基于虚拟技术的磁浮列车整流单元测试系统研究

郭建宇

（上海磁浮交通发展有限公司，上海 201204）

0 引 言

与普通的轨道交通车辆不同，磁浮列车在库内检修或低速运行时可以从受流器获取电力。但是在正常高速运行时没有受流器或受电弓等外部供电部件，列车主要通过自身所带的线性发电机获取所需电力。

当磁浮列车的速度小于100 km/h时，列车受流器伸出接触动力轨供电；当列车速度大于100 km/h时，列车自身线性发电机随磁场变化产生交流感应电势，然后经过整流单元（以下简称HS）转换为直流电后供给后续负载。

线性发电机供电示意如图1所示，不管是低速时来自动力轨的直流电还是线性发电机的交流电都要经过HS后经再给负载供电。HS是磁浮列车上的重要功率设备，在运行时经常会发生各类故障，如整流模块短路、欠压、过流以及机箱信号丢失等。为了保障HS的正常诊断与维修，需要对它的各功能进行全面测试，以检测其电气功能及在各类极限运行状况下的性能。

图1 线性发电机供电示意图

1 测试系统硬件

1.1 电气硬件

HS测试设备是车载电网测试系统中的重要设备之一，为了模拟和测试HS机箱正常运行时的各功能，测试系统电气硬件主要由交流电源柜（工频电源）、开关柜、功率负载、主控制柜、直流电源柜以及测试架等部分组成[1]。

HS测试系统控制柜具有统一的外部电气接口，主要采用NI控制机箱和程控电源实现HS外部电气性能的模拟，并采用NI控制器和各类控制板卡进行数据的采集与分析工作。其另外一个作用就是负责协调整个测试系统中各柜体之间的控制逻辑和供电。开关柜的主要功能是模拟HS的外部工作状态，对HS机箱进行测试；直流电源柜能够模拟车载电网中相关蓄电池的工作情况，并采用CAN通信总线进行电压和电流控制，完成数据采集等工作；功率负载实现了对HS负载的模拟，以测试HS实际带负载输出能力。

另外，控制柜内还布置有可编程直流电源、电子负载、示波器以及采样电路等部件，分别为系统各类控制板卡提供直流源、电子负载、测量输出特性等[2]。

1.2 虚拟仪器

测试系统控制部分采用PXI及PXI Express总线进行数据传输，并选用NI PXIe-8840控制器和PXIe-1065控制搭建系统硬件平台，构架如图2所示。

图2 控制器硬件平台架构

采用PXIe-1065作为测试系统控制机箱，其中有18个插槽，各插槽功能模块相互独立，且具有高性能PXIe背板，每个PXIe插槽的传输带宽高达1 GB/s。此外，它包括PXI总线，定时和触发总线，还能向下兼容PCI机箱的所有特性[3]。

该系统采用PXIe-8840控制器作为系统的核心大脑来处理系统的所有输入、输出数据。PXIe-8840控制器其实就是一台高度集成且性能优越的微型工业计算机，不仅有GPIB标准接口，还有丰富的外部扩展接口。其处理器为Intel CoreTM i5 4400E的双核处理器，同时具有两个外部显示端口、两个网口以及1个RS232接口。

采用PXI-8512作为测试系统CAN卡，它是一款高速率、单端口的PXI CAN接口模块，可同时对数百个CAN帧和信号进行高速实时操作的应用。采用PXI-4065作为DMM采集卡来采集模拟量信号，能对交、直流电压源、电感、温度、电容以及频率等进行精确地测量。采用PXI-2503作为测试系统低压复用开关卡，通过程序控制灵活地切换测量信号。采用PXI-6528作为测试系统IO卡，具有光隔离输入和输出通道各24条，可以传输模拟测试系统中所需要的数字信号。此外，对数字量信号的采集和控制主要采用CB50扩展卡来实现。

2 测试系统软件

HS测试系统是一种基于NI硬件和LabVIEW的虚拟仪器测试平台。其原理以计算机为基础，配合具有数据采集、传输以及转换等功能的各类数据板卡搭建自动测试系统，完成各类自动测试工作[4]。不同于传统的实物硬件测试系统，虚拟测试技术可以仅通过更改测试程序和调换相应的控制板卡实现另一种完全不同的测试功能，大大缩短了测试系统的开发周期，降低了测试成本。

2.1 系统通信

本测试系统各硬件之间的通信采用通用接口总线（General Purpose Interface Bus，GPIB）。GPIB 是一种标准的测试接口，核心为24芯总线，其中的16根为信号线，另外8根为数据线，主要特点如下。一是可以方便地将所需的硬件设备连在一起组成一个类似局域网的测试系统，但硬件设备不能多于15台，总线总长可达到20 m。二是与常规逻辑方式不同，GPIB总线的逻辑方式为负逻辑，即低电平时逻辑为“1”,反之则逻辑为“0”。三是采用双向异步传输方式，数据传输速度可达1M/s。四是总线地址容量大，其中单字节讲地址和听地址各31个，双字节讲地址和听地址各961个。

在一般的测试系统中，控制主机通过GPIB即可实现电源、负载以及各类数字板卡之间的实时通信，如控制电源的开通与关断、测试电压的输出与反馈、设定电子负载参数以及各类数字板卡的数据测量与转换等工作[5]。

2.2 测试程序流程

为了检测HS的各类极限运行情况下的电气性能，需要设定不同的测试参数和测试方法来对HS进行测试。系统以LabVIEW和TestStand为平台设定不同的VI程序和测试序列，对HS的测试数据进行分析并输出测试结果，图3为HS测试程序流程图。

图3 HS测试程序流程图

传统的编程语言都是文本语言，而LabVIEW是一种图形化的编程语言，非常直观且易上手，仅仅通过对各类功能图标进行连线即可完成简单的编程，通过更改数据流的方向即可改变程序的测试时序。最重要的是，LabVIEW自身有非常强大的库文件，几乎涵盖了测试所需的各类基础功能模块，调用十分简便高效[6]。VI指虚拟仪器子程序，是LabVIEW的程序模块。图4所示为本测试系统一个对电源进行控制的VI程序。

图4 程控电源控制VI程序

TestStand是一种标准的自动化测试管理软件，全面应用于组织原型搭建、控制设计认证以及具体测试程序的执行。它与LABVIEW、VB以及VC等主流测试环境能够完美兼容，且能调用众多的动态链接库，将各类编程环境结合起来，便于对程序的调试，在提高系统开发效率会让测试速度以及降低成本方面具有明显优势。此外，TestStand还能在测试结束后正常测试报表，对测试人员的分析提供帮助。图5所示为TestStand的一个调用程序。

图5 TestStand调用程序示例

当系统完成HS测试后，可以将本次测试的所有数据以特定的文件格式进行保存，包括测试人员、测试时间以及每个测试功能的主要测试数据和测试结果等信息，便于技术人员进行查阅和分析，进而分析和统计HS的故障情况。

3 结 论

基于NI硬件和LabVIEW软件的磁浮列车线性发电机整流单元测试系统能够实现对列车HS机箱各类极限功能的测试。该测试系统测试精度高，能够在实验室内模拟HS的实时工况并将测试结果以文件的形式进行输出保存，便于分析测试数据并对故障机箱进行诊断与维修。其测试系统设计思路和实现方法对相关领域的自动测试具有一定的参考意义。