電力機車粘著控制中濾波環節的優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于車輪和軌道之間的粘著。機車在遇到雨雪等自然情況下，因軌面潮濕，機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，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，是以代碼形式集成于機車牽引控制板(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。在機車調試及運營維護中采用的傳統數據處理實驗方法需要利用編程方法，將TCU取出重新刷入程序，再放回機車進行試驗線上的觀察。這種依賴于實驗效果進面調節參數的方法，為粘著控制實驗帶來極大的不便，反復修改TCU全部程序不僅容易導致控制邏輯出錯，更大幅增加了實驗成本。國內關于粘著控制的研究，大多著眼于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。但是關于粘著控制數據處理方法的相關研究，尚顯不足。
針對上述問題，本文提出一種基于計算機輔助的新型設計方法。通過MATLAB軟件中提供的FDATooI工具箱集成的各種數字濾波器算法，利用圖形化界面的方式使用戶設定相關參數，可以自動算出迭代公式系數，大大簡化了設計過程。由于FPGA不能進行浮點數運算，故面在初步設計濾波器之后，利用Fdesign對其進行定點化并自動調整動態范圍。Simulink與Modelsim的聯合仿真，是目前非常流行的FPGA前期設計方法。通過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勢，減輕TCU的負擔。
仿真結果表明，本文所提出的設計方法，是對現有“實驗-修改-實驗”方式的大幅優化，不僅便于修改、節省成本，更為后續將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，是機車輪軌關系。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，一般用粘著系數來定義。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，并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，對應質點間材質在干摩擦下產生的相對形變現象就稱為蠕滑。由于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'圓周線速度高于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，超過這個極限后，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系數表征，粘著系數與蠕滑率并無數學表達式，但是牽引力受蠕滑率影響，因此蠕滑率與粘著系數成正比關系。基于大量試驗，人們獲得了蠕滑率和粘著系數之間的關系，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通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
目前對于粘著控制方法的研究，都是基于對輪對測量速度信號的分析和判斷。因此，對測量數據的濾波，是非常必要的。國內對于濾波環節的研究，都還限制于反復實踐的方法，傳統方法因原理缺乏系統性，導致操作復雜耗時，不僅需要對整個控制程序進行修改，更導致機車需要反復在實驗線上運行，其成本也是巨大的。針對此問題，本文提出一套優化設計方法，該方法借助軟件，將先期對濾波器性能的考察一次完成，省去反復實驗環節，便于針對性修改，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。基于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工具箱利用圖形化界面和給予用戶高自由度的方式實現了參數可調、定制程度高、分析便利的濾波器設計。
4.2 Fdeisgn實現定點化
可編程邏輯器件(FPGA)近幾年在數字信號處理中應用越來越廣泛。因此將這種并行運行、處理迅速的定制化控制器引入到電力機車牽引控制單元(TCU)，對于簡化控制邏輯和提高控制效率是深具研究意義的。
在FPGA中做信號處理為達到比較高的運算速度和較少的資源占用，通常使用定點化數字信號處理。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，便于修改，也為轉化Verilog代碼提供極大便利。
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運行的復合的濾波方法，提出一種新型的數據處理設計方法，即采用MATLAB工具箱初步設計濾波器，并結合兩大平臺優勢的Simulink-Modelsim聯合調試，自動生成可供FPGA平臺適用的Verilog HDL語言。仿真結果表明，該種濾波方法能夠有效濾除數據采集中存在的“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編程工作，簡化了軟件之間的接目設置，減少FPGA端代碼工作量，為后續的研究提供了極大便利。在FPGA平臺的實現，也為后續設計制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。
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