電力機(jī)車粘著控制中濾波環(huán)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析論文
1引言
電力機(jī)車的牽引力和制動(dòng)力依賴于車輪和軌道之間的粘著。機(jī)車在遇到雨雪等自然情況下，因軌面潮濕，機(jī)車牽引力大于輪軌間可用的粘著力，多余的牽引力將加速車輪形成空轉(zhuǎn)，造成一系列嚴(yán)重?fù)p害。粘著控制裝置隨著自動(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(jī)車中的粘著控制器，是以代碼形式集成于機(jī)車牽引控制板(TCU)之中的，其中重要的一環(huán)，就是濾除各種車體震動(dòng)、電磁干擾等噪聲。在機(jī)車調(diào)試及運(yùn)營(yíng)維護(hù)中采用的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)方法需要利用編程方法，將TCU取出重新刷入程序，再放回機(jī)車進(jìn)行試驗(yàn)線上的觀察。這種依賴于實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)面調(diào)節(jié)參數(shù)的方法，為粘著控制實(shí)驗(yàn)帶來極大的不便，反復(fù)修改TCU全部程序不僅容易導(dǎo)致控制邏輯出錯(cuò)，更大幅增加了實(shí)驗(yàn)成本。國(guó)內(nèi)關(guān)于粘著控制的研究，大多著眼于控制方法的改進(jìn)如虛擬樣機(jī)在粘著控制中的應(yīng)用，以及校正型控制方法等。但是關(guān)于粘著控制數(shù)據(jù)處理方法的相關(guān)研究，尚顯不足。
針對(duì)上述問題，本文提出一種基于計(jì)算機(jī)輔助的新型設(shè)計(jì)方法。通過MATLAB軟件中提供的FDATooI工具箱集成的各種數(shù)字濾波器算法，利用圖形化界面的方式使用戶設(shè)定相關(guān)參數(shù)，可以自動(dòng)算出迭代公式系數(shù)，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程。由于FPGA不能進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，故面在初步設(shè)計(jì)濾波器之后，利用Fdesign對(duì)其進(jìn)行定點(diǎn)化并自動(dòng)調(diào)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(shè)計(jì)方法。通過MATLAB平臺(tái)強(qiáng)大的處理能力，對(duì)方法進(jìn)行驗(yàn)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(shì)，減輕TCU的負(fù)擔(dān)。
仿真結(jié)果表明，本文所提出的設(shè)計(jì)方法，是對(duì)現(xiàn)有“實(shí)驗(yàn)-修改-實(shí)驗(yàn)”方式的大幅優(yōu)化，不僅便于修改、節(jié)省成本，更為后續(xù)將FPGA引入TCU的研究提供了可靠基礎(chǔ)。
2機(jī)車粘著理論
粘著的基本著眼點(diǎn)，是機(jī)車輪軌關(guān)系。粘著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(jī)轉(zhuǎn)矩有多少轉(zhuǎn)化為實(shí)際牽引力，一般用粘著系數(shù)來定義。使電機(jī)的牽引力盡量多地轉(zhuǎn)化，是粘著控制的最終目的。
2. 1蠕滑摩擦力
電力機(jī)車在走行過程中，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(yīng)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(duì)應(yīng)質(zhì)點(diǎn)間材質(zhì)在干摩擦下產(chǎn)生的相對(duì)形變現(xiàn)象就稱為蠕滑。由于車體的重量及機(jī)車動(dòng)輪上施加的使其前行的力矩，當(dāng)力矩值不足以使輪對(duì)在軌面上產(chǎn)生真正滑動(dòng)時(shí)，接觸面之間的車輪和鋼軌都將產(chǎn)生彈性形變。車輪上被壓縮的部分隨著車輪滾動(dòng)面伸展恢復(fù)，面其下的.鋼軌則被壓縮，這一過程導(dǎo)致輪對(duì)的圓周線速度高于車體的實(shí)際移動(dòng)速度，此兩者的差值就是蠕滑速度。當(dāng)牽引力增大至某一數(shù)值時(shí)，切向力和蠕滑達(dá)到極限，超過這個(gè)極限后，兩者將迅速發(fā)生打滑。
2. 2粘著特性曲線
粘著力的利用率可以用粘著系數(shù)表征，粘著系數(shù)與蠕滑率并無數(shù)學(xué)表達(dá)式，但是牽引力受蠕滑率影響，因此蠕滑率與粘著系數(shù)成正比關(guān)系�；诖罅吭囼�(yàn)，人們獲得了蠕滑率和粘著系數(shù)之間的關(guān)系，稱為粘著特性曲線。
2. 3機(jī)車牽引及輪軌動(dòng)力學(xué)模型
電力機(jī)車的牽引及機(jī)械傳動(dòng)部分包括牽引電機(jī)、齒輪箱、輪對(duì)和傳動(dòng)軸等部件。為簡(jiǎn)化分析，通常將牽引電機(jī)與控制牽引力指令的中間環(huán)節(jié)假設(shè)為一階慣性部分。電機(jī)的輸出軸上產(chǎn)生的動(dòng)力矩通過傳動(dòng)裝置傳達(dá)給輪對(duì)。輪軌之間的蠕滑運(yùn)動(dòng)使力矩最終轉(zhuǎn)化為蠕滑力使車輪沿著鋼軌滾動(dòng)前進(jìn)。
3濾波方法選定
目前對(duì)于粘著控制方法的研究，都是基于對(duì)輪對(duì)測(cè)量速度信號(hào)的分析和判斷。因此，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的濾波，是非常必要的。國(guó)內(nèi)對(duì)于濾波環(huán)節(jié)的研究，都還限制于反復(fù)實(shí)踐的方法，傳統(tǒng)方法因原理缺乏系統(tǒng)性，導(dǎo)致操作復(fù)雜耗時(shí)，不僅需要對(duì)整個(gè)控制程序進(jìn)行修改，更導(dǎo)致機(jī)車需要反復(fù)在實(shí)驗(yàn)線上運(yùn)行，其成本也是巨大的。針對(duì)此問題，本文提出一套優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法借助軟件，將先期對(duì)濾波器性能的考察一次完成，省去反復(fù)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，便于針對(duì)性修改，因此大幅提高了研究效率。
實(shí)際應(yīng)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(jī)車粘著控制中對(duì)空轉(zhuǎn)打滑識(shí)別的要求是速判斷，應(yīng)做到20m、內(nèi)完成濾波、識(shí)別、控制整套流程，因此粘著控制對(duì)濾波的延時(shí)非常敏感�；诖藛栴}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(jié)合限幅濾波的方法。
4濾波器設(shè)計(jì)
4.1 FDATooI
MATLAB中的FDATooI工具箱利用圖形化界面和給予用戶高自由度的方式實(shí)現(xiàn)了參數(shù)可調(diào)、定制程度高、分析便利的濾波器設(shè)計(jì)。
4.2 Fdeisgn實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)化
可編程邏輯器件(FPGA)近幾年在數(shù)字信號(hào)處理中應(yīng)用越來越廣泛。因此將這種并行運(yùn)行、處理迅速的定制化控制器引入到電力機(jī)車牽引控制單元(TCU)，對(duì)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(hào)處理為達(dá)到比較高的運(yùn)算速度和較少的資源占用，通常使用定點(diǎn)化數(shù)字信號(hào)處理。雖然FPGA廠商和IP提供商提供了一些浮點(diǎn)IP，但是目前大多數(shù)應(yīng)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(zhuǎn)化Verilog代碼提供極大便利。
5總結(jié)
本文從大功率電力機(jī)車粘著控制問題出發(fā)，為解決設(shè)計(jì)適合機(jī)車實(shí)際運(yùn)行的復(fù)合的濾波方法，提出一種新型的數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)方法，即采用MATLAB工具箱初步設(shè)計(jì)濾波器，并結(jié)合兩大平臺(tái)優(yōu)勢(shì)的Simulink-Modelsim聯(lián)合調(diào)試，自動(dòng)生成可供FPGA平臺(tái)適用的Verilog HDL語(yǔ)言。仿真結(jié)果表明，該種濾波方法能夠有效濾除數(shù)據(jù)采集中存在的“尖峰值”以及其它干擾噪聲，同時(shí)，整套設(shè)計(jì)方法避免了傳統(tǒng)方法的大量計(jì)算編程工作，簡(jiǎn)化了軟件之間的接目設(shè)置，減少FPGA端代碼工作量，為后續(xù)的研究提供了極大便利。在FPGA平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，也為后續(xù)設(shè)計(jì)制作獨(dú)立的機(jī)車粘著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(yīng)用意義。
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