電力機車(chē)粘著(zhù)控制中濾波環(huán)節的優(yōu)化設計方法分析論文
1引言
電力機車(chē)的牽引力和制動(dòng)力依賴(lài)于車(chē)輪和軌道之間的粘著(zhù)。機車(chē)在遇到雨雪等自然情況下，因軌面潮濕，機車(chē)牽引力大于輪軌間可用的粘著(zhù)力，多余的牽引力將加速車(chē)輪形成空轉，造成一系列嚴重損害。粘著(zhù)控制裝置隨著(zhù)自動(dòng)控制理論的發(fā)展也在被不斷改進(jìn)和深入研究。目前的電力機車(chē)中的粘著(zhù)控制器，是以代碼形式集成于機車(chē)牽引控制板(TCU)之中的，其中重要的一環(huán)，就是濾除各種車(chē)體震動(dòng)、電磁干擾等噪聲。在機車(chē)調試及運營(yíng)維護中采用的傳統數據處理實(shí)驗方法需要利用編程方法，將TCU取出重新刷入程序，再放回機車(chē)進(jìn)行試驗線(xiàn)上的觀(guān)察。這種依賴(lài)于實(shí)驗效果進(jìn)面調節參數的方法，為粘著(zhù)控制實(shí)驗帶來(lái)極大的不便，反復修改TCU全部程序不僅容易導致控制邏輯出錯，更大幅增加了實(shí)驗成本。國內關(guān)于粘著(zhù)控制的研究，大多著(zhù)眼于控制方法的改進(jìn)如虛擬樣機在粘著(zhù)控制中的應用，以及校正型控制方法等。但是關(guān)于粘著(zhù)控制數據處理方法的相關(guān)研究，尚顯不足。
針對上述問(wèn)題，本文提出一種基于計算機輔助的新型設計方法。通過(guò)MATLAB軟件中提供的FDATooI工具箱集成的各種數字濾波器算法，利用圖形化界面的方式使用戶(hù)設定相關(guān)參數，可以自動(dòng)算出迭代公式系數，大大簡(jiǎn)化了設計過(guò)程。由于FPGA不能進(jìn)行浮點(diǎn)數運算，故面在初步設計濾波器之后，利用Fdesign對其進(jìn)行定點(diǎn)化并自動(dòng)調整動(dòng)態(tài)范圍。Simulink與Modelsim的聯(lián)合仿真，是目前非常流行的FPGA前期設計方法。通過(guò)MATLAB平臺強大的處理能力，對方法進(jìn)行驗證，進(jìn)面由Modelsim進(jìn)行FPGA端仿真，再利用FDA-Tool生成可供FPGA使用的代碼。利用FPGA并行處理速度上的優(yōu)勢，減輕TCU的負擔。
仿真結果表明，本文所提出的設計方法，是對現有“實(shí)驗-修改-實(shí)驗”方式的大幅優(yōu)化，不僅便于修改、節省成本，更為后續將FPGA引入TCU的研究提供了可靠基礎。
2機車(chē)粘著(zhù)理論
粘著(zhù)的基本著(zhù)眼點(diǎn)，是機車(chē)輪軌關(guān)系。粘著(zhù)理論闡述了牽引力在輪軌之間是如何發(fā)揮作用的。在不同工況下，電機轉矩有多少轉化為實(shí)際牽引力，一般用粘著(zhù)系數來(lái)定義。使電機的牽引力盡量多地轉化，是粘著(zhù)控制的最終目的。
2. 1蠕滑摩擦力
電力機車(chē)在走行過(guò)程中，輪軌之間的相互作用力，并不是簡(jiǎn)單的剛體純滾動(dòng)，面應看作是一個(gè)彈性體在另一個(gè)彈性體上的滾動(dòng)。在二者形成的接觸面上，對應質(zhì)點(diǎn)間材質(zhì)在干摩擦下產(chǎn)生的相對形變現象就稱(chēng)為蠕滑。由于車(chē)體的重量及機車(chē)動(dòng)輪上施加的使其前行的力矩，當力矩值不足以使輪對在軌面上產(chǎn)生真正滑動(dòng)時(shí)，接觸面之間的車(chē)輪和鋼軌都將產(chǎn)生彈性形變。車(chē)輪上被壓縮的部分隨著(zhù)車(chē)輪滾動(dòng)面伸展恢復，面其下的.鋼軌則被壓縮，這一過(guò)程導致輪對的圓周線(xiàn)速度高于車(chē)體的實(shí)際移動(dòng)速度，此兩者的差值就是蠕滑速度。當牽引力增大至某一數值時(shí)，切向力和蠕滑達到極限，超過(guò)這個(gè)極限后，兩者將迅速發(fā)生打滑。
2. 2粘著(zhù)特性曲線(xiàn)
粘著(zhù)力的利用率可以用粘著(zhù)系數表征，粘著(zhù)系數與蠕滑率并無(wú)數學(xué)表達式，但是牽引力受蠕滑率影響，因此蠕滑率與粘著(zhù)系數成正比關(guān)系�；诖罅吭囼�，人們獲得了蠕滑率和粘著(zhù)系數之間的關(guān)系，稱(chēng)為粘著(zhù)特性曲線(xiàn)。
2. 3機車(chē)牽引及輪軌動(dòng)力學(xué)模型
電力機車(chē)的牽引及機械傳動(dòng)部分包括牽引電機、齒輪箱、輪對和傳動(dòng)軸等部件。為簡(jiǎn)化分析，通常將牽引電機與控制牽引力指令的中間環(huán)節假設為一階慣性部分。電機的輸出軸上產(chǎn)生的動(dòng)力矩通過(guò)傳動(dòng)裝置傳達給輪對。輪軌之間的蠕滑運動(dòng)使力矩最終轉化為蠕滑力使車(chē)輪沿著(zhù)鋼軌滾動(dòng)前進(jìn)。
3濾波方法選定
目前對于粘著(zhù)控制方法的研究，都是基于對輪對測量速度信號的分析和判斷。因此，對測量數據的濾波，是非常必要的。國內對于濾波環(huán)節的研究，都還限制于反復實(shí)踐的方法，傳統方法因原理缺乏系統性，導致操作復雜耗時(shí)，不僅需要對整個(gè)控制程序進(jìn)行修改，更導致機車(chē)需要反復在實(shí)驗線(xiàn)上運行，其成本也是巨大的。針對此問(wèn)題，本文提出一套優(yōu)化設計方法，該方法借助軟件，將先期對濾波器性能的考察一次完成，省去反復實(shí)驗環(huán)節，便于針對性修改，因此大幅提高了研究效率。
實(shí)際應用中，常用的濾波方法有算術(shù)平均值濾波、中值濾波等，但是電力機車(chē)粘著(zhù)控制中對空轉打滑識別的要求是速判斷，應做到20m、內完成濾波、識別、控制整套流程，因此粘著(zhù)控制對濾波的延時(shí)非常敏感�；诖藛�(wèn)題本文采用了兼顧實(shí)時(shí)性及濾波效果的一階低通濾波結合限幅濾波的方法。
4濾波器設計
4.1 FDATooI
MATLAB中的FDATooI工具箱利用圖形化界面和給予用戶(hù)高自由度的方式實(shí)現了參數可調、定制程度高、分析便利的濾波器設計。
4.2 Fdeisgn實(shí)現定點(diǎn)化
可編程邏輯器件(FPGA)近幾年在數字信號處理中應用越來(lái)越廣泛。因此將這種并行運行、處理迅速的定制化控制器引入到電力機車(chē)牽引控制單元(TCU)，對于簡(jiǎn)化控制邏輯和提高控制效率是深具研究意義的。
在FPGA中做信號處理為達到比較高的運算速度和較少的資源占用，通常使用定點(diǎn)化數字信號處理。雖然FPGA廠(chǎng)商和IP提供商提供了一些浮點(diǎn)IP，但是目前大多數應用還是趨向定點(diǎn)化處理。使用MATLAB中的Fdesign工具箱進(jìn)行濾波器定點(diǎn)化，步驟簡(jiǎn)單，便于修改，也為轉化Verilog代碼提供極大便利。
5總結
本文從大功率電力機車(chē)粘著(zhù)控制問(wèn)題出發(fā)，為解決設計適合機車(chē)實(shí)際運行的復合的濾波方法，提出一種新型的數據處理設計方法，即采用MATLAB工具箱初步設計濾波器，并結合兩大平臺優(yōu)勢的Simulink-Modelsim聯(lián)合調試，自動(dòng)生成可供FPGA平臺適用的Verilog HDL語(yǔ)言。仿真結果表明，該種濾波方法能夠有效濾除數據采集中存在的“尖峰值”以及其它干擾噪聲，同時(shí)，整套設計方法避免了傳統方法的大量計算編程工作，簡(jiǎn)化了軟件之間的接目設置，減少FPGA端代碼工作量，為后續的研究提供了極大便利。在FPGA平臺的實(shí)現，也為后續設計制作獨立的機車(chē)粘著(zhù)控制板卡提供了探索空間，具有很好的理論研究和實(shí)際應用意義。
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