Размещено на http://www.allbest.ru

1. Описание структуры и принципа действия устройства

На рис. 1 представлена структурная схема устройства управления подвижным составом с асинхронными тяговыми двигателями, обеспечивающего предупреждение боксования и юза. Толстыми линиями выделены блоки, входящие в состав проектируемого устройства.

Рисунок 1. Структурная схема устройства защиты от боксования и юза

Устройство управления тяговым приводом локомотива с асинхронными двигателями 1 (изображен только один двигатель), питаемыми от источника напряжения 2 через статический преобразователь 3 (включающий выпрямитель В, фильтр Ld-Cф и автономный инвертор напряжения АИН), содержит датчик 4 скорости вращения двигателя, датчик скорости локомотива 5, блок вычисления скорости скольжения 6, фильтр 7, блок сравнения и логики 8, блок деления 9, блок определения абсолютной величины 10, регулятор частоты 11, контроллер машиниста 12, датчик температуры 13, регулятор напряжения 14, блок коррекции напряжения в функции модуля относительной средней скорости скольжения 15. Выходы блоков 11 и 15 соединены с системой управления преобразователем 16, вырабатывающей сигналы управления автономным инвертором напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). К выходу блока 10 может быть также подключен блок сравнения 17, соединенный с управляющим входом песочницы 18.

Устройство реализуется как микропроцессорное и работает следующим образом. Скорость локомотива Vп вычисляется блоком 5, выполненным на основе микропроцессора с использованием системы глобального позиционирования (GPS). В блоке 6 выполняется приведение скорости вращения двигателя к линейной скорости колеса Vк и вычисление скорости скольжения колеса:

Vск = Vк Vп,

где Vск - скорость скольжения колеса, км/ч; Vк и Vп - линейные скорости колеса и локомотива соответственно, км/ч.

Сигнал с датчика скорости колеса подается на блок 7, вычисляющий среднюю скорость колеса. Далее в блоке деления 9 вычисляется относительная средняя скорость скольжения колеса, причем для скорости локомотива Vп1км/ч:

,

а в диапазоне скоростей 0 Vп1км/ч:

,

где Vск.ср.отн. - относительная средняя скорость скольжения колеса.

Из расчетных формул и видно, что при вычислении Vск.ср.отн для скоростей локомотива меньших 1 км/ч принимается Vп=1 км/ч. Это позволяет производить расчет Vск.ср.отн при трогании с места, когда скорость локомотива равна нулю или близка к нулю. Проверка условия Vп1км/ч и выбор расчетного выражения для блока 9 производится в блоке сравнения и логики 8.

В блоке 10 определяется модуль относительной средней скорости скольжения |Vск.ср.отн.|, используемый далее в блоке 15 для коррекции сигнала амплитуды напряжения, вычисляемой регулятором напряжения 14. Регулятор напряжения 14 может вычислять амплитуду напряжения, исходя из условия постоянства потокосцепления статора в статическом режиме, с учетом текущего значения частоты, определяемого регулятором частоты 11, абсолютного скольжения, задаваемого контроллером машиниста 12 и температуры обмоток, фиксируемой датчиком 13, или, в простейшем случае, по закону Костенко:

,

где U1 и U1ном - требуемое и номинальное значение амплитуды фазного напряжения соответственно, В; f1 и f1ном - текущее и номинальное значение частоты фазного напряжения соответственно, Гц; М и Мном - текущее и номинальное значение вращающего момента двигателя соответственно, Нм.

В блоке 15 выполняется коррекция сигнала амплитуды напряжения с учетом модуля относительной средней скорости скольжения по формуле:

,

где U1кор - сигнал амплитуды напряжения, скорректированный с учетом модуля относительной средней скорости скольжения, В; k - коэффициент пропорциональности.

Далее сигнал U1кор подается на блок 16 системы управления инвертором.

Частота f1 питающего двигатель напряжения (для обеспечения естественной жесткости характеристик асинхронного двигателя в случае срыва сцепления) вычисляется регулятором частоты 11 не по скорости вращения ротора двигателя, а по скорости локомотива, измеряемой датчиком 5:

f1=fпf2,

где fп - частота, соответствующая скорости локомотива, приведенной к ротору двигателя, Гц; f2 - частота абсолютного скольжения (знак «+» относится к тяговому, а знак «» - к тормозному режимам асинхронной машины), Гц.

Частота fп вычисляется по сигналу линейной скорости локомотива, поступающему в блок 11 с блока 5.

Частота абсолютного скольжения f2 задается контроллером машиниста 12 и поддерживается при пуске и торможении постоянной для соответствующего положения контроллера. От величины f2 зависит задание на пусковой (тормозной) момент двигателя и запас по сцеплению в нормальном режиме.

Таким образом, в блоке 15 осуществляется непрерывная коррекция амплитуды питающего асинхронные двигатели напряжения в функции модуля относительной средней скорости скольжения колеса колесной пары Vск.ср.отнво всех режимах движения. Причем, значение амплитуды питающего напряжения U1, вычисленное регулятором напряжения 14, при достижении определенного значения ограничивается на заданном уровне. Например, остается равным номинальному, а фактическое значение сигнала амплитуды питающего напряжения U1кор всегда оказывается скорректированным на величину . То есть, предлагаемое устройство управления постоянно следит за модулем относительной средней скорости скольжения колеса и соответствующим образом изменяет сигнал амплитуды напряжения двигателей, подавляя избыточное скольжение колес и фрикционные автоколебания.

Если к одному статическому преобразователю напряжения подключен не один, а параллельно несколько двигателей, вращающих каждый свою колесную пару, то в режиме тяги управление ведется по колесной паре с наибольшей, а в режиме торможения - с наименьшей линейной скоростью.

Чтобы избежать снижения силы тяги при ухудшении условий сцепления, помимо воздействия на блок 16 управления возможна подсыпка песка под колеса: блок 17 при срабатывании включает электропневматический клапан песочницы 18 и обеспечивает кратковременную автоматическую подсыпку песка (в течение 0,6-1,1 с) под буксующую ось в начальный момент возникновения боксования. Обнаружение начального момента боксования производится в блоке сравнения 17 по величине |Vск.ср.отн.|, исходя из условия |Vск.ср.отн.| 0,1 (что соответствует 10% от скорости локомотива).

В нормальных режимах Vск минимально, и при использовании предлагаемого устройства управления в электроприводе имеется лишь небольшой дополнительный запас по сцеплению, обусловленный величиной . Но при ухудшении условий сцепления скольжение колес возрастает, и система реагирует, снижая напряжение и подавляя избыточное скольжение колес, боксование и автоколебания.

По блок-схеме определим составные части устройства защиты от боксования и юза.

Устройство должно содержать:

1. Датчик линейной скорости локомотива (5).

2. Датчик скорости вращения колесной пары (4).

3. Блок вычисления скорости скольжения (6).

4. Фильтр (7).

5. Блок сравнения и логики (8).

6. Блок деления (9).

7. Блок определения абсолютной величины (10).

2. Датчик измерения линейной скорости локомотива

Существует целый ряд способов определения линейной скорости поезда:

- применение бегунковых колесных пар;

- с помощью коротковолнового радара;

- с использованием эффекта Доплера;

- средствами системы глобального позиционирования и др.

Как показывает опыт наиболее точным и перспективным является в данном случае способ измерения скорости посредствам приема сигналов со спутников систем GPS (США) и «Глонас» (Россия).

Был проанализирован целый ряд микросхем и модулей различных фирм-производителей для решения задачи приема и обработки сигналов со спутников. Информация бралась с сайтов производителей, анализ решений производился с использованием отраслевых журналов: GPS World (США), Galileo's World (США), Professional Surveyor (США), GIM International (Голландия).

Выбор был сделан в пользу платы GPS-приемника фирмы Ublox RCB-LJ GPS Receiver Board.

RCB-LJ - это высоконадежный GPS-приемник, реализованный на плате для использования с активной антенной. Приемник собран на микросхеме TIM-LF той же фирмы, имеет два последовательных порта (уровни напряжения совместимы с ТТЛ), широкий диапазон питающего напряжения от 3,15 до 5,25 В. RCB-LJ обладает системными ресурсами для использования программного обеспечения. Большие возможности и гибкая настройка делает эффективным использование приемника в системе защиты.

Современная технология ANTARIS, разработанная совместно фирмами Ublox и Atmel обеспечивает высокоточные навигационные данные даже при ограниченном небосводе, например в горах и коньенах, а так же реализует высокую чувствительность и способна принимать слабый сигнал без потери точности измерения. Блок-диаграмма приемника приведена на рис. 2.

Рисунок 2. Блок-диаграмма GPS-приемника

Плата изготовлена для промышленного применения с возможностью легкой адаптации под конкретное промышленное устройство. Имеет рабочий диапазон температур -40…85С.

RCB-LJ имеет два последовательных порта и поддерживает следующие протоколы передачи данных:

- UBX Binary Protocol UBX Proprietary Protocol

- NMEA Protocol NMEA Protocol

- RTCM Protocol RTCM Protocol

Протокол UBX Binary отличается компактностью, использует для передачи восьми битный бинарный код с защитой в виде контрольной суммы, содержит двойной идентификатор сообщения (идентификатор класса и идентификатор сообщения).

UBX Binary пакет имеет структуру, изображенную на рис. 3.

Рисунок 3. Структура бинарного пакета

Рассмотрим алгоритм формирования контрольной суммы. Контрольная сумма подсчитывается, начиная с поля класса до конца пакета, исключая поля значений контрольной суммы, как показано на рис. 4.

Рисунок 4. Подсчет контрольной суммы

Алгоритм подсчета контрольной суммы - это 8-битный алгоритм Флечера, который используется в стандарте TCP. Алгоритм приведен ниже:

CK_A = 0, CK_B = 0

For(I=0;I<N;I++)

{

CK_A = CK_A + Buffer[I]

CK_B = CK_B + CK_A

}

Buffer [N] содержит данные, по которым подсчитывается контрольная сумма. CK_A и CK_B - 8-битные переменные.

Рисунок 5 иллюстрирует структуру сообщения протоколa NMEA.

Рисунок 5. Структура пакета протокола NMEA

Протокол RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services) используется для обеспечения GPS-приемника данными о дифференциальных поправках в реальном времени (DGPS).

GPS-ресивер может использоваться только совместно с активной антенной. Характеристики антенны приводятся в технической документации на плату ресивера. Если GPS - ресивер включен, он постоянно контролирует уровень напряжения на клеммах питания антенны и в случае короткого замыкания способен немедленно выключить питание. Ресивер также контролирует обрыв в цепи питания антенны посредством измерения тока. Протоколы UBX и NMEA имеют специальные сообщения о состоянии питания активной антенны. Подключение антенны схематично показано на рис. 6.

процессорный микроконтроллер боксование поезд



Рисунок 6. Подключение антенны к приемнику

Для использования в устройстве была выбрана антенна полностью совместимая с данной платой ресивера: ANN-Active GPS Antenna фирмы U-blox. Антенна работает в диапазоне питающего напряжения 3 - 5 В, легко интегрируется в устройство, имеет компактный размер, оснащена коаксиальным кабелем, длиной 5м. ANN имеет встроенный низко шумящий усилитель, который применяется в промышленном диапазоне температур -40…+85С.

3. Датчик скорости вращения колесной пары

В качестве датчика скорости вращения колесной пары применяем датчик угла поворота универсальный ДПС-У, устанавливаемый на оси колесной пары как показано на листе ДПС-У-10 графической части проекта.

Датчик ДПС-У применяется в составе локомотивной аппаратуры, соответствует промышленным требованиям по условиям окружающей среды и механическим нагрузкам. Он преобразует угол поворота оси колесной пары в пропорциональное количество импульсов.

Частота вращения колес подсчитывается по количеству световых импульсов проходящих через прорези подвижной части в единицу времени. Датчик разработан специально для использования на железнодорожном транспорте, имеет промышленный диапазон рабочих температур и удовлетворяет всем требованиям безопасности на транспорте.

Преобразование угла поворота в количество импульсов происходит в результате модуляции оптического потока, излучаемого светодиодом.

Диск-модулятор вращается синхронно с колесной парой. Фототранзистор, находится на одной оси со светодиодом, преобразует оптический поток в электрический сигнал.

При подаче напряжения питания на датчик светодиод будет постоянно излучать световой поток в инфракрасном диапазоне. Фототранзистор будет принимать его только тогда, когда щель диска войдет в область диаграммы направленности фототранзистора. Таким образом, при вращении диска на коллекторе фототранзистора будет формироваться импульсная последовательность с количеством импульсов за один оборот диска, равным количеству его щелей.

Так как световой поток, падающий на фототранзистор, из-за широких диаграмм направленности светового потока светодиода и фототранзистора при вращении диска изменяется плавно, то и импульсы получаются колоколообразной формы.

Для получения импульсной последовательности со стабильными во времени длительностями импульса и периода служит формирователь фронтов импульсов, состоящий из транзисторного ключевого каскада и компаратора.

С выхода компаратора импульсная последовательность поступает на формирователь сигналов, который состоит из двух транзисторных ключевых каскадов. Последний каскад выполнен по схеме «открытый коллектор». Формирователь обеспечивает при открытом состоянии выходного транзистора пропускание через него тока величиной 150 мА, а при закрытом состоянии - подачу на него напряжения 18-30 В.

Технические параметры датчика:

- максимальная угловая скорость вращения оси модулятора датчика не более 2122 об/мин. Связь оси модулятора с осью колесной пары локомотива осуществляется без редуктора;

- направление вращения модулятора датчика произвольное;

- количество каналов датчика - два;

- угол поворота оси модулятора датчика, соответствующий N периодам импульсов датчика, (8,57N3);

- угол поворота оси модулятора датчика, соответствующий длительности импульса датчика, (4,281,2);

- длительность фронта и спада импульсов датчика при отсутствии реактивных элементов в линиях связи должна быть не более 20 мкс;

- количество импульсов за один оборот оси модулятора датчика - 42;

- падение напряжения на открытом ключе каждого канала датчика при токе (10020) мА, протекающим через ключ, не более 1,3 В.

4. Реализация микропроцессорной системы

Функции блоков 6, 7, 8, 9, 10, а также взаимодействие с датчиками и формирование выходных сигналов выполняет микроконтроллер.

Микроконтроллер должен удовлетворять следующим основным требованиям:

- обеспечивать необходимое быстродействие системы;

- иметь достаточный объем ПЗУ и ОЗУ;

- иметь аппаратную поддержку UART;

- для преобразования аналогового сигнала с датчика скорости колесной пары иметь встроенный АЦП.

Согласно предъявленным требованиям, был выбран микроконтроллер фирмы Silicon Laboratories С8051F352, с системой команд совместимой с МК-51.

Основные характеристики контроллера приводятся ниже:

1. Высокоскоростное 8051-совместимое ядро (до 25 MГц).

2. Встроенный 16-битный АЦП, с программируемым предварительным усилителем и аналоговым мультиплексором.

3. Программируемый прецизионный 50 MГц резонатор.

4. 8 килобайт встроенной Flash-памяти.

5. 256 байт ОЗУ.

6. Аппаратная поддержка UART.

7. ТТЛ - совместимые порты ввода-вывода.

8. Функция Watchdog - таймера.

9. Три 16-битных таймера.

10. Встроенные монитор питающего напряжения VDD, датчик температуры, функцию сброса при включении.

Микроконтроллер питается от источника напряжения 2,7-3,6 В. Пригоден для использования в промышленном диапазоне температур -40…+85С. Порты ввода-вывода воспринимают входящие сигналы уровнем 5 В. C8051F352 выполнен в корпусе 32-Pin LQFP Package. Функциональная схема микроконтроллера приведена на рис. 7.

Рисунок 7. Функциональная схема микроконтроллера

Первый этап работы контроллера - инициализация. В ходе нее выполняется настройка прерываний, задается скорость работы по последовательному каналу, сброс флагов.

Следующий этап - настройка навигатора. Прежде чем GPS-приемник RCB-LJ начнет выдавать навигационную информацию он должен быть настроен, поскольку по умолчанию навигатор не выдает никакой информации. Для получения данных о скорости необходимо дать запрос на ее периодическое получение.

Данные от навигатора поступают в микроконтроллер по прерыванию от последовательного канала. Данные записываются в отведенную для них область ОЗУ, а затем проверяется целостность пакета по следующим признакам:

- верный идентификатор начала пакета;

- верная длина пакета;

- верный идентификатор конца пакета;

- верная контрольная сумма.

Данные о скорости поступают в стандартном формате с плавающей точкой (мантисса - порядок) ANSI/IEEE Standart 754-1985 в виде 32 бит. Если данные о скорости верны (пакет прошел проверку на целостность), они преобразуются в двухбайтное число. Приведение мантиссы к дробному числу принято называть нормализацией. Полученное число соответствует текущей линейной скорости, формат в данном случае определяется программистом: первый байт - целая часть, второй байт дробная часть. Веса дробных двоичных разрядов определяются по формуле:

,

где n- двоичный разряд.

Для примера веса первых 3-х разрядов сведены в таблицу 1:

n	p
1	0.5
2	0.25
3	0.125

При этом скорость определяется с точностью до сотых долей м/с.

Сигнал с датчика скорости колеса обрабатывается следующим образом. По внешнему прерыванию (по уровню) запускается таймер-счетчик, который подсчитывает число машинных циклов за период действия импульса с датчика скорости. Исходя из этого по формуле рассчитывается текущее значение скорости поезда в км/ч.

, км/ч

где D - средний за время эксплуатации колесной пары диаметр бандажа (применяется равным 0,85), м; 84 - число импульсов за период обращения оси модулятора; Tc - продолжительность импульса, мкс

Полученное число сохраняется в стеке для последующего вычисления усредненного значения скорости колесной пары.

5. Выбор элементов схемы питания

Для обеспечения питания активных элементов схемы и внешних устройств используется схема питания.

Согласно техническому заданию напряжение питание собственных нужд тепловоза переменное и равно 110В 10%. Для питания датчика скорости это напряжение с помощью AC/DC - конвертора TML05124 фирмы Traco Power мощностью 5Вт преобразуется в постоянное 24В 2%.

Далее с помощью DC/DC преобразователей DSP022403 и DSP022405 получаем 3,3 В и 5 В соответственно для питания контроллера и платы навигатора.

6. Разработка конструкции устройства

Выбор пассивных элементов схемы.

В качестве малоемкостных конденсаторов выбираем керамические конденсаторы КM6, имеющие следующие параметры: ряд Е24, допуски 5%, 10%, 20%; допустимая температура в диапазоне _60…125°С; допустимая относительная влажность при температуре +35°С до 98.

В качестве оксидных выбираем импортные электролитические конденсаторы ECR-серии фирмы Hitano, имеющх следующие параметры: допуск 20%; допустимая температура в диапазоне -40…+85°С; допустимая относительная влажность при температуре +35°С до 98%; ток утечки, после 3 мин при нормальном напряжении не более 0.01CV - 3 мкА.

В качестве кварцевых резонаторов выбираем РК420 и РК422.

В качестве соединительных элементов используем однорядные разъемы и вилку разъема питания.

Они имеют следующие эксплутационные параметры:

- диапазон рабочих температур -40°С...+105°С;

- предельный ток 1А;

- предельное напряжение 500 В в течении 1 мин;

- сопротивление контактов не более 0.2 Ом.

Разработка печатных плат.

Все элементы схемы предполагается разместить на одной печатной плате, не считая платы навигатора, которая является отдельным промышленным изделием.

Максимальная плотность тока, протекающего через печатные проводники составляет j=20 А/мм2. Толщина покрытого слоем припоя проводника составляет h=0,5 мм. Тогда ширина проводника вычисляется по формуле:



Примем ширину проводников питания и земли с запасом. Ширина проводников - 1 мм. Для слаботочных проводников принимаем ширину не менее 0,5 мм.

В качестве материала для печатных плат выбираем стеклотекстолит теплостойкий, фольгированный, травящийся, марки СТФ-2 ТУ16-503.161-83, код ОПК 22 9613 3300 толщиной 2 мм, толщина фольги 50 мкм. Данный материал предназначен для изготовления обычных и многослойных печатных плат методом металлизации сквозных отверстий или другими методами.

Разводка печатной платы осуществлена при помощи программы ACCEL EDA.

Для соединения элементов с проводниками печатной платы выбираем припой оловянно-свинцовый ПОС-61 ГОСТ21931-76, предназначенный для лужения и пайки тонких проводов и спиральных пружин в измерительных приборах, монтажных соединений обмоточных проводов диаметром 0,05…0,08 мм и литцендрата, резисторов, конденсаторов, герметичных швов стеклянных проходных изоляторов, печатных схем и при производстве полупроводниковых приборов, т.е. там, где не допускается перегрев.

Для защиты печатной платы по выбираем эпоксидный электроизоляционный покрывной лак ЭП-9114 ОСТ6-10.429-79, код ОПК 23 1132 2700, предназначенный для защиты печатных узлов, эксплуатируемых при температуре -60…+125°С. Время высыхания при температуре 60°С составляет 8 ч.

При подготовке микросхем к монтажу на печатные платы (операции рихтовки, формовки и обрезки выводов) выводы подвергаются растяжению, изгибу и сжатию. Поэтому при выполнении операций по формовке необходимо следить, чтобы растягивающее усилие было минимальным. В зависимости от сечения выводов микросхем оно не должно превышать определенных значений (например, для сечения выводов от 0,1 до 2 мм2 не более 0,245…19,6 Н).

Формовка выводов прямоугольного поперечного сечения должна производится с радиусом изгиба не менее удвоенной толщины вывода, а выводов круглого сечения с радиусом изгиба не менее двух диаметров вывода. Участок вывода на расстоянии 1мм от тела корпуса не должен подвергаться изгибающим и крутящим деформациям. Обрезка незадействованных выводов микросхем допускается на расстоянии 1 мм от тела корпуса.

В процессе операций формовки и обрезки не допускаются сколы и насечки стекла и керамики в местах заделки выводов в тело корпуса и деформация корпуса.

Основным способом соединения микросхем с печатными платами является пайка выводов, обеспечивающая достаточно надежное механическое крепление и электрическое соединение выводов микросхем с проводниками платы.

Для получения качественных паяных соединений производят лужение выводов корпуса микросхемы припоями и флюсами тех же марок, что и при пайке. При замене микросхем в процессе настройки и эксплуатации РЭА производят пайку различными паяльниками с предельной температурой припоя 250С, предельным временем пайки не более 2 с и минимальным расстоянием от тела корпуса до границы припоя по длине вывода 1,3 мм. Качество операции лужения должно определяться следующими признаками:

- минимальная длина участка лужения по длине вывода от его торца должна быть не менее 0,6 мм, причем, допускается наличие «сосулек» на концах выводов микросхем;

- равномерное покрытие припоем выводов;

- отсутствие перемычек между выводами.

Необходимо поддерживать и периодически контролировать (через 1…2 ч) температуру жала паяльника с погрешностью не хуже ±5С. Кроме того должен быть обеспечен контроль времени контактирования выводов микросхем с жалом паяльника, а также контроль расстояния от тела корпуса до границы припоя по длине выводов. Жало паяльника должно быть заземлено (переходное сопротивление заземления не более 5 Ом).

Выбор конструкции устройства.

Конструктивно устройство представляет собой плату, предназначенную для монтирования внутри кузова тепловоза, на которой крепятся соединительные разъемы для внешних устройств. Платы навигатора и антенна крепятся отдельно. Датчик скорости колеса устанавливается на оси колесной пары и крепится восьмью болтами. Крепление основной платы и платы ресивера производится к вертикальной плоскости посредством 4 болтов.

Размещено на Allbest.ru

...