CN103885340B - 电力机车半实物仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电力机车半实物仿真系统，包括：牵引控制单元、用于模拟电力机车传动系统主电路的半实物仿真器以及用于转换所述牵引控制单元和所述半实物仿真器之间传输信号的信号转换单元；所述牵引控制单元与所述信号转换单元连接，所述信号转换单元与所述半实物仿真器连接。本发明提供的电力机车半实物仿真系统能够解决现有技术中针对传动系统性能采用的测试方法成本高，不具有实时性的问题，实现对传动系统性能的实时测试，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及电气技术，尤其涉及一种电力机车半实物仿真系统。
背景技术
随着绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）技术和脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术在电力机车牵引系统中的广泛应用，电力机车传动系统的复杂程度大幅度提高，其动态性能取决于变流器的功率模块、实时控制软件、分布式计算以及控制器间通信速率，因此对于电力机车传动系统的模拟、研究和综合实验越发重要。
为了研究电力机车传动系统的性能，通常搭建地面联调试验研究平台，以进行详细的功能试验和性能测试，但由于电力机车传动系统中的电压较高，电流较大，并且在测试的过程中会出现烧毁器件的现象，导致测试的过程较危险，也耗费了较高的成本。对于传动系统主要控制原理及算法的研究通常采用非实时仿真软件搭建电路模型，进行离线仿真，但是离线仿真不具有实时性，无法满足对电力机车传动系统动态性能研究的需要。
发明内容
本发明提供一种电力机车半实物仿真系统，用以解决现有技术中针对传动系统性能采用的测试方法成本高，不具有实时性的问题，实现对传动系统性能的实时测试并降低成本。
本发明实施例提供一种电力机车半实物仿真系统，包括：牵引控制单元、用于模拟电力机车传动系统主电路的半实物仿真器以及用于转换所述牵引控制单元和所述半实物仿真器之间传输信号的信号转换单元；
所述牵引控制单元与所述信号转换单元连接，所述信号转换单元与所述半实物仿真器连接。
本发明实施例的技术方案通过采用半实物仿真器模拟电力机车传动系统主电路，且采用信号转换单元分别与半实物仿真器和牵引控制单元连接，用于转换半实物仿真器和牵引控制单元之间的传输信号，能够解决现有技术中针对传动系统性能采用的测试方法成本高，不具有实时性的问题，实现对传动系统性能的实时测试，降低成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的电力机车半实物仿真系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的电力机车半实物仿真系统的信号转换单元中模拟信号调理板的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的电力机车半实物仿真系统的部分电路模型的仿真流程图。
具体实施方式
图1为本发明实施例提供的电力机车半实物仿真系统的结构示意图，图2为本发明实施例提供的电力机车半实物仿真系统的信号转换单元中模拟信号调理板的结构示意图，图3为本发明实施例提供的电力机车半实物仿真系统的部分电路模型的仿真流程图。如图1-3所示，电力机车半实物仿真系统包括牵引控制单元1、用于模拟电力机车传动系统主电路的半实物仿真器2以及用于转换牵引控制单元1和半实物仿真器2之间传输信号的信号转换单元3。
其中，牵引控制单元1与信号转换单元3连接，信号转换单元3与半实物仿真器2连接。
牵引控制单元1采用真实的电力机车牵引控制单元，包括中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、电源模块、数字量输出模块11、数字量输入模块12、速度信号输入模块13、脉冲输出与反馈模块14及模拟量输入模块15等，其中，CPU发出控制指令，通过数字量输出模块11输出数字量信号，指示外部设备执行相应的操作，例如控制接触器吸合，然后通过数字量输入模块12获取到接触器动作的数字量反馈信号以判断接触器吸合状态是否正常。具体可以为：CPU发出合主断路接触器指令，通过数字量输出模块11输出数字量信号，指示主断路接触器吸合，再将主断路接触器的吸合状态通过数字量模块12传送给CPU，以判定主断路接触器工作是否正常。速度信号输入模块13与检测电机转速的速度传感器连接，将获取到的电机转速信号传送给CPU，以使CPU根据电机转速对逆变器的控制进行调整。脉冲输出与反馈模块14用于将CPU产生的脉冲信号传送给外部设备并接收外部设备反馈的脉冲信号，例如当司机通过操作台发出牵引指令时，CPU通过网络接收到该牵引指令后，控制牵引系统输入端的主断路接触器闭合，使得牵引系统接入交流电，然后牵引控制单元1向牵引系统中的整流器和逆变器发送驱动脉冲信号，使得输入交流电经整流和逆变后转换为三相驱动交流电提供给驱动电机。模拟量输入模块15可获取外部传感器设备输入的模拟量信号，并传送给CPU用于分析和计算，整流器和逆变器运行过程中的电压或电流信号就通过模拟量输入模块15返回至牵引控制单元1，以使CPU对逆变器的状态进行判断和调整。例如，用于检测电网电压的电压传感器将检测到的电网电压信号经模拟量输入模块15传送给CPU，以使CPU根据电网电压的状态控制电力机车的运行。
半实物仿真器2用于模拟电力机车传动系统的主电路，接收牵引控制单元1发出的控制信号，并将主电路的模拟运行信号发送给牵引控制单元1。电力机车传动系统的主电路包括电力机车的弓网系统和转向架系统，其中弓网系统包括接触网、受电弓、主断路器和牵引变压器，转向架系统包括四象限整流器、中间回路、牵引逆变器、牵引电机及负载。基于Matlab仿真软件分别搭建弓网系统和转向架系统的模型，包括四象限整流器电路模型、支撑电容器模型、二次滤波电路模型、过压抑制单元模型、牵引逆变器电路模型、牵引电机模型以及负载模型等，并通过半实物仿真器2相应的下载软件下载至半实物仿真器2中。
由于牵引控制单元1中各输入输出模块的工作电压较高，而半实物仿真器2中各电路板的工作电压较低，二者不能直接进行信号传输，因此可采用信号转换单元3用于转换牵引控制单元1和半实物仿真器2之间的传输信号，将牵引控制单元1输出的信号进行转换后传送给半实物仿真器2，将半实物仿真器2输出的信号进行转换后传送给牵引控制单元1。
电力机车半实物仿真系统的工作过程为：PC机通过RS485通信模拟司机操作台的牵引指令给牵引控制单元1，牵引控制单元1经判断后，一方面发出断路器闭合信号通过信号转换单元3转换后传送给半实物仿真器2，使得牵引系统主电路模型中输入端的断路器闭合，然后在接收到半实物仿真器2反馈的断路器已闭合信号后，输出驱动脉冲信号给牵引系统中的四象限整流器模型和牵引逆变器电路模型，将输入交流电压经整流和逆变后转换成电压幅值和频率可调的三相交流电提供给牵引电机模型。半实物仿真器2将四象限整流器模型和牵引逆变器电路模型运行过程中的运行状态及输入输出电压或电流值输出，并经信号转换单元3转换后反馈给牵引控制单元1。半实物仿真器2可模拟牵引电机转子的转速和定子电流，通过信号转换单元3转换后传送给牵引控制单元1，以使牵引控制单元1调整输出脉冲信号的占空比调节牵引电机模型的输出功率。
本实施例的技术方案通过采用半实物仿真器模拟电力机车传动系统主电路，且采用信号转换单元分别与半实物仿真器和牵引控制单元连接，用于转换半实物仿真器和牵引控制单元之间的传输信号，能够解决现有技术中针对传动系统性能采用的测试方法成本高，不具有实时性的问题，实现对传动系统性能的实时测试，降低成本。
优选的，在上述技术方案的基础上，半实物仿真器2可包括：数字输入输出板21、数字波形输出板22、电机控制板23、高速总线电缆24和主处理器25。其中，数字输入输出板21用于模拟数字量信号输出以及接收数字量信号，数字波形输出板22用于模拟速度传感器的脉冲信号，可模拟牵引电机转子的转速，电机控制板23可模拟电网电压信号、四象限整流器模型的输入信号和输出信号、三相逆变器电路模型的输入信号和输出信号、斩波电路模型的输出信号以及牵引电机模型的定子电流信号。数字输入输出板21、数字波形输出板22和电机控制板23通过高速总线电缆24与主处理器25连接以实现数据传输。上述技术方案可采用主处理器板DS1005、数字输入输出板DS4003、数字波形输出板DS5101、电机控制板DS5203设置成机箱式结构，搭建一个四象限整流器和一个三相电压型逆变器的电路模型，优选的，可以将四象限整流器模型、三相电压型逆变器的电路模型以及三相交流异步电机模型加载到电机控制板（DS5203）中，其运算速度最高可达10ns，将其他电路模型加载到主处理器板DS1005，运算速度为微秒级，能够提高半实物仿真器的运算速率，提高测试过程的实时性。
信号转换单元3可以包括：用于转换牵引控制单元1输出数字量信号的数字量输入板31、用于转换半实物仿真器2输出数字量信号的第一数字量输出板32、用于转换半实物仿真器2输出脉冲反馈信号及速度信号的第二数字量输出板33、用于转换牵引控制单元1输出脉冲信号的脉冲信号输入板34、以及用于转换半实物仿真器2输出模拟量信号的模拟信号调理板35。
其中，数字量输入板31分别与半实物仿真器2中的数字输入输出板21和牵引控制单元1中的数字量输出模块11连接，第一数字量输出板32分别与半实物仿真器2中的数字输入输出板21和牵引控制单元1中的数字量输入模块12连接，第二数字量输出板33分别与半实物仿真器2中的数字输入输出板21和牵引控制单元1中的脉冲输出与反馈模块14连接，且与半实物仿真器2中的数字波形输出板22和牵引控制单元1中的速度信号输入模块13连接，脉冲信号输入板34分别与半实物仿真器2中的电机控制板23和牵引控制单元1中的脉冲输出与反馈模块14连接，模拟信号调理板35分别与半实物仿真器2中的电机控制板23和牵引控制单元1中的模拟量输入模块15连接。
模拟信号调理板35包括：用于转换电机控制板23输出电网电压信号的网压模拟板351、用于转换电机控制板23输出四象限整流器输入信号的四象限输入电流模拟板352、用于转换电机控制板23输出四象限整流器输出信号的中间电压模拟板353、用于转换电机控制板23输出斩波电流信号的斩波电流模拟板354、用于转换电机控制板23输出定子电流信号的电机电流模拟板355。
上述技术方案提供的电力机车半实物仿真系统的工作过程为：PC机模拟司机操作台的牵引指令，并通过RS485通信方式将该牵引指令传送给牵引控制单元1中的CPU。牵引控制单元1中的CPU经过判断后，一方面经数字量输出模块11发出断路器闭合的数字量输出信号，通过信号转换单元3中的数字量输入板31转换后传送给半实物仿真器2中的数字输入输出板21，使得牵引系统主电路模型中输入端的断路器闭合，另一方面在接收到半实物仿真器2中数字输入输出板21反馈的断路器已闭合信号后，通过脉冲输出与反馈模块14输出驱动脉冲信号，经脉冲信号输入板34转换后，传送电机控制板23，将四路PWM信号加在四象限整流器模型中，待四象限整流器正常工作后，再将六路PWM信号加载在三相电压型逆变器和三相交流异步电机模型中，以使牵引系统中的四象限整流器模型和三相电压型逆变器电路模型将输入交流电压经整流和逆变后转换成电压幅值和频率可调的三相交流电提供给三相交流异步电机模型，经电机转矩公式及运动方程运算后，将运算结果返回四象限整流器模型、三相电压型逆变器和三相交流异步电机模型形成反馈闭环控制。电机控制板23模拟四象限整流器模型和牵引逆变器电路模型运行过程中的工作状态，并通过数字输入输出板21发出脉冲反馈信号，经信号转换单元3中的第二数字量输出板33转换后，传送给牵引控制单元1中的脉冲输出与反馈模块14，以使牵引控制单元1中的CPU判断发送给四象限整流器模型或三相电压型逆变器电路模型中IGBT的脉冲是否发生错误，若判断出有错误发生，则停止发送驱动脉冲信号。数字波形输出板22模拟牵引电机的转速，输出正交编码的速度信号，经第二数字量输出板33转换后，传送到牵引控制单元1中的速度信号输入模块13。电机控制板23还可以模拟四象限整流器模型和牵引逆变器电路模型的输入输出电压或电流、牵引电机的定子电流以及斩波电流信号。模拟信号调理板35中的网压模拟板351、四象限输入电流模拟板352、中间电压模拟板353、斩波电流模拟板354和电机电流模拟板355分别对电机控制板23输出的电网电压信号、四象限整流器输入信号、四象限整流器输出信号、斩波电流信号和定子电流信号进行转换，并传送给牵引控制单元1中的模拟量输入模块15，以使牵引控制单元1通过调整输出脉冲信号的占空比来调节牵引电机模型的输出功率以及牵引电机模型的转速。
本实施例的技术方案通过采用半实物仿真器模拟电力机车传动系统主电路，且采用信号转换单元分别与半实物仿真器和牵引控制单元连接，用于转换半实物仿真器和牵引控制单元之间的传输信号，能够解决现有技术中针对传动系统性能采用的测试方法成本高，不具有实时性的问题，实现对传动系统性能的实时测试，降低成本。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (2)
1.一种电力机车半实物仿真系统，其特征在于，包括：牵引控制单元、用于模拟电力机车传动系统主电路的半实物仿真器以及用于转换所述牵引控制单元和所述半实物仿真器之间传输信号的信号转换单元；
所述牵引控制单元与所述信号转换单元连接，所述信号转换单元与所述半实物仿真器连接；
所述信号转换单元包括：用于转换所述半实物仿真器输出的模拟量信号的模拟信号调理板；
所述模拟信号调理板分别与所述半实物仿真器中的电机控制板和所述牵引控制单元中的模拟量输入模块连接；
所述模拟信号调理板包括：用于转换所述电机控制板输出的电网电压信号的网压模拟板、用于转换所述电机控制板输出的四象限整流器输入信号的四象限输入电流模拟板、用于转换所述电机控制板输出的四象限整流器输出信号的中间电压模拟板、用于转换所述电机控制板输出的斩波电流信号的斩波电流模拟板、用于转换所述电机控制板输出的定子电流信号的电机电流模拟板。
2.根据权利要求1所述的电力机车半实物仿真系统，其特征在于，所述信号转换单元还包括：用于转换所述牵引控制单元输出的数字量信号的数字量输入板、用于转换所述半实物仿真器输出的数字量信号的第一数字量输出板、用于转换所述半实物仿真器输出的脉冲反馈信号及速度信号的第二数字量输出板、用于转换所述牵引控制单元输出的脉冲信号的脉冲信号输入板；
所述数字量输入板分别与所述半实物仿真器中的数字输入输出板和所述牵引控制单元中的数字量输出模块连接；
所述第一数字量输出板分别与所述半实物仿真器中的数字输入输出板和所述牵引控制单元中的数字量输入模块连接；
所述第二数字量输出板分别与所述半实物仿真器中的数字输入输出板和所述牵引控制单元中的脉冲输出与反馈模块连接，且与所述半实物仿真器中的数字波形输出板和所述牵引控制单元中的速度信号输入模块连接；
所述脉冲信号输入板分别与所述半实物仿真器中的电机控制板和所述牵引控制单元中的脉冲输出与反馈模块连接。
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