摘 要: TCU（牽引控制單元）是德制地鐵機車的關(guān)鍵設(shè)備。在維修過程中，需要對其進(jìn)行離線測試，但目前國內(nèi)尚無配套的TCU測試系統(tǒng)，為此本文實現(xiàn)了一種TCU測試系統(tǒng)，利用PC機及數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成虛擬儀器測試平臺，實現(xiàn)TCU的離線測試。
關(guān)鍵字：虛擬儀器，Labview，TCU，上海地鐵，測試
1. 引言
TCU[1]（Traction Control Unit，牽引控制單元）是上海地鐵直流機車[2]的關(guān)鍵設(shè)備，它是一種模塊化的帶有微處理器的控制單元，用于控制地鐵直流機車斬波器的工作，以實現(xiàn)合理有效的牽引和制動。在TCU定期維護(hù)和維修過程中，需要對其進(jìn)行離線測試。目前TCU均依靠進(jìn)口，十分昂貴，國內(nèi)尚無配套測試系統(tǒng)。
為此，我們針對上海地鐵一號線的直流機車TCU研制了一整套的測試系統(tǒng)，它基于虛擬儀器技術(shù)，采用了美國國家儀器公司（National Instruments）的圖形化編程語言Labview[3]以及該公司提供的數(shù)據(jù)采集及控制板卡。該測試系統(tǒng)可以在TCU離線的情況下，實時提供地鐵機車在牽引、惰行、制動等運行工況下相應(yīng)的TCU輸入信號，并對TCU在相應(yīng)工況下的輸出波形進(jìn)行實時測量和記錄，從而實現(xiàn)TCU的離線測試，有助于對TCU性能做出準(zhǔn)確的評價，提高TCU的維修效率。
2. TCU工作原理
TCU工作原理如圖1所示。它的控制核心是SIBAS十六位微機，TCU內(nèi)部帶有存儲器，通過總線和模擬量接口、數(shù)字量接口、斬波器觸發(fā)監(jiān)控模塊聯(lián)系。機車運行時，司機通過手柄發(fā)出牽引、惰行、制動等指令，TCU接受指令，根據(jù)不同運行工況發(fā)出各種控制回路繼電器、主回路接觸器的驅(qū)動信號，并接受它們的觸點反饋信號，同時監(jiān)測電網(wǎng)電壓、牽引電機電樞電流、列車速度等信號。TCU通過控制斬波器各個GTO的觸發(fā)脈沖來實現(xiàn)合理有效的牽引;通過驅(qū)動主回路接觸器改變主電路的通路來實現(xiàn)不同的制動方式。
圖1. TCU工作原理
3. 測試原理及系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)
TCU測試系統(tǒng)是以PC機為核心，應(yīng)用NI公司的高速數(shù)據(jù)采集卡PCI-6014實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。 TCU測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。PC機為控制系統(tǒng)的核心單元，用于發(fā)出控制指令，同時采集反饋信息。PCI-6014是基于PCI總線的16位多功能高速數(shù)據(jù)采集卡，提供16路單端或8路差分模擬輸入，2路16位模擬輸出，最高采樣率是200kS/s。同時提供8路數(shù)字1/0線和2個24位計數(shù)器/定時器。PCI-6014附帶NI-DAQ驅(qū)動軟件，提供Labview語言的強大編程接口，使用方便。
在TCU測試系統(tǒng)中，TCU運行所需的信號都由PCI-6014的各個通道給出。手柄信號和各傳感器輸出的模擬量信號由PCI-6014的模擬輸出通道（AO，Analog Output）實現(xiàn)，由于PCI-6014 AO通道輸出功率有限，輸出信號必須經(jīng)過由運放組成的功率放大模塊再輸入到TCU; 接觸器、繼電器觸點應(yīng)答信號和斬波器監(jiān)控信號為110V的開關(guān)量信號，由PCI-6014的數(shù)字輸出通道（DO，Digital Output）實現(xiàn)，由于DO輸出為TTL電平，最高+5V，必須經(jīng)過由光耦隔離、MOSFET放大組成的幅值、功率放大模塊再輸入TCU;TCU輸出的接觸器、繼電器驅(qū)動信號必須經(jīng)過由光耦隔離組成的信號變換、隔離模塊才能通過PCI-6014的數(shù)字量輸入通道（DI，Digital Input）采集。TCU發(fā)出的斬波器各個GTO驅(qū)動信號則由PCI-6014的模擬量輸入通道（AI，Analog Input）采集。
圖2. 測試系統(tǒng)框圖
4. 測試系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
4.1 軟件開發(fā)平臺
TCU測試系統(tǒng)軟件在Labview平臺下開發(fā)。它是基于圖形化編程技術(shù)的軟件，采用接近于流程圖的編程方式。用Labview開發(fā)的軟件稱做“虛擬儀器”，其用戶界面類似于傳統(tǒng)儀器面板，通過操作用戶界面上的控件，就可以實現(xiàn)各種功能，跟真實的儀器一樣。在NI-DAQ驅(qū)動軟件的基礎(chǔ)上，Labview與數(shù)據(jù)采集卡的輸入輸出的接口很容易實現(xiàn)，能快速完成數(shù)據(jù)的采集與輸出。
4.2 軟件設(shè)計
測試系統(tǒng)運行時，PC機先提供TCU啟動所需的信號，使TCU啟動起來。然后，測試系統(tǒng)根據(jù)已建立的數(shù)據(jù)庫，提供典型運行工況下TCU所需的各個信號，包括網(wǎng)壓，電流，速度，載荷等，采集TCU輸出的各個繼電器驅(qū)動信號并給出各個繼電器相應(yīng)的觸點反饋信號，同時實時采集斬波器各個GTO的觸發(fā)脈沖信號， 并在前面板上顯示，采集的信號可存入文件，以備以后分析使用。
5. 結(jié)束語
TCU測試系統(tǒng)的實現(xiàn)，為車輛維修人員測試TCU提供了很好的操作平臺，提高了TCU維修的效率。測試系統(tǒng)的實現(xiàn)，有助于分析和研究TCU的控制策略和運行機理，有助于TCU的國產(chǎn)化，同時也為進(jìn)一步研制包括TCU、斬波器和主回路的直流機車綜合測試臺打下了基礎(chǔ)，對于研制交流車輛的TCU測試臺也有一定的借鑒意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 沈濤，王穎峰等，地鐵牽引控制單元TCU故障診斷建模與應(yīng)用, 鐵道機車車輛, 2003年第23卷第5期
[2] 王曰凡，上海地鐵車輛，電力機車技術(shù)，2001年第24卷第3期
[3] 羅成漢，解源，王飛，基于Labview的鋼桿裂紋定量識別技術(shù)的研究，微計算機信息，2003年第19卷第8期
