控制，提高高速动车组运行时的舒适度、安全性与可靠性，对于高速动车组的发展具有重要的现实意义。

1 CRH3型动车组简介

我国CRH系列动车组全部采用分散动力式。CRH3型动车组是由唐山机车车辆公司生产，并以德国ICE3和西班牙AVES103高速动车组为原型。它由8辆编组的动力分散交流传动电力动车组，4动4拖，其中相邻的两辆动车为一个基本动力单元，每个动力单元具有独立的交-直-交牵引传动系统[2]。

CRH3型动车组在不同时刻牵引制动工况所需牵引力，完成机车的牵引或者制动过程。

2 牵引传动系统硬件部分设计

CRH3型动车组采用交-直-交型牵引传动系统，主回路包括整流电路、中间直流环节电路和逆变电路三大部分[3]。本设计主要对牵引传动系统的逆变电路部分进行深入地研究。逆变电路硬件部分采用富士公司生产的6MBP75RA060型号的IPM，控制电路使用TI公司生产的TMS320F2812型号的DSP芯片[4]，作为整个控制系统的控制核心。硬件整体电路包括：供电电源电路、信号采集电路、信号调理电路、驱动隔离电路、SCI通信电路和保护电路[5]。牵引传动系统的模拟系统的硬件整体结构图如图1所示。

供电电源电路：本设计的电路板需要15 V、12 V、5 V、3.3 V和1.8 V电压。采用5 V电压作为供电电源电压，通过外部电源适配器得到5 V电压；通过LM1117-1.8芯片将5V电压转换成1 V电压进行供电；通过LM1117-3.3芯片将5 V电压转换成3.3 V电压进行供电；采用A0512S-1W芯片即可实现5 V电压转换成电流传感器所需要的±12 V电压；用芯片A0515S-1W可以实现5 V电压转换成所需要的±15 V 电压。

信号检测电路和信号调理电路：电流检测电路选用的电流传感器型号为LA-50P；电压检测电路选用的电压传感器型号为CHV-25P/500；采用YS-27型号霍尔传感器模块来测量转速。由于DSP的A/D口的工作电压是3.3 V，按照采集信号电压幅值的70%进行计算，所以需要将信号电压限制在3 V以内，通过两个嵌位二极管来实现采集信号的调理。

IPM驱动隔离电路：用于驱动IPM模块，避免强电信号的干扰。SCI通信电路：SCI电路用来实现上、下位机的通信。

3 牵引传动系统软件部分设计

3.1 软件设计总体方案

CRH3型动车组牵引传动系统框图包括上位机软件部分和下位机软件部分。其中，下位机软件部分包括电压量的采集、电流量采集、转速量采集、控制程序和通信。上位机软件部分包括控制数据采集、数据录入、数据存储、输出波形和数据显示[6]。软件设计的整体框图如图2所示。

3.2 下位机软件设计

下位机软件编程是在CCS软件开发平台，使用C语言进行编写的。下位机软件包括TMS320F2812对电压、电流、转速数据的采集和数据通信，其流程是：首先，系统上电复位后，需要对系统和外设参数等进行初始化设置，对串口进行初始化，串口初始化参数包括：串口号为COM1、波特率为9 600、8位数据位、1位停止位、无奇偶校验位[7]。当TMS320F2812下发不同测量信号后，首先判断测量信号的内容，即判断是测量电压信号、测量电流信号还是测量转速信号，然后进行相应的数据采集。最后将采集的数据发送给上位机，当采集数据发送完成时结束流程。

3.2.1 数据采集模块设计

数据采集模块包括电压量、电流量和转速量三种测量量的采集。采集模块的流程为：首先对DSP系统初始化设置，包括时钟频率、GPIO中断向量等的初始化；然后，进行ADC模块初始化设置，包括采样模式、通道以及启动模式的初始化；读取采集中断指令、采集时间的到来，按照上位机相应的指令要求，对电压量、电流量和转速量采集。若采集没有完成，继续循环采集数据直到检测到采集结束为止。

3.2.2 SCI模块设计

SCI串行通信接口是连接TMS320F2812与计算机的“桥梁”，实现发送数据和接收数据的功能。数据发送过程的流程为：当接收到发送数据的指令时，首先进行SCI寄存器的配置，当SCI接收状态寄存器中的中断标志位TXREADY为1时，开始发送数据，即启动发送模式。当检测到数据发送中止位时，结束发送数据，数据发送过程结束，若没有检测到数据发送中止位，则继续发送数据。

数据接收过程流程：当SCI接收状态寄存器的中断标志位RXREADY是1时，则寄存器就会开始接收数据。如果能接收到数据信号并且接收信号与发送信号的地址匹配时，就开始自动接收数据包。如果数据接收过程还没有完成，那么寄存器将会继续接收发送过来的数据。当数据包接收过程完成以后，会校验接收数据是否正确，若接收的数据不正确，向CPU发出重新接收数据的请求；若接收的数据正确，则将接收到的数据直接存到缓冲寄存器之中，直到接收完所有发送的数据。

3.3 上位机软件设计

LabVIEW提供强大的VISA库，串口通信程序是通过VISA来设计[7]。调用VISA串口设置模块来实现对初始化串口参数设置。初始化过程完成后，对通信模块寄存器进行配置。使用VISA写入模块实现发送数据，使用VISA读取模块实现接收数据[8]。数据接收之前首先需要使用VISA写入模块中的VISA Bytes Serial Port函数来查询当前串口接收缓冲区中的数据字节数，若VISA读取的字节数大于缓冲区中数据字节数，VISA读取模块操作处于持续等待的状态，一直到Timeout或者缓冲区中的数据字节数满足字节要求数，或者通过参数设置来分批读取接受缓冲区或者只从中读取一定字节的数据，使用完成后通过VISA关闭模块将此串口关闭[9]。

4 实验结果及分析

通过调试好的CRH3型动车组的牵引传动系统的模拟系统，模拟CRH3型动车组的牵引逆变器控制电机在牵引启动和制动停止工况下的运行特性，实现在不同运行工况下电压、电流和转速的数值显示的功能及其相对应的电压、电流和转速波形显示的功能。

1)牵引工况。从登录界面登录到系统主显示界面后，系统上电后，完成串口设置。点击“牵引启动”按钮，上位机将向下位机发送“牵引启动”指令，经过一段时间的数据加载，界面中会显示出该运行工况下的电压、电流和转速的数值。

当点击波形显示窗口下的波形显示按钮，会自动弹出该运行工况下的电压、电流和转速的波形图。牵引启动工况下的牵引电机的电压、电流和转速波形图分别如图3、图4和图5所示。

2)制动工况。点击“制动停止”按钮，上位机将向下位机发送“制动停止”指令。经过一段时间的数据加载，显示界面中会显示出电压、电流和转速的数值。

当点击波形显示窗口下的波形显示按钮时，会自动弹出该运行工况下的电压、电流和转速的波形图。制动停止工况的牵引电机的电压、电流和转速波形图分别如图6、图7和图8所示。

由图3～图5可知：“牵引启动”运行工况下，启动电压很大，电压波形呈现近似正弦波的波形；电机启动瞬间的启动电流很大，经过短暂的不平衡状态，最终趋于平稳状态；转速自零时刻开始急剧增加，在较短的时间内达到设定额定转速值。由图6～图8可知：“制动停止”运行工况下，电压呈现近似正弦波的波形变化趋势；电流呈现递减变化趋势，最终呈现平稳状态且稳定值不为零；最终电机转速为零，实现制动停止。从模拟系统的结果来看，该模拟系统基本上实现了对CRH3型高速动车组牵引工况和制动工况的运行特性的模拟，能够直观地观测出这三个量的变化状况及变化规律，获得了一些研究成果。

5 结语

设计了一套CRH3型高速动车组牵引传动系统运行工况的模拟系统，并对系统进行了功能测试。研究了动车组在牵引工况和制动工况的运行特性，并获得相对应状态下的电压、电流及转速的数值及其波形图。测试结果能够很好地模拟CRH3型高速动车组的牵引工况和制动工况的运行状态，能够直观地看出运行特性的波形，具有很好的演示性，为高速动车组在不同运行工况的运行特性的研究提供研究平台。

参考文献：

[1] 冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2] 于丹萍，周盛，江全元.CRH3型动车组牵引传动系统的直接转矩控制研究[J].机电工程，2010，27(10)：63-64.

[3] 宗剑.矿山牵引电机车控制系统的研究[D].上海：上海大学机电工程与自动化学院，2014.

[4] 徐科军.DSP及其电气与自动化工程应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[5] 熊盛艳.CRH5型动车组牵引变流器的研究[D].成都：西南交通大学电气工程学院，2013.

[6] 牛莉洁.基于生产过程的产品质量追溯系统[D].石家庄：石家庄铁道大学电子与电气工程学院，2015.

[7] 陈树学.LabVIEW宝典[M].第5版.北京：电子工业出版社，2012.

[8] 易牧，胡延霖，李宝林.基于LabVIEW与DSP的数据采集系统[J].四川兵工学报，2009，30(10)：139-140.

[9] 于志荣，杨莉.基于NI-VISA与 LabVIEW的USB接口应用设计[J].应用天地学报，2007，67(1)：67-68.