基于TMS320F2812的快速貨車電子防滑器設(shè)計(jì)

 防滑控制是保障鐵道車輛制動(dòng)安全，提高制動(dòng)效率的有效手段。特別是隨著貨運(yùn)速度的提高，一旦發(fā)生滑行，可能造成更大的危害，因此，我國的快速貨車上應(yīng)考慮安裝防滑裝置[1]。齊車裝備有限公司和眉山車輛有限公司在研發(fā)的快速貨車的樣機(jī)上，安裝了機(jī)械式防滑器來解決輪對滑行問題。然而機(jī)械式防滑器存在靈敏度低、性能不穩(wěn)定、不能實(shí)時(shí)監(jiān)測粘著狀態(tài)、調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力的缺點(diǎn)[1]，且機(jī)械式防滑器中關(guān)鍵的敏感元件經(jīng)長期使用易磨損，導(dǎo)致其性能逐漸下降。電子防滑器利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測車軸滑行狀態(tài)，調(diào)整制動(dòng)缸壓力以防止車軸打滑，且能根據(jù)多滑移判據(jù)判斷車軸是否滑行，具有更高的準(zhǔn)確性，在鐵道客車、動(dòng)車組等機(jī)車車輛上得到廣泛運(yùn)用。

在快速貨車上使用電子防滑器需解決電源問題。西南交通大學(xué)已設(shè)計(jì)出一種可懸掛于車體底部的風(fēng)力供電裝置[2]。本文在此基礎(chǔ)上對貨車采用電子防滑器方案進(jìn)行相應(yīng)研究，提出了一種基于數(shù)字信號處理器（DSP-TMS320F2812）控制的防滑控制器，以模糊控制為算法，實(shí)現(xiàn)車軸的滑行檢測和防滑控制。

1 快速貨車電子防滑器原理

由于受粘著限制，車輛制動(dòng)過程中容易產(chǎn)生滑行，甚至車輪擦傷。目前在我國速度超過120 km/h的鐵道機(jī)車車輛上均安裝了電子防滑器，防止車軸滑行。從原理上，快速貨車電子防滑器和客車電子防滑器其原理是一致的：防滑器通過實(shí)時(shí)采集車輛上4個(gè)車軸速度，經(jīng)比較得到車輛基準(zhǔn)速度，進(jìn)而計(jì)算車輛滑移率和減速度等，并根據(jù)多滑移判據(jù)，判斷車軸是否打滑，從而調(diào)整制動(dòng)缸壓力，防止車輪滑行。本文設(shè)計(jì)的電子防滑器原理如圖1所示。


2 硬件設(shè)計(jì)

防滑器需要采集各車軸速信號。速度傳感器輸出信號一般是速度脈沖形式，同時(shí)經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理才能完成防滑控制。較高的運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)處理能力可縮短防滑器的響應(yīng)時(shí)間，提高響應(yīng)準(zhǔn)確性。本文選用了TI公司的32 bit定點(diǎn)DSP-TMS320F2812作為防滑器主機(jī)的核心控制器，其事件管理器的捕獲單元可捕捉到外部引腳的跳變，可方便用于速度傳感器信號的測量。該芯片數(shù)據(jù)處理能力達(dá)150 MIPS，集成了豐富的片上外設(shè)，既有數(shù)字信號的處理能力，又有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制能力，特別適合于需要大批量數(shù)據(jù)處理的測控論域[3]。此外，完成防滑控制主要用到的模塊還包括：事件管理器（EV）的定時(shí)器單元和CPU定時(shí)器、外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊(PIE)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、SPI通信接口、看門狗、通用I/O、外部中斷接口和存儲(chǔ)器接口等。

為了減少系統(tǒng)輸入、輸出與核心控制單元之間的信號干擾且便于維護(hù)，防滑器硬件采用如圖1所示的模塊化設(shè)計(jì)，分為信號調(diào)理模塊、核心控制單元和驅(qū)動(dòng)模塊。

核心控制單元包含了最小系統(tǒng)，其包括TMS320F2812、時(shí)鐘與復(fù)位電路、電源和濾波、JTAG等。此外，電子防滑器還應(yīng)包含其他必要的應(yīng)用電路，如故障碼掉電存儲(chǔ)、顯示和清除等。本文將DSP的串行外設(shè)接口(SPI)擴(kuò)展了EEPROM存儲(chǔ)，選用X5045作為故障碼存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)容量為4 KB，可進(jìn)行100萬次擦寫。為方便維護(hù)，本文設(shè)計(jì)了故障碼顯示功能，選用MAX7219作為兩位數(shù)碼管的顯示驅(qū)動(dòng)器，由DSP的I/O口控制。此外，利用TMS320F2812的3個(gè)外部中斷口，直接作為按鍵控制接口，用于控制故障碼的顯示和清除等操作。
信號調(diào)理模塊和驅(qū)動(dòng)模塊是電子防滑器的重要組成部分。速度傳感器的信號經(jīng)信號調(diào)理（光耦隔離）接到DSP的4路捕獲口，由DSP實(shí)時(shí)采集各車軸速度，計(jì)算滑移率、減速度等。防滑器根據(jù)車軸運(yùn)行情況控制電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，從而控制防滑閥充放氣、調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力。

3 軟件設(shè)計(jì)

在明確電子防滑器功能的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)采用了模塊化編程的思想，程序總體框圖如圖2所示。由于TMS320F2812的PIE模塊最多可支持96個(gè)中斷，為系統(tǒng)的模塊化編程帶來了很大的方便，增強(qiáng)了系統(tǒng)程序的可讀性。其中速度處理和滑行檢測控制是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵模塊。


3.1 滑移率及減速度的計(jì)算
車軸前行速度v和車軸傳感器發(fā)出的脈沖頻率f成正比關(guān)系：

式中，D 為車輪直徑，Z 為車輪每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)。只要測得速度傳感器脈沖頻率即可計(jì)算各車軸速度。由于車輛制動(dòng)過程速度傳感器頻率變化范圍廣，為保證在高、低頻情況下都能獲得較高的測量精度，本文選用變周期的M/T法測速，如圖3 所示。頻率測量的最大誤差為一個(gè)基準(zhǔn)脈沖信號，其中基準(zhǔn)脈沖的頻率(37.5 MHz)等于系統(tǒng)時(shí)鐘頻率除以分頻系數(shù)。所以只要測得速度脈沖對應(yīng)的基準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)即可計(jì)算速度脈沖的頻率。捕獲CAP1，2 腳時(shí)基為定時(shí)器1， 設(shè)定計(jì)數(shù)周期為1 ms； 捕獲CAP5，6 腳時(shí)基為定時(shí)器3，計(jì)數(shù)周期為1 ms。開啟定時(shí)器周期中斷和捕獲中斷，N 個(gè)速度脈沖對應(yīng)的基準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)：

速度測量的精度直接影響到控制結(jié)果， 因此防滑器對速度的測量有較高的要求。本文用函數(shù)信號發(fā)生器生成脈沖信號， 模擬速度傳感器速度輸出，用電子防滑器測量其頻率， 以檢驗(yàn)電子防滑器的速度測量精度。表1
給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，fosc為函數(shù)信號發(fā)生器(DF1405)產(chǎn)生信號的頻率，vosc為車軸每轉(zhuǎn)發(fā)出200 個(gè)脈沖情況下對應(yīng)的速度，fDSP為防滑器測得頻率，vDSP為其對應(yīng)的速度值。結(jié)果表明無論在高速或低速情況下，電子防滑器的速度測量絕對誤差不超過0.05 km/h，相對誤差不超過0.05%，可滿足防滑器對速度測量精度的要求。


3.2 滑行檢測和控制

本文應(yīng)用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)防滑控制。為提高DSP運(yùn)算效率、縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，系統(tǒng)采用了離線查詢的方法實(shí)現(xiàn)模糊控制；通過MATLAB/Simulink仿真設(shè)計(jì)了二維模糊控制器；滑移率的基本論域?yàn)閇0，0.25]，減速度基本論域?yàn)閇-4，4]。實(shí)際控制過程中只要測得滑移率和減速度的量化值，通過查表的方法即可得到當(dāng)前控制量。電子防滑器的控制輸出量為充放氣時(shí)間(0～500 ms)，正值即為充氣，負(fù)值為放棄，0為保壓。
設(shè)定CPU定時(shí)器0周期中斷為5 ms(即單次充放氣時(shí)間為5 ms)，設(shè)定CPU定時(shí)器2中斷周期為100 ms[4](即滑行狀態(tài)檢測周期)。則實(shí)際控制中，模糊控制量OP在[-50，50]內(nèi)即實(shí)施保壓。

4 防滑模擬試驗(yàn)

為驗(yàn)證防滑器控制效果，本文在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了防滑模擬試驗(yàn)，如圖4所示。試驗(yàn)以LabVIEW軟件為平臺(tái)，模擬整車速度信號和打滑車軸速度信號，通過防滑器對容積室壓力的控制模擬，實(shí)現(xiàn)對制動(dòng)缸壓力的控制。在計(jì)算機(jī)上通過LabVIEW編程讀取MATLAB/Simulink仿真得到的兩路車軸信號，控制NI公司的6008型數(shù)據(jù)采集卡生成兩路與速度成比例的電壓信號。該電壓信號經(jīng)電壓頻率轉(zhuǎn)換電路，得到頻率與速度成比例的脈沖信號，速度脈沖信號經(jīng)信號調(diào)理模塊的光耦隔離接到DSP的CAP腳。其中電壓頻率轉(zhuǎn)換選用了AD654芯片來實(shí)現(xiàn)。AD654是一款低漂移、線性度高、低成本的電壓頻率轉(zhuǎn)換芯片，只需要很少的外圍元件即可實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。

本試驗(yàn)控制對象為容積室，其壓力由充氣閥和排氣閥控制，容積室壓力通過壓力傳感器接到數(shù)據(jù)采集卡，在計(jì)算機(jī)上通過LabVIEW編程實(shí)時(shí)顯示容積室壓力。

試驗(yàn)?zāi)M車輛在制動(dòng)過程中出現(xiàn)車軸兩次打滑的情況，其結(jié)果如圖5所示。當(dāng)防滑器檢測到車軸滑行時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)整容積室壓力，可防止車軸繼續(xù)滑行，在無滑行后繼續(xù)恢復(fù)容積室壓力，以保證制動(dòng)力的順利實(shí)施。

防滑控制是快速貨車制動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對保障制動(dòng)安全、提高制動(dòng)效率具有重要意義。本文設(shè)計(jì)的基于DSP的快速貨車電子防滑器能高精度測量車軸速度，并以模糊控制為算法，根據(jù)多滑移判據(jù)檢測車軸滑行狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整制動(dòng)缸壓力，防止車軸繼續(xù)打滑，從而保障制動(dòng)安全，縮短制動(dòng)距離，提高了制動(dòng)效率。經(jīng)模擬試驗(yàn)表明，本防滑器具有響應(yīng)快、實(shí)時(shí)性好、準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)。