電力機車粘著控制中濾波環節的最佳化設計方法分析論文
電力機車粘著控制中濾波環節的最佳化設計方法分析論文
1引言
電力機車的牽引力和制動力依賴於車輪和軌道之間的粘著。機車在遇到雨雪等自然情況下，因軌面潮溼，機車牽引力大於輪軌間可用的粘著力，多餘的牽引力將加速車輪形成空轉，造成一系列嚴重損害。粘著控制裝置隨著自動控制理論的發展也在被不斷改進和深入研究。目前的電力機車中的粘著控制器，是以程式碼形式集成於機車牽引控制板(TCU)之中的，其中重要的一環，就是濾除各種車體震動、電磁干擾等噪聲。在機車除錯及運營維護中採用的傳統資料處理實驗方法需要利用程式設計方法，將TCU取出重新刷入程式，再放回機車進行試驗線上的觀察。這種依賴於實驗效果進面調節引數的方法，為粘著控制實驗帶來極大的不便，反覆修改TCU全部程式不僅容易導致控制邏輯出錯，更大幅增加了實驗成本。國內關於粘著控制的研究，大多著眼於控制方法的改進如虛擬樣機在粘著控制中的應用，以及校正型控制方法等。但是關於粘著控制資料處理方法的相關研究，尚顯不足。
針對上述問題，本文提出一種基於計算機輔助的新型設計方法。透過MATLAB軟體中提供的FDATooI工具箱整合的各種數字濾波器演算法，利用圖形化介面的方式使使用者設定相關引數，可以自動算出迭代公式係數，大大簡化了設計過程。由於FPGA不能進行浮點數運算，故面在初步設計濾波器之後，利用Fdesign對其進行定點化並自動調整動態範圍。Simulink與Modelsim的聯合模擬，是目前非常流行的FPGA前期設計方法。透過MATLAB平臺強大的處理能力，對方法進行驗證，進面由Modelsim進行FPGA端模擬，再利用FDA-Tool生成可供FPGA使用的程式碼。利用FPGA並行處理速度上的優勢，減輕TCU的負擔。
模擬結果表明，本文所提出的設計方法，是對現有“實驗-修改-實驗”方式的大幅最佳化，不僅便於修改、節省成本，更為後續將FPGA引入TCU的研究提供了可靠基礎。
2機車粘著理論
粘著的基本著眼點，是機車輪軌關係。粘著理論闡述了牽引力在輪軌之間是如何發揮作用的。在不同工況下，電機轉矩有多少轉化為實際牽引力，一般用粘著係數來定義。使電機的牽引力盡量多地轉化，是粘著控制的最終目的。
2. 1蠕滑摩擦力
電力機車在走行過程中，輪軌之間的相互作用力，並不是簡單的剛體純滾動，面應看作是一個彈性體在另一個彈性體上的滾動。在二者形成的接觸面上，對應質點間材質在幹摩擦下產生的相對形變現象就稱為蠕滑。由於車體的重量及機車動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生真正滑動時，接觸面之間的車輪和鋼軌都將產生彈性形變。車輪上被壓縮的部分隨著車輪滾動面伸展恢復，面其下的.鋼軌則被壓縮，這一過程導致輪對的圓周線速度高於車體的實際移動速度，此兩者的差值就是蠕滑速度。當牽引力增大至某一數值時，切向力和蠕滑達到極限，超過這個極限後，兩者將迅速發生打滑。
2. 2粘著特性曲線
粘著力的利用率可以用粘著係數表徵，粘著係數與蠕滑率並無數學表示式，但是牽引力受蠕滑率影響，因此蠕滑率與粘著係數成正比關係。基於大量試驗，人們獲得了蠕滑率和粘著係數之間的關係，稱為粘著特性曲線。
2. 3機車牽引及輪軌動力學模型
電力機車的牽引及機械傳動部分包括牽引電機、齒輪箱、輪對和傳動軸等部件。為簡化分析，通常將牽引電機與控制牽引力指令的中間環節假設為一階慣性部分。電機的輸出軸上產生的動力矩透過傳動裝置傳達給輪對。輪軌之間的蠕滑運動使力矩最終轉化為蠕滑力使車輪沿著鋼軌滾動前進。
3濾波方法選定
目前對於粘著控制方法的研究，都是基於對輪對測量速度訊號的分析和判斷。因此，對測量資料的濾波，是非常必要的。國內對於濾波環節的研究，都還限制於反覆實踐的方法，傳統方法因原理缺乏系統性，導致操作複雜耗時，不僅需要對整個控制程式進行修改，更導致機車需要反覆在實驗線上執行，其成本也是巨大的。針對此問題，本文提出一套最佳化設計方法，該方法藉助軟體，將先期對濾波器效能的考察一次完成，省去反覆實驗環節，便於針對性修改，因此大幅提高了研究效率。
實際應用中，常用的濾波方法有算術平均值濾波、中值濾波等，但是電力機車粘著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，因此粘著控制對濾波的延時非常敏感。基於此問題本文采用了兼顧實時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工具箱利用圖形化介面和給予使用者高自由度的方式實現了引數可調、定製程度高、分析便利的濾波器設計。
4.2 Fdeisgn實現定點化
可程式設計邏輯器件(FPGA)近幾年在數字訊號處理中應用越來越廣泛。因此將這種並行執行、處理迅速的定製化控制器引入到電力機車牽引控制單元(TCU)，對於簡化控制邏輯和提高控制效率是深具研究意義的。
在FPGA中做訊號處理為達到比較高的運算速度和較少的資源佔用，通常使用定點化數字訊號處理。雖然FPGA廠商和IP提供商提供了一些浮點IP，但是目前大多數應用還是趨向定點化處理。使用MATLAB中的Fdesign工具箱進行濾波器定點化，步驟簡單，便於修改，也為轉化Verilog程式碼提供極大便利。
5總結
本文從大功率電力機車粘著控制問題出發，為解決設計適合機車實際執行的複合的濾波方法，提出一種新型的資料處理設計方法，即採用MATLAB工具箱初步設計濾波器，並結合兩大平臺優勢的Simulink-Modelsim聯合除錯，自動生成可供FPGA平臺適用的Verilog HDL語言。模擬結果表明，該種濾波方法能夠有效濾除資料採集中存在的“尖峰值”以及其它干擾噪聲，同時，整套設計方法避免了傳統方法的大量計算程式設計工作，簡化了軟體之間的接目設定，減少FPGA端程式碼工作量，為後續的研究提供了極大便利。在FPGA平臺的實現，也為後續設計製作獨立的機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際應用意義。