电力机车粘着控制中滤波环节的优化设计方法分析论文

1引言

电力机车的牵引力和制动力依赖于车轮和轨道之间的粘着。机车在遇到雨雪等自然情况下，因轨面潮湿，机车牵引力大于轮轨间可用的粘着力，多余的牵引力将加速车轮形成空转，造成一系列严重损害。粘着控制装置随着自动控制理论的发展也在被不断改进和深入研究。目前的电力机车中的粘着控制器，是以代码形式集成于机车牵引控制板(TCU)之中的，其中重要的一环，就是滤除各种车体震动、电磁干扰等噪声。在机车调试及运营维护中采用的传统数据处理实验方法需要利用编程方法，将TCU取出重新刷入程序，再放回机车进行试验线上的观察。这种依赖于实验效果进面调节参数的方法，为粘着控制实验带来极大的不便，反复修改TCU全部程序不仅容易导致控制逻辑出错，更大幅增加了实验成本。国内关于粘着控制的研究，大多着眼于控制方法的改进如虚拟样机在粘着控制中的应用，以及校正型控制方法等。但是关于粘着控制数据处理方法的相关研究，尚显不足。

针对上述问题，本文提出一种基于计算机辅助的新型设计方法。通过MATLAB软件中提供的FDATooI工具箱集成的各种数字滤波器算法，利用图形化界面的方式使用户设定相关参数，可以自动算出迭代公式系数，大大简化了设计过程。由于FPGA不能进行浮点数运算，故面在初步设计滤波器之后，利用Fdesign对其进行定点化并自动调整动态范围。Simulink与Modelsim的联合仿真，是目前非常流行的FPGA前期设计方法。通过MATLAB平台强大的处理能力，对方法进行验证，进面由Modelsim进行FPGA端仿真，再利用FDA-Tool生成可供FPGA使用的代码。利用FPGA并行处理速度上的优势，减轻TCU的负担。

仿真结果表明，本文所提出的设计方法，是对现有“实验-修改-实验”方式的大幅优化，不仅便于修改、节省成本，更为后续将FPGA引入TCU的研究提供了可靠基础。

2机车粘着理论

粘着的基本着眼点，是机车轮轨关系。粘着理论阐述了牵引力在轮轨之间是如何发挥作用的。在不同工况下，电机转矩有多少转化为实际牵引力，一般用粘着系数来定义。使电机的牵引力尽量多地转化，是粘着控制的最终目的。

2. 1蠕滑摩擦力

电力机车在走行过程中，轮轨之间的相互作用力，并不是简单的刚体纯滚动，面应看作是一个弹性体在另一个弹性体上的滚动。在二者形成的接触面上，对应质点间材质在干摩擦下产生的相对形变现象就称为蠕滑。由于车体的重量及机车动轮上施加的使其前行的力矩，当力矩值不足以使轮对在轨面上产生真正滑动时，接触面之间的车轮和钢轨都将产生弹性形变。车轮上被压缩的部分随着车轮滚动面伸展恢复，面其下的钢轨则被压缩，这一过程导致轮对的圆周线速度高于车体的实际移动速度，此两者的差值就是蠕滑速度。当牵引力增大至某一数值时，切向力和蠕滑达到极限，超过这个极限后，两者将迅速发生打滑。

2. 2粘着特性曲线

粘着力的利用率可以用粘着系数表征，粘着系数与蠕滑率并无数学表达式，但是牵引力受蠕滑率影响，因此蠕滑率与粘着系数成正比关系。基于大量试验，人们获得了蠕滑率和粘着系数之间的关系，称为粘着特性曲线。

2. 3机车牵引及轮轨动力学模型

电力机车的牵引及机械传动部分包括牵引电机、齿轮箱、轮对和传动轴等部件。为简化分析，通常将牵引电机与控制牵引力指令的中间环节假设为一阶惯性部分。电机的输出轴上产生的动力矩通过传动装置传达给轮对。轮轨之间的蠕滑运动使力矩最终转化为蠕滑力使车轮沿着钢轨滚动前进。

3滤波方法选定

目前对于粘着控制方法的研究，都是基于对轮对测量速度信号的分析和判断。因此，对测量数据的滤波，是非常必要的。国内对于滤波环节的研究，都还限制于反复实践的方法，传统方法因原理缺乏系统性，导致操作复杂耗时，不仅需要对整个控制程序进行修改，更导致机车需要反复在实验线上运行，其成本也是巨大的。针对此问题，本文提出一套优化设计方法，该方法借助软件，将先期对滤波器性能的考察一次完成，省去反复实验环节，便于针对性修改，因此大幅提高了研究效率。

实际应用中，常用的滤波方法有算术平均值滤波、中值滤波等，但是电力机车粘着控制中对空转打滑识别的要求是速判断，应做到20m、内完成滤波、识别、控制整套流程，因此粘着控制对滤波的延时非常敏感。基于此问题本文采用了兼顾实时性及滤波效果的一阶低通滤波结合限幅滤波的方法。

4滤波器设计

4.1 FDATooI

MATLAB中的FDATooI工具箱利用图形化界面和给予用户高自由度的方式实现了参数可调、定制程度高、分析便利的滤波器设计。

4.2 Fdeisgn实现定点化

可编程逻辑器件(FPGA)近几年在数字信号处理中应用越来越广泛。因此将这种并行运行、处理迅速的定制化控制器引入到电力机车牵引控制单元(TCU)，对于简化控制逻辑和提高控制效率是深具研究意义的。

在FPGA中做信号处理为达到比较高的运算速度和较少的资源占用，通常使用定点化数字信号处理。虽然FPGA厂商和IP提供商提供了一些浮点IP，但是目前大多数应用还是趋向定点化处理。使用MATLAB中的Fdesign工具箱进行滤波器定点化，步骤简单，便于修改，也为转化Verilog代码提供极大便利。

5总结

本文从大功率电力机车粘着控制问题出发，为解决设计适合机车实际运行的复合的滤波方法，提出一种新型的数据处理设计方法，即采用MATLAB工具箱初步设计滤波器，并结合两大平台优势的Simulink-Modelsim联合调试，自动生成可供FPGA平台适用的Verilog HDL语言。仿真结果表明，该种滤波方法能够有效滤除数据采集中存在的“尖峰值”以及其它干扰噪声，同时，整套设计方法避免了传统方法的大量计算编程工作，简化了软件之间的接目设置，减少FPGA端代码工作量，为后续的研究提供了极大便利。在FPGA平台的实现，也为后续设计制作独立的机车粘着控制板卡提供了探索空间，具有很好的理论研究和实际应用意义。

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