陳啟武，吳新春

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031)

陳啟武，吳新春

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031)

摘要:針對目前鐵路快捷貨車制動防滑效率不高的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種以STM32F103為控制核心的電子防滑器。該防滑器通過采集車軸的速度信號來檢測車輪的滑行狀態(tài)，及時控制防滑閥以調(diào)整制動缸壓力，防止車輪繼續(xù)打滑。詳細(xì)介紹了電子防滑器的工作原理以及硬件組成。系統(tǒng)軟件采用模糊控制算法，分析了速度測量和滑行控制的判定方法。與傳統(tǒng)的機械式防滑控制器相比，提高了速度與防滑判據(jù)的運算速度，滿足了快捷貨車防滑控制的實時性與準(zhǔn)確性要求。

關(guān)鍵詞:快捷貨車；STM32；模糊控制；防滑器；制動

引言

本文提出了一種以STM32F103(以下簡稱STM32)為防滑控制器、以模糊控制為算法的電子防滑器。

1快捷貨車電子防滑器原理

快捷貨車電子防滑器與客車防滑器的原理基本一致。貨車在制動過程中，防滑控制器通過實時采集4個車軸上速度傳感器發(fā)出的脈沖信號，計算各軸速度和輪減速度，通過比較軸速獲得整車速度，以計算滑移率。再將計算結(jié)果與多滑行判據(jù)進(jìn)行比較，一旦檢測到某軸發(fā)生滑行，即控制該軸防滑電磁閥充放氣、調(diào)節(jié)制動缸壓力，防止車輪繼續(xù)滑行?？旖葚涇囯娮臃阑鞯脑韴D如圖1所示。

圖1　快捷貨車電子防滑器原理圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

綜合快捷貨車電子防滑器的功能需求和使用環(huán)境等情況，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)，系統(tǒng)硬件采用如圖2所示的模塊化設(shè)計，主要分為電源模塊、STM32主控模塊、速度信號采集與調(diào)理模塊、防滑閥驅(qū)動模塊、故障檢測模塊以及故障存儲與顯示模塊。

圖2　快捷貨車電子防滑器硬件總體方案

各部分功能原理如下：

(1) 電源模塊

為了使防滑控制器穩(wěn)定可靠地工作，一個性能優(yōu)質(zhì)的電源是十分必要的。防滑控制器的外部電源使用的是車軸動能供電裝置[1]，該裝置內(nèi)部經(jīng)過電源管理后可輸出48 V的DC，給防滑控制器各個模塊供電。由于系統(tǒng)用電元件主要有 DC+12 V 、DC+5 V和 DC+3.3 V 三種不同的供電電壓，故需要在主控板上進(jìn)行DC/DC電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計。本文采用了LM317、MC7805和 ASM1117-3.3三種電源芯片，先由LM317 將 48 V電壓轉(zhuǎn)換為12 V，再由MC7805將12 V轉(zhuǎn)換為5 V，最后由ASM1117-3.3將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V。在電源和地之間需配置去耦電容，以消除電源線上引入的高頻干擾。

(2) STM32主控模塊

為提高防滑器的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性，在主控芯片選型上要求具有較高的運算速度與數(shù)據(jù)處理能力。本設(shè)計方案的主控制器選用的是ST公司推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器STM32F103，利用其通用定時器的捕獲/比較通道可捕捉到外部引腳電平的跳變，可方便用于速度信號的測量。此外，完成防滑控制用到的片上資源還包括：SRAM、GPIO、ADC、DMA、外部中斷接口、I2C接口和內(nèi)部看門狗等。

(3) 速度信號采集與調(diào)理模塊

速度傳感器是電子防滑器的輸入部分，主要負(fù)責(zé)采集各組輪正確的轉(zhuǎn)速以提供給防滑器主控單元STM32計算。速度傳感器采用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，其輸出信號為與轉(zhuǎn)速成正比的方波信號。利用STM32的通用定時器3的通道0～3分別采集4路傳感器的速度脈沖信號。由于霍爾式傳感器的正常工作電壓為12 V，STM32的輸入捕獲口最高只能承受3.3 V的CMOS電平。選用光路耦合器4N25可實現(xiàn)輸入(12 V)、輸出(3.3 V)信號的隔離。速度信號采集與調(diào)理電路如圖3所示。

(4) 防滑閥驅(qū)動模塊

防滑閥是快捷貨車防滑控制的執(zhí)行部件，防滑閥的動作通過控制兩個電磁閥(進(jìn)氣閥和排風(fēng)閥)來實現(xiàn)。本文選用額定工作電壓為12 V的高速電磁閥，選用體積小巧的節(jié)能降溫器Coil Cool產(chǎn)品系列的CC24060D芯片作為防滑電磁閥的驅(qū)動單元。

CC24060D可以在大功率啟動電磁閥后，自動將電磁閥的功率降低到最小，即僅滿足銜鐵保持吸附的所需的最小功率。用于驅(qū)動電磁閥的GPIO口與CC24060D芯片之間采用光耦隔離以減小系統(tǒng)干擾，防滑閥驅(qū)動電路如圖4所示。

圖3　速度信號采集與調(diào)理電路

圖4　防滑閥驅(qū)動電路

(5) 故障檢測模塊

電子防滑器除了要實現(xiàn)防滑控制外，還應(yīng)具備完善的故障檢測功能，以便在元件工作不正常時釆取必要的防護(hù)措施，故障檢測電路如圖5所示。

圖5　故障檢測電路

為節(jié)省硬件資源，采用STM32的ADC1的12路通道分別檢測防滑器的4個速度傳感器和8個防滑電磁閥的工作狀態(tài)，LM358是一種高增益、內(nèi)部頻率補償、輸出電壓擺幅大(0～1.5 V)的雙運算放大器，可保證STM32的ADC穩(wěn)定可靠工作。速度傳感器和防滑電磁閥有一個正常工作的電壓范圍，如果該電壓值超出范圍，即可認(rèn)為發(fā)生故障。當(dāng)速度傳感器開路時，AD0處電壓約12 V，ADCA0輸出高電平(約1.5 V)；當(dāng)短路時，AD0處電壓約為0 V，ADCA0輸出低電平(約為0 V)。防滑閥故障檢測同理，這里不再贅述。

(6) 故障存儲與顯示模塊

系統(tǒng)在檢測到故障的同時需要將故障碼記錄并保存下來，以便于停車檢修時維護(hù)，故障與存儲與顯示電路如圖6所示。本文采用串行CMOS EEPROM芯片AT24C16作為故障碼的存儲器，其存儲容量為16 KB，可進(jìn)行百萬次擦寫，該元件通過STM32的I2C總線接口進(jìn)行讀寫操作，設(shè)計簡單、使用方便。為方便查看故障信息，系統(tǒng)還設(shè)計了故障顯示功能，采用兩位共陰極數(shù)碼管作為顯示器，由STM32的GPIO口進(jìn)行顯示控制。此外，利用STM32的3個外部中斷引腳設(shè)計了按鍵操控模塊，以實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、故障碼顯示以及清除的功能。

圖6　故障存儲與顯示電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于防滑控制系統(tǒng)功能比較復(fù)雜，采用模塊化的程序設(shè)計方法，在明確電子防滑器功能原理的情況下，將不同功能的程序進(jìn)行模塊化設(shè)計，這樣不但可以提高系統(tǒng)的實時性，而且軟件結(jié)構(gòu)清晰，易于以后的功能擴展，設(shè)計和調(diào)試也很方便。系統(tǒng)軟件總體框圖如圖7所示。系統(tǒng)軟件主要分為兩大部分：第一部分為系統(tǒng)初始化部分，主要包括GPIO初始化、定時器初始化、ADC初始化、控制參數(shù)初始化等。第二部分為主控制程序部分，主要包括速度測量與防滑判據(jù)計算子程序、防滑控制子程序、故障檢測子程序等。整體軟件在 Keil MDK環(huán)境下采用 C語言編寫，采用ST-Link仿真器對程序進(jìn)行調(diào)試與下載。

圖7　系統(tǒng)軟件總體框圖

3.1速度測量與防滑判據(jù)計算

車輪圓周速度V與車軸速度傳感器發(fā)出的脈沖信號頻率f之間成正比關(guān)系，其關(guān)系表達(dá)式如下所示：

(1)

式中，D為車輪直徑，Z為車輪每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖個數(shù)。由式(1)可知，只要計算出脈沖信號的頻率f,即可獲得車輪圓周速度V?？旖葚涇囋谥苿舆\行過程中速度變化范圍很廣(0～160 km/h)，為了保證在高、低速情況下都能滿足速度脈沖測量較高的精度要求，本文采用變周期M/T法測速，如圖8所示。

圖8中，T0為程序中設(shè)定的測速周期(一般最短為100 ms[5])，由STM32的通用定時器1設(shè)定，T0=N0t0。其中，t0為定時器1基準(zhǔn)脈沖的計數(shù)周期，N0為定時器1預(yù)裝載計數(shù)值。定時器3作為4個軸速捕獲單元的時基，計數(shù)周期為1 ms。開啟定時器的周期中斷和捕獲中斷，在測量中斷處理程序中，進(jìn)行速度和減速度等值的計算。設(shè)某個測速時區(qū)內(nèi)第一個速度脈沖捕獲時的基準(zhǔn)脈沖計數(shù)值為N11，最后一個速度脈沖捕獲時對應(yīng)的基準(zhǔn)脈沖數(shù)為N12， 本次中斷捕獲到的速度脈沖數(shù)為n1，則輪速度V1的計算公式如下所示：

(2)

圖8　變周期M/T法測速原理

式中，f0為定時器1基準(zhǔn)脈沖的頻率(系統(tǒng)時鐘頻率72 MHz除以分頻系數(shù)2等于36 MHz)。

同理，在下一個相鄰的定時器中斷計算出V2：

(3)

則相鄰2 個測速時區(qū)內(nèi)速度V1、V2之間的時間間隔Δt為：

(4)

其中， N12=N21， 則減速度α為：

(5)

在測速中斷處理程序中計算出4個軸的輪速度和減速度后，取4個軸中輪速度Vi(i=1,2,3,4)的最大值作為整車速度Vref，整車速度與各輪速度的差值即為各軸的速度差ΔVi(i=1,2,3,4)，則各軸滑移率λi(i=1,2,3,4)為：

(6)

3.2滑行檢測和模糊控制

防滑控制功能任務(wù)是軟件設(shè)計的核心部分，主要實現(xiàn)滑行檢測和模糊控制。防滑器在實際控制過程中需要不停地檢測每個車輪的運行狀態(tài)，以判斷車輪是否打滑，并控制防滑閥做相應(yīng)的動作。防滑閥控制制動缸壓力的動作是通過電磁閥的勵磁來執(zhí)行的，即控制防滑閥的是開關(guān)量。因此需要控制防滑閥動作(正值為充氣、負(fù)值為排氣、0為保壓)的時間長短來控制制動缸的壓力。設(shè)定車輪滑行檢測的周期為100 ms，防滑控制周期為10 ms[6-8]。利用STM32的通用定時器3的定時中斷，可實現(xiàn)車輪滑行狀態(tài)的定時檢測和防滑閥的定時控制。

為了獲得較為理想的防滑控制效果，本文采用模糊控制算法進(jìn)行防滑控制。首先選取滑移率E和減速度EC為防滑判據(jù)，進(jìn)行二維模糊控制器的設(shè)計，并運用MATLAB/Simulink仿真工具搭建快捷貨車的制動防滑模型進(jìn)行仿真驗證。仿真結(jié)果表明采用模糊控制時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強、調(diào)節(jié)時間短、響應(yīng)速度快且具有較強的魯棒性，具體仿真設(shè)計工作非本文重點，這里不再展開討論。

模糊控制程序首先需要對論域設(shè)置與定義：滑移率的基本論域為[0,0.26]，模糊論域為[0，6]，量化因子為KE=6/0.26=23；減速度的基本論域為[-4，4]，模糊論域為[-6，6]，量化因子為KEC=6/4=1.5，制動缸壓力的調(diào)整量為最終輸出變量，范圍設(shè)定在[-100%，+100%]，模糊論域為[-6，+6]，其量化因子為KOP=1/6?；袡z測和模糊控制軟件流程圖略——編者注。

3.3故障檢測與存儲

故障檢測主要對防滑器的關(guān)鍵部件(如速度傳感器和防滑閥的工作狀態(tài))進(jìn)行實時檢測。設(shè)定故障檢測的周期為10 s，利用STM32的通用定時器4的定時中斷(計數(shù)周期為1 s)，可實現(xiàn)系統(tǒng)故障的定時檢測。當(dāng)故障檢測周期中斷到來時，啟動STM32的ADC和DMA功能，利用DMA1的通道1直接將ADC1的外部通道口采集的速度傳感器和防滑閥的反饋信號值讀入內(nèi)存，反饋值與儲存在內(nèi)存中的預(yù)定值相比較，在預(yù)定值范圍內(nèi)說明該附件正常，否則發(fā)生故障。如果發(fā)生故障則做出相應(yīng)控制：當(dāng)檢測到某速度傳感器發(fā)生故障時，用鄰軸正常的速度值進(jìn)行替換；當(dāng)檢測到某防滑閥功能異常時，則屏蔽其控制信號，對應(yīng)車軸實施一般的正常制動。當(dāng)速度傳感器與排風(fēng)閥出現(xiàn)故障時，需要通過AT24C16將相應(yīng)的故障代碼保存下來，以便在停車檢修的時候通過顯示操控模塊獲取、清除故障信息。故障檢測與存儲流程圖略——編者注。

結(jié)語

本文提出了一種以STM32F103為防滑控制器、以模糊控制為算法的快捷貨車電子防滑器。在軟硬件設(shè)計上，采用模塊化的設(shè)計思想，有效提高了快捷貨車防滑控制的實時性和準(zhǔn)確性，彌補了以往機械式防滑器在滑行控制動態(tài)性能上的不足，對快捷貨車制動系統(tǒng)性能的提高具有重要意義。

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陳啟武(碩士研究生)，主要研究方向為快捷貨車監(jiān)測、嵌入式系統(tǒng)；吳新春(講師)，主要研究方向為數(shù)字集成電路設(shè)計、快捷貨車監(jiān)測。

Chen Qiwu,Wu Xinchun

(School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Abstract：Aiming at the status that the fast railway wagons’skid braking efficiency is not high,a kind of electronic anti-skid device based on STM32F103 is designed.The anti-skid device detects the state of the wheel slide through the acquisition of the wheel speed signal to control the anti-skid brake cylinder and adjust the pressure,so as to avoid the wheel slippage.The working principle and the hardware of the electronic anti-skid device are introduced.The fuzzy control algorithm is used in the software and the method of velocity measurement and glide determination are analyzed.Compared with the traditional mechanical anti-slip controller,the design improves the calculating speed,which satisfies the real-time and precision requirement of anti-slip control of the fast railway wagons.

Key words:fast railway wagon;STM32;fuzzy control;anti-skid device;brake

* 基金項目：2015年鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2015ZB06)。

中圖分類號:TP368.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-12-29)