機車測試系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速測量
1 試驗系統(tǒng)概況及對轉(zhuǎn)速測量的要求
機車試驗床測試系統(tǒng)是為了解決列車的離線試驗問題(進(jìn)行機車維護(hù)和出廠試驗時均需進(jìn)行試驗)而設(shè)計的。以往這類試驗是采用在線方式、在列車線路的空閑間隙內(nèi)穿插進(jìn)行，變得更加困難，列車提速后，線路更加緊張。要徹底解決這一問題，有必要建造離線的試驗床測試系統(tǒng)，對機車進(jìn)行離線測試。
試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。待試機車被驅(qū)動到試驗床上，機車車輪依次與傳動輪摩合。傳動輪三個一組，先通過機械式同步，然后分別驅(qū)動兩臺測功機(勵磁發(fā)電機組)。測功機的輸出接到大小可控的水阻陣列上，模擬機車負(fù)載，消耗機車功率。試驗時，在一定條件下啟動機車，調(diào)整測功機的負(fù)載和轉(zhuǎn)速，可以使機車按照與線路上類似的工況(運行速度和拖動力)運行。試驗中任何時刻，兩臺測功機的轉(zhuǎn)速必須保持一致。
與一般的控制對象相比，對測功機的轉(zhuǎn)速控制要求速度較快，特別是在加入內(nèi)環(huán)電流反饋之后；對轉(zhuǎn)速的顯示精度要求也較高，希望在測量轉(zhuǎn)速上限時相對誤差不大于0.2%。本系統(tǒng)中設(shè)計的電流環(huán)調(diào)節(jié)周期為0.1秒，用于顯示和記錄的轉(zhuǎn)速測量周期為1秒，試驗系統(tǒng)設(shè)計的轉(zhuǎn)速測量范圍為200~1000轉(zhuǎn)/分。測功機的轉(zhuǎn)速測量性能對于整個系統(tǒng)的運行起著決定性的作用。
另外在試驗中需要在車下的控制室內(nèi)對機車上的重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，包括車上發(fā)電機的電壓、電動機電流和柴油機的轉(zhuǎn)速。對于柴油機轉(zhuǎn)速，車上通常只提供每轉(zhuǎn)一次的電脈沖信號，轉(zhuǎn)速范圍為500~1500轉(zhuǎn)/分。由于這些測量參數(shù)只是用于對機車運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，因此對測量精度和測量速度的要求不高，不大于1%的相對誤差和1~3秒的測量周期即可。
考慮到對測功機的測量和控制速度要求較高及提高測控系統(tǒng)的抗干擾能力，試驗系統(tǒng)采用OMRON的CJ1-M型PLC控制器作為下位機，執(zhí)行絕大部分測量和控制任務(wù)；機車上的數(shù)據(jù)則通過以Adam-4017+八通道模擬量輸入模塊為核心構(gòu)成的便攜式車上數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行采集，采集的結(jié)果經(jīng)RS-485總線傳送到上位監(jiān)控機。
本文只討論測功機和柴油機的轉(zhuǎn)速測量問題。
2 機車測試系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速測量
2．1 測功機的轉(zhuǎn)速測量
可編程控制器CJ1系列中有一個特殊單元是高速計數(shù)單元CT021。每塊CT021具有兩個高速計數(shù)器，每個計數(shù)器的容量為二進(jìn)制32位，可接受頻率高達(dá)50kHz的輸入脈沖，以實現(xiàn)快速運動的精確控制。兩個輸入通道分別用于兩臺測功機的轉(zhuǎn)速測量。
CT021采用計數(shù)法測量輸入信號的頻率。選用分辨率為1024的光電編碼器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速-電信號頻率轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)速下限(200轉(zhuǎn)/分)時，實際輸出的脈沖頻率為1024×200/60s=3400/s，即3400Hz。為實現(xiàn)周期為0.1秒的快速調(diào)節(jié)，應(yīng)配以周期為0.1秒的高速采樣，此時每周期可采脈沖為340個，相對誤差不超過±0.3%，可以滿足轉(zhuǎn)速控制要求。
在轉(zhuǎn)速上限時，計數(shù)法的測量精度會有改善，但需核對計數(shù)單元對于輸入脈沖頻率的上限限制。轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分時，輸入脈沖頻率為1024×1000/60s,即17.07kHz, 不會超過50kHz硬件脈沖頻率上限的限制。
盡管上述單相脈沖輸入方式已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)測速要求，為保有一定的余量，系統(tǒng)實際采用差相輸入方式，使輸入脈沖的頻率提高一倍，測量誤差再減小一半。
做完上述核對工作、確定測量所需硬件之后，軟件上要做的工作相對較簡單，只要按照廠家提供的技術(shù)資料在程序中對CT021的工作方式進(jìn)行正確地初始化設(shè)置，上電后程序就會在每個循環(huán)中將計數(shù)結(jié)果存放到指定的內(nèi)存地址中?？梢詫⑦@些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)存儲區(qū)，供實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的指令使用。
CT021還提供多種功能，例如可以實現(xiàn)雙向計數(shù)、具有兩個控制輸入和兩個控制輸出及30個軟輸出等，對它們可以靈活配置，以滿足使用現(xiàn)場可能出現(xiàn)的特殊要求。值得一提的是，CT021提供的功能之一是可以自動將連續(xù)若干次(最高可達(dá)64字)的速率測量結(jié)果記錄在一個地址連續(xù)的存儲區(qū)中，并隨時自動刷新，這樣既可以在每個0.1秒循環(huán)周期內(nèi)得到當(dāng)時的采樣值供調(diào)節(jié)指令使用，也可以輕而易舉地得到連續(xù)多個周期的總計數(shù)結(jié)果，即較長時間間隔內(nèi)的采樣值，供顯示和記錄之用。取樣時間擴大了，量化誤差相應(yīng)減小，較好地滿足了對顯示精度的要求。
2．2 機車柴油機轉(zhuǎn)速測量
機車上的柴油機轉(zhuǎn)速為500~1500轉(zhuǎn)/分，被測脈沖的頻率僅為500/60s(8.3Hz)~1500/60s(25Hz)，采用計數(shù)法進(jìn)行頻率測量顯然不合適。由于對測量精度的要求不是很高，可以采用模擬方法。
圖2(a)所示是使用LM2917對柴油機轉(zhuǎn)速進(jìn)行模擬式測量的一個電路。LM2917是一款專門用于轉(zhuǎn)速測量和控制的集成電路頻率-電壓轉(zhuǎn)換芯片。它依照電荷泵的原理工作，與普通的電荷泵電路相比，該芯片集成了具有浮動輸入的比較器輸入級和可靈活進(jìn)行再設(shè)計的輸出級，因而大大減少了芯片投入應(yīng)用時需要外接的元器件數(shù)量。輸入級的輸入浮動特性使用戶可以調(diào)整信號輸入的閾值，提高電路的抗干擾能力；在其內(nèi)部還構(gòu)建了一個幅度為15mV的滯環(huán)，從而可進(jìn)一步提高電路的抗噪聲干擾能力。芯片的輸出級由比較器和一個浮動三極管組成，用戶可以設(shè)計成比例輸出或限值比較的輸出，輸出形式可為電壓或電流，以滿足不同的控制需求。圖2(a)所示電路提供比例電壓輸出。圖中的電容C1為電荷泵的充電電容，C2為積分電容。按圖中所選參數(shù)，輸入脈沖與輸出電壓之間的變換關(guān)系為：
圖2(b)為圖2(a)所示電路的測試結(jié)果。圖中，下部的曲線為F/V轉(zhuǎn)換的結(jié)果，上部的曲線為包含了線性光電隔離器及后續(xù)的Adam-4017+模塊的采集數(shù)據(jù)。
除了上述模擬式方法，也嘗試了挖掘PLC控制器的潛力，采用DI輸入、按照等精度方法對柴油機轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。使用定時器實現(xiàn)預(yù)取樣窗口的寬度控制，以1ms高速定時器充當(dāng)高頻參考量化脈沖。圖3所示為實現(xiàn)測量過程的軟件流程和波形示意圖。
圖中，T1為確定預(yù)設(shè)取樣窗口寬度的定時器，T2為1ms定時器，Smp為取樣標(biāo)志，N為被測脈沖計數(shù)值。
每當(dāng)讀到一個輸入脈沖的上升沿，CPU首先查詢?nèi)訕?biāo)志，如為0，則置1，啟動一次取樣過程。取樣過程的預(yù)定寬度由定時器T1確定。T1定時未到時，做兩件事：一方面，1ms定時器持續(xù)進(jìn)行定時計數(shù)；另一方面，PLC對輸入脈沖計數(shù)(N=N+1)，直至T1定時到后遇到新的脈沖上升沿為止。如一次取樣結(jié)束時，從1ms定時器得出的ms累計值為n，輸入脈沖的計數(shù)值為N，則可得信號頻率為:
由于PLC在一次程序循環(huán)后才集中進(jìn)行一次I/O刷新，因此很難做到取樣窗口與被測脈沖同步。為了盡量減小這一因素帶來的影響，采取了兩條措施：(1)對脈沖輸入信號的跳變采用立即刷新方式進(jìn)行檢測。(2)在整個PLC程序中，分散地插入不止一個輸入脈沖檢測點。實驗證明，這些措施是行之有效的，該測量方案也可以滿足試驗要求，而且硬件成本很低(僅使用PLC的一個DI輸入)。當(dāng)然，如果采用中斷單元，按中斷方式工作，取樣窗口的起始時間與被測脈沖的同步會變得很簡單，測量準(zhǔn)確度也會提高，代價是硬件成本增加。
在機車定置試驗系統(tǒng)中，對于不同的測量需求，具體分析，區(qū)別對待，采取了不同的頻率測量方法和設(shè)備，有針對性地采取了減小測量誤差的措施，盡可能地挖掘已有測控設(shè)備的潛力，做好技術(shù)設(shè)計工作。這些努力已得到現(xiàn)場試驗證明，效果令人滿意。
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