高速悬浮列车车载控制器综合试验台研制

苗 欣，闫德顺，元臣，李广振，贾召会

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266100;2.北京航天测控技术有限公司，北京 100041)

0 引言

高速磁浮列车作为一种新型尖端轨道交通工具，具有速度高、噪音小、能耗低、清洁环保等优点[1]，包括我国在内的众多国家都在研究其关键技术，而列车运行控制系统在整个高速磁浮系统中起着列车进行自动控制及安全防护的核心作用，是保证列车运行安全的核心装备[2]。其中车载控制器作为列车运行控制系统的核心设备，起着控制指令驱动放大、逻辑运算并收集列车状态信息的关键作用[3]，所以研制一套车载控制器综合试验台显得尤为重要。

针对新一代高速磁浮列车车载控制器研制、生产、试验期间的测试以及故障诊断需求的需求，研发一套综合试验平台，为车载控制器功能性能验证提供基础数据和验证平台，通过模拟各种故障以及异常工作状况，验证控制系统对故障的处理能力，也可作为车载控制器的出厂检测与检修维护的平台。

传统车载控制器的测试为手动方式，测试效率低、测试准确率低、可重复性差、测试数据不方便管理。本文针对车载控制器的功能特点，基于自动测试关键技术，研制开放式可裁剪、可灵活应用的车载控制器综合试验台[4]。

1 测试需求分析

车载控制器由8个驱动器和10个与逻辑运算单元组成。在整个运行控制系统中位于车载计算机和悬浮/导向/制动控制器之间，起到控制指令驱动放大及列车状态收集的作用。针对车载控制器的测试需求，构建车载控制器功能与性能验证平台，实现对控制器正常、异常工作状况的模拟，验证控制器功能、性能指标以及故障处理能力，满足车载控制器研制、出厂测试和检修维护测试需求，详细测试需求如下：

1)电气接口测试，主要是车载控制器的接口。通过对车载控制器上施加不同的输入指令，测量其输出端口的电压值，以测试车载控制器的功能；

2)控制器维持工作区域能力，主要是最大、最小输入电压的测试以及故障工况下的测试。通过对车载控制器上施加设计的最大、最小电压以及故障工况(短路、断路等)下的电压测量其输出端口的电压值，以测试车载控制器的输出是否满足设计要求；

3)具备与悬浮/导向/制动控制器、电磁铁互联开展悬浮导向控制系统的系统级测试；

4)综合试验台需对车载控制的18个BLOCK的所有排列组合进行测试，据统计，测试项点多达2万多，传统测试需一周左右，测试不够充分，不能完全暴露问题，所以要求综合试验台的测试速度要在一天内完成测试。

对车载控制器测试需求进行分析梳理后，车载控制器测试项汇总如表1所示。

表1 车载控制器测试项分析表

2 系统结构及原理

针对车载控制器测试与诊断需求，基于通用化、模块化、标准化设计思想，采用PXI、LXI混合总线以及自动测试程序集技术等成熟的测试技术与测试框架，构建车载控制器综合试验台。该试验台具有良好的扩展性与操作性，能够完成对车载控制器的电气接口、极限工作能力、设备功能及性能指标的测试与验证，确保满足实际使用要求。整个试验台由车载控制器试验台控制柜和安装台组成。

图1 车载控制器综合试验台组成框图

其中，车载控制器试验台控制柜以PXI模块化仪器为测试核心，所有独立的仪器设备均采用基于以太网的控制方式，通过柜内交换机与PXI零槽控制系统互连。其中GPIB模块、CAN总线通信模块、数字万用表模块和矩阵开关模块选用PXI板卡，程控直流电源、电子负载等选用标准上架台式仪器。加电控制组合组合主要实现系统的供配电以及功能逻辑连锁，资源分配互联单元完成资源分配、与车载控制器的机械和电气连接的功能。整个控制柜主要提供所需的程控电源、信号采集分析、负载模拟、信号对接等功能，实现对车载控制器的自动测试；试验安装台实现与车载控制器的机械与电气接口对接。

3 硬件设计

3.1 电气功能设计

试验台控制柜电气功能设计主要包括机柜内供电单元、安全配电单元、连锁控制电源和资源分配单元设计。电气设计的重难点在于资源分配单元的设计，其中包含了万用表、程控直流电源、程控电子负载、I/O模块、CAN通信模块和矩阵开关等仪器资源互联及资源分配设计。

表2 车载控制器电气功能设计

3.2 PXI仪器组合

本试验台主要采用PXI总线形式实现系统仪器资源的控制调度。PXI总线是比较成熟的总线形式，国内市场占有率比较高，由于PXI总线与以往的GPIB、VXI总线结构相比，传输速率更高，价格较低，更容易满足测试仪器小型化，高维护性的需求，且更加适合于试验、测量与高速数据采集等场合[5]；同时，多重的PXI模块选择，搭配不同机箱，使得PXI可以符合各种应用需求，并且易于维护，所以本试验台采用了PXI总线结构。本系统选用的PXI仪器组合如表3所示。

表3 PXI仪器组合型号列表

3.3 加电控制组合设计

加电控制组合主要实现功能包括：系统供配电、电气保护、电压电流显示以及+24 V、+15 V二次电源的转换、车载控制器加电连锁等功能。电源供电及分配示意图如图2所示。

图2 试验台系统组成框图

系统加电控制组合主要完成对整个试验台系统的加电、断电控制、电压状态监测，并能够实现紧急状态下的快速断电。控制方式采用手动的方式，具有过压、过流保护功能。

当测试过程中出现异常、需要紧急断电时，拍击机柜上方前面板上的急停按钮，可以快速切断供电电源。

车载控制器加电安全联锁电路实现车载控制器安装接触好后，程控直流电源和程控电子负载才能得电，防止试验过程中车载控制的带电插拔，损坏设备。

系统加电控制组合充分考虑了人-机工程学，便于操作，显示醒目，所选功能满足系统的使用要求。

外部输入的220 V交流电源经过配电箱内的滤波、整流、稳压、空气开关、漏电保护等器件，最终分为多路电源输送至控制柜内的测量仪器。PXI机箱的开关可通过远程控制接口引至加电控制组合前面板，实现PXI控制系统的独立上电，方便系统故障时的排查。

3.4 资源分配互联单元

资源分配互联单元是整个试验台设计核心，主要思路是系统激励和测量资源分开，分别挂接到矩阵开关上，从而在不同负载工况下，利用试验台配置的多通道程控电源模拟控制器的各种输入组合，实现控制器多达两万项的全面试验及测试。另外，在两个矩阵模块之间将关键信号互联，还可以实现系统的自检设计。

资源分配互联单元完成资源转接、信号互联，实现与车载控制器电气和机械接口连接。左右两侧相应位置各布置一个接近开关，一是用来判断车载控制器是否与试验台接触可靠，二是实现控制器供电功能电气互锁，也就是在只有在接触可靠的情况下才能实现对控制器的供电。

4 软件设计

车载控制器试验台基于虚拟仪器思想设计综合测试软件系统。操作系统采用Windows7系统，数据库管理系统采用SQLite软件，开发环境采用Visual Studio 2010，由于硬件模块都带有符合VISA标准的驱动程序，大大提高了系统开发效率。软件采用了模块化和开放化的设计思想，便于维护和扩充。

软件系统主要由系统自检模块、系统级测试模块、车载控制器独立测试模块、用户管理和数据管理模块等组成。其中独立测试模块又分为输出信号检测、功能测试、诊断信号测试。软件功能如图3所示。

图3 软件功能框图

系统软件实现的主要功能为：

1)对门电路功能、驱动器功能和诊断功能进行顺序检测；

2)对门电路和驱动器输出电压进行检测；

3)对诊断信号进行检测；

4)对每个检测步骤的所有的设置值(电压值，输出负载等)、测量值、诊断数据、功能故障、诊断故障进行文件记录；

5)具有在中央控制单元统一控制下，与MRE试验台和电磁铁试验台进行系统级测试功能；

6)可设置不同的权限，供研究、功能测试、检修维护等不同模式下的应用；

7)具有自检功能，检测试验台各部件能否正常工作并可诊断出故障部件。

功能检测包括18个带有不同的输入信号和输出信号的功能块。所有18个功能块都用一个标准检测以及一个最小值/最大值检测来进行检测。

标准检测：对于单个逻辑连接元件的功能，只用2个不同的输入电压(3 V，22 V)针对2个不同的负载电流(用于门电路的0 mA和60 mA； 用于驱动器的0 mA和120 mA)以及1个25 V的电源电压进行检测。对所有可能的组合进行检测。

最小值/最大值检测： 对于单个逻辑连接元件的功能，用4个不同的输入电压(0 V，6 V，21 V，30 V)针对3个不同的负载电流(用于门电路的0 mA、40 mA和100 mA；用于驱动器的0 mA、40 mA和130 mA)以及2个不同的电源电压进行检测。对所有可能的组合进行检测。

表4 车载控制器功能检测TP测试项数目表

表4中的每个测试小项的测试流程基本相同，基本测试流程如图4所示。

5 结构设计

控制柜采用800 mm×800 mm×2100 mm(深×宽×高)标准控制机柜，内置42U标准上架安装立梁结构，所有设备均采用上架安装方式，便于更换和维护。内部布局从下往上依次是电子负载、程控电源、PXI机箱、KVM显控组合和加电控制组合等组成。在右侧距离地面1 m高的位置放置4U高度的对外接口航插面板，通过连接电缆与信号转接适配器连接，试验台实物如图5所示。

图5 测试验证结果图

BST安装台导轨架采用标准铝合金材质型材搭建。导轨架根据车载控制器结构尺寸进行定制设计，并采用与控制器配套的结构锁紧机构，实现控制器的锁紧对接。

锁紧装置主要由闭合装置、定位夹板解锁键、组合定位夹板组成。实现车载控制器的锁紧对接。

6 测试验证

本试验台先后对多种型号的数十台车载控制器对接测试验证，测试分为标准模式和最大值/最小值两种模式，图5为两种模式连续测试的测试结果，测试过程中试验台运行稳定，测试精度高，测试效果良好。

7 结束语

本文在测试需求进行综合分析的基础上，对新一代高速磁浮列车车载控制器综合试验台的硬件、软件和结构设计进行了详细的论述。对接测试结果表明，本试验台设计原理正确、运行稳定可靠、测试结果准确，满足高速磁浮列车车载控制器自动化测试的需要。