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      地鐵列車制動系統(tǒng)速度信號模擬的研究

      2020-06-30 06:57:30張建凱錢雪軍
      鐵路計算機(jī)應(yīng)用 2020年6期
      關(guān)鍵詞:模擬信號脈沖列車

      張建凱,錢雪軍

      (同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,上海 200331)

      地鐵列車制動系統(tǒng)是確保地鐵列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一。目前,地鐵列車廣泛采用架控式制動系統(tǒng),每個架控式制動系統(tǒng)采集2 路速度信號,用于制動系統(tǒng)的控制和提供防滑保護(hù)[1]。鑒于制動系統(tǒng)的重要性,需要配備相應(yīng)的制動測試系統(tǒng)和制動實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中一般不會安裝與實(shí)車一致的旋轉(zhuǎn)輪對,無法與實(shí)車一樣,通過速度傳感器監(jiān)測輪對旋轉(zhuǎn)來獲取列車速度信號,為此需要實(shí)現(xiàn)速度傳感器信號的模擬[2]。國內(nèi)外對地鐵列車制動系統(tǒng)的研究主要集中在制動性能與防滑控制上,對速度傳感器輸出信號模擬的研究相對較少[3]。

      每臺轉(zhuǎn)向架需采集2 路速度信號,每節(jié)車輛有兩個轉(zhuǎn)向架,每節(jié)車輛應(yīng)采集4 路速度信號。本文采用單片機(jī)結(jié)合電壓/電流信號轉(zhuǎn)換的方式,實(shí)現(xiàn)地鐵列車4 路速度傳感器模擬信號輸出[4-7],獲得高精度的速度模擬信號,有助于提高地鐵列車制動測試系統(tǒng)和制動實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的可操作性。

      1 主控模塊設(shè)計

      1.1 系統(tǒng)方案

      地鐵列車制動系統(tǒng)速度傳感器輸出信號模擬系統(tǒng)(簡稱:系統(tǒng))通過控制單片機(jī),輸出不同頻率脈沖,用于模擬地鐵列車速度傳感器產(chǎn)生的高速脈沖,依據(jù)脈沖周期可計算出地鐵列車車速[8]。

      地鐵列車車速的計算公式為:

      式中:f為測速脈沖輸出頻率(脈沖輸出周期的倒數(shù));D為地鐵列車輪對直徑,半磨耗條件下取值為820 mm。

      系統(tǒng)采用的芯片型號為STC15W1K16PWM,具有高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn);內(nèi)部集成高精度R/C 時鐘,ISP 編程時5 MHz ~35 MHz范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)。此單片機(jī)共有8 通道10 bit 高速ADC(轉(zhuǎn)換速度可達(dá)30 萬次/s),包括6 通道15 位專用高精度PWM 和2 通道CCP(可實(shí)現(xiàn)11 bit ~16 bit PWM 輸出);單片機(jī)工作頻率范圍為5 MHz ~28 MHz[9]。

      速度傳感器輸出信號的設(shè)計要求包括:信號類型為電流矩形脈沖,占空比為30%~70%,輪對每轉(zhuǎn)產(chǎn)生80 個脈沖,高電平14 mA(11 mA ~17.4 mA),低電平7 mA(4.3 mA ~8.9 mA)。

      單片機(jī)可以接收4 路0 ~5 V 模擬信號和串口信號;先通過4 路專用PWM 輸通道輸出4 路脈沖電壓信號,再將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號,最終輸出4路速度模擬信號。系統(tǒng)框圖見圖1。

      圖1 系統(tǒng)框圖

      1.2 多路脈沖輸出

      STC15W1K16PWM 單片機(jī)內(nèi)部有一個15 bit PWM 計數(shù)器,可供4 路PWM 使用,4 路脈沖的初始電平可以單獨(dú)設(shè)置。波形發(fā)生器為4 路PWM,設(shè)置有控制波形反轉(zhuǎn)的計數(shù)器T1/T2,通過控制T1/T2的反轉(zhuǎn)時間可調(diào)節(jié)PWM 的占空比;通過將PxM1和PxM0 端口設(shè)置為準(zhǔn)雙向口或推挽輸出口,實(shí)現(xiàn)PWM 輸出的目的。

      若取T2 為脈沖周期CYCLE,T1 為CYCLE/2,相應(yīng)的脈沖波形占空比為50%。設(shè)置單片機(jī)主時鐘頻率為12 MHz、12 分頻,系統(tǒng)時鐘頻率為1 MHz。脈沖周期計算公式為:

      式中:CYCLE0 為系統(tǒng)時鐘周期,CYCLE為脈沖輸出周期,P為設(shè)定值[PWMCH,PWMCL]。

      STC15W1K16PWM 單片機(jī)內(nèi)部PWM 計數(shù)器為15 bit,P的取值范圍為1 ~32 767。

      系統(tǒng)接收ADC 模塊的轉(zhuǎn)換結(jié)果來控制脈沖周期,其計算公式為:

      式中:Vin為0 ~5 V 模擬信號輸入,Vcc為基準(zhǔn)電壓5 V。

      設(shè)定值P(P′與P值意義相同)的計算公式為:

      由式(2)~式(4)可以計算出模擬量輸入的脈沖周期。當(dāng)?shù)罔F列車速度為100 km/h 時,計算精度μ為:

      由式(5)可知,當(dāng)?shù)罔F列車速度為100 km/h時,計算精度為0.1。地鐵列車車速一般低于100 km/h,說明系統(tǒng)使用ADC 轉(zhuǎn)換模塊時,精度小于0.1。

      1.3 電壓信號轉(zhuǎn)電流信號

      單片機(jī)PWM 輸出信號為0 ~5 V。為了滿足輸出電流范圍設(shè)定在7 mA ~14 mA 的要求,設(shè)計了可將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號的電路。選用AM422-1 芯片,通過配置不同的元器件,可以在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電流。外部晶體管T1 可降低芯片的功耗,二極管D1 可保護(hù)晶體管免受反極性影響。電路原理見圖2。

      圖2 電壓信號轉(zhuǎn)電流信號電路原理

      采用三線制連接方式,R1、R2的阻值關(guān)系為:

      輸出電流由兩部分組成:偏移電流和輸入電壓導(dǎo)致的電流,計算公式為:

      電流ISET用于設(shè)置輸出電流偏移,計算公式為:

      由上式計算,結(jié)果為:R0=30Ω,R1=12KΩ,R2=1K Ω,R3=33K Ω,R4=39K Ω,R5=39Ω,C1=2.2μF,C2=0.1μF。

      理論計算脈沖輸出電流最小值ISET(VIN=0) 為6.944 mA,IOUTMAX(VIN=5)最大值為14.630 mA。

      1.4 控制輸入

      系統(tǒng)速度模擬信號的輸入有兩種方式:模擬量輸入和串口輸入。為此,系統(tǒng)具有兩種工作模式。

      模式1:通過232/485 通訊串口將地鐵列車的速度模擬信號實(shí)時傳送給STC15 單片機(jī)。

      模式2:來自外部模塊的實(shí)時電壓信號經(jīng)過STC15 單片機(jī)的4 路ADC 轉(zhuǎn)換模塊,將0 ~5 V 模擬信號轉(zhuǎn)換為10 bit 數(shù)字信號。

      為保證模式1 與模式2 能保持一致的輸出信號精度,通過串口發(fā)送給單片機(jī)的速度控制信號的設(shè)定值范圍為0 ~1 000,可以模擬速度為0 ~100 km/h。

      2 單片機(jī)程序設(shè)計

      速度傳感器輸出模擬信號程序采用KEIL5.0 開發(fā)。該程序包括底層、中層和上層;其中,底層為驅(qū)動層,完成指定模塊的初始化;中層為功能層,通過調(diào)用驅(qū)動層程序模塊來完成特定功能;上層為應(yīng)用層,通過調(diào)用底層程序模塊來完成對速度模擬信號的控制。

      程序先執(zhí)行模塊的初始化,再判斷輸入模式(串口通信RS 輸入或模擬量AIN 輸入)。若輸入模式為串口輸入,脈沖將接收來自串口的信號;若輸入模式為模擬量,脈沖將接收來自模擬量的信號,進(jìn)行ADC 轉(zhuǎn)換。而后,檢測脈沖周期是否超出允許范圍,若超出范圍則舍棄設(shè)置的周期,返回輸入模式判斷,重新接收數(shù)據(jù)。若脈沖周期未超出允許范圍,則輸出脈沖。保持100 ms,再生成下一循環(huán)脈沖。程序流程見圖3。

      圖3 速度傳感器輸出模擬信號程序流程

      3 仿真結(jié)果

      3.1 測試試驗(yàn)臺

      測試試驗(yàn)臺采用UTD1050DL 型號手持式示波器,選用EDR-120-24 直流電源為PCB 板供電,見圖4 所示。

      圖4 測試試驗(yàn)臺

      3.2 測試波形

      在將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號的輸出端連接上模擬負(fù)載,使用示波器測試模擬負(fù)載兩端的脈沖波形。選用250 Ω 電阻模擬負(fù)載,通過測量模擬負(fù)載的電壓值,進(jìn)而得到電流值。

      當(dāng)速度設(shè)定為60 km/h 時,理論頻率為518 Hz;測試結(jié)果見圖5、圖6 所示。

      從圖5、圖6 中的數(shù)據(jù)可知,輸出波形為矩形脈沖波,脈沖輸出的占空比約為50%;電壓最大值為3.760 V,最小值為1.720 V。換算公式為:

      圖5 一路脈沖波形

      圖6 一路脈沖重要參數(shù)

      式中:RL為負(fù)載電阻,此處用模擬電阻(250 Ω)代替。

      經(jīng)過換算可知,電流最大值為15.040 mA,最小值為6.880 mA,與理論計算值相符。

      對輸出脈沖頻率進(jìn)行標(biāo)定,表1 為輸出脈沖的實(shí)驗(yàn)值與理論值對照表。

      表1 實(shí)測值與理論值對照

      由表1 可知,脈沖輸出頻率實(shí)測值與理論值非常接近。對照設(shè)計要求,脈沖輸出的占空比、電流、頻率在誤差允許范圍內(nèi)都能滿足。

      4 結(jié)束語

      利用STC15W1K16PWM 單片機(jī)的高速脈沖輸出模塊,設(shè)計并實(shí)現(xiàn)地鐵列車制動系統(tǒng)速度傳感器輸出模擬信號方案;詳細(xì)介紹主要模塊的原理及功能,并完成速度模擬信號的測試。測試結(jié)果表明:脈沖輸出波形是標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖波,其占空比、輸出電流、頻率均滿足設(shè)計要求。該系統(tǒng)有助于提高地鐵列車制動測試系統(tǒng)和制動實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的可操作性。

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