基于DSP28335的矿用电机车微机防滑制动系统

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　　摘  要： 为了更好地提高矿用电机车在较高速度下的工作效率和安全性，在矿用电机车微机防滑制动系统的基础上，以DSP TMS320F28335为核心对矿用电机车防滑制动系统的硬件和软件分模块设计，该设计可以更好地防止电机车产生滑行，加快了系统检测速度，可达到实时监控的目的。采用滑模变结构控制算法，在Matlab/Simulink中进行仿真，仿真结果表明，采用滑模变结构控制算法的矿用电机车防滑制動系统具有更好的制动效果。
　　关键词： 矿用电机车; 微机防滑控制系统; DSP28335; 实时监控; 电子控制单元; 滑模变结构
　　中图分类号： TN99?34; TD744                     文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）07?0118?03
　　Research on microcomputer anti?skid braking system for mine electric
　　locomotive based on DSP28335
　　SHI Xiaojuan， ZHANG Xiude， QI Biao
　　（College of Mechanical Engineering， Xi’an University of Science and Technology， Xi’an 710054， China）
　　Abstract： On the basis of the microcomputer anti?skid braking system of mine electric locomotive， modular designs for the hardware and software of anti?skid braking system of mine electric locomotive are respectively conducted with DSP TMS320F28335 as the core to better improve the working efficiency and safety when the mine electric locomotive works at high speed. The designed system can better prevent the electric locomotive from sliding， speed up the system detection， and realize the real?time monitoring. The sliding mode variable structure control algorithm is used to simulate the proposed system in Matlab/Simulink. The simulation results show that the mine electric locomotive anti?skid braking system with the sliding mode variable structure control algorithm has a better braking effect.
　　Keywords： mine electric locomotive; microcomputer anti?skid braking system; DSP28335; real?time monitoring; electronic control unit; sliding mode variable structure
　　0  引  言
　　矿用电机车在煤炭、材料、设备和人员的长距离运输方面发挥着重要的作用，它能牵引矿车或人车组成的列车。为防止矿用电机车在运行过程中出现撞车、追尾及掉道撞人等运行事故，保证电机车的运行安全，必须使其具备可靠的防滑制动系统。因此，对矿用电机车防滑制动系统的研究尤为重要。随着微计算技术的飞速发展，诞生了微机防滑制动系统。该防滑制动系统可以检测和控制机车在运行过程中的制动、滑行及再粘着控制等动作。为了加快系统检测速度，达到实时监控的目的，本文以DSP TMS320F28335处理器为核心，对矿用电机车微机防滑制动系统进行研究。
　　1  防滑控制系统的基本原理和结构
　　矿用电机车是有轨电机车，和其他机车一样，利用轮轨间的粘着来制动。粘着力影响制动效果，防滑的依据就是粘着力的大小。理想的粘着系数和滑移率曲线关系表明，当滑移率在20%附近，粘着系数最大，此时制动效率最高[1]。
　　防滑制动系统主要由传感器、防滑制动系统电子控制单元（电控单元）、防滑制动系统执行单元（防滑排风阀）组成[2]，如图1所示。在粘着制动时，防滑制动系统首先通过速度传感器对车轮的行驶速度进行采集、处理，然后将结果送给防滑制动系统的电子控制单元。电控制单元根据事先设定的公式计算出机车车轮的速度和机车是否滑行的判据（如速度差等），根据计算得到的结果电子控制单元对机车的行驶状态做出判断，然后发出控制指令使排风阀做出相应的动作，阻止机车滑行。制动结束后机车恢复正常行驶，电控单元会重新判断和处理，以保证机车正常行驶。
　　2  防滑制动系统硬件设计
　　矿用电机车的微机防滑制动系统是以电子控制单元（ECU）为核心的微机控制系统。其主要工作是完成信号的输入、处理和输出、实时控制、故障诊断和故障处理等。由输入单元传感器、中央处理单元DSP和执行单元防滑排风阀组成，包括信号采集电路、防滑排风阀控制电路、故障检测电路、电源等[3]。 　　2.1  DSP最小系统设计
　　本文选用以DSP28335最小系统为控制核心，其中，包含DSP28335芯片、电源、时钟、复位电路和JTAG仿真接口等。
　　2.2  信号输入模块
　　车轮轮速、车身加速度和车身重力是矿用电机车防滑控制系统的主要输入信号，电控单元根据这些信号做出正确判断。轮速信号由轮速传感器获取，是防滑制动系统基础输入信号。机车的速度不能直接得到，对轮速传感器获取的轮速信号采用特定的计算方法进行估算，得到的参考速度即为机车速度。常见的计算方法有：最大輪速法、斜率法和峰值连线法[4?5]。其中，光电式传感器、电磁感应式传感器和霍尔效应式传感器是目前常用的轮速传感器。在防滑制动系统中加速度也是一个重要的参数，不能直接获取，而是通过一定的算法得到参考加速度，用参考加速度判断路面粘着状态。相关实验表明，轴重会影响轮轨间的粘着[6]，本文采用压力传感器实现对机车载荷的测量。ECU在采集信号后，会做出相应的处理和不同的判断，输出不同的控制信号以控制防滑排风阀相应动作。
　　1） 车轮转速信号的输入
　　转速信号是矿用电机车防滑制动系统中最基础的输入信号，安装在车轮上的轮速传感器根据车轮转速输出交流信号，然后经过放大调理输入DSP。DSP28335需要采集的信号为低频信号，而轮速传感器输出的信号中包含有高频干扰信号，所以，首先要过滤高频干扰信号。其设计电路如图2所示。在图2中，[R7]和[C12]构成初级滤波器，LM324是放大器，[R8]和[C11]组成次级虑波器，LM339是电压比较器。本文设计第一步是通过RC振荡电路即低通滤波器过滤掉高于15 Hz以上的高频信号，这里[R7]为2 kΩ，[C12]为30 μF。然后基于LM324，二级滤波器采用RC震荡电路的形式获取频率为10 Hz左右的信号。[R8]取1 kΩ，则[C11]取0.1 μF。LM339的比较电压选择2.5 V，[R24]和[R25]阻值应相等，取值为10 kΩ。[R22]作为上拉电阻取值为5.1 kΩ，[R23]是反馈电阻取值为27 kΩ。
　　2） 加速度信号的输入
　　加速度是矿用电机车防滑制动系统中重要的控制参数，其准确性对防滑控制有很大的影响。本文设计的电机车平动加速度是通过常用的加速度传感器水银触点开关测量，传感器在安装时与电机车的前进方向保持一致。机车正常行驶状态下，水银触点开关为闭合状态，当机车开始制动且制动减速度超过限定值后，传感器内的水银位置发生变化，水银触点开关断开，输出信号发生变化。本文设计中的加速度传感器输出信号需要经过光电隔离然后输入DSP，DSP处理后作为控制系统的判断依据之一。隔离器件选用光电耦合器TLP521?1作为隔离器件，不仅可以提高输入回路的抗干扰能力，而且可以避免输入回路直接耦合造成的干扰，其内部封装的发光器件和光敏器件分别是发光二极管和光敏三极管。
　　3） 载重信号的输入
　　我国相关实验表明，轴载重不仅会影响轮轨间的粘着力，而且对滑移率的影响也较大[7]。本设计选取启力生产的桥式传感器作为压力传感器完成对机车载荷的测量，其输出信号为模拟信号，所以需要信号放大和模数转换。选择AD620AR放大器对输入信号进行成比例放大，是因为其具有低成本、高精度、低失调电压和低失调漂移的特性。经过放大调理后的压力信号输入DSP，DSP28335内部有16路12位A/D转换器，其模拟电压输入范围为0～3 V。
　　2.3  控制输出模块
　　在机车制动过程中，DSP输出的控制信号控制电磁阀实现防滑排风阀的增压、保压、减压等相关动作。防滑排风阀的阀门电磁铁可以分别看作制动电磁阀和缓解电磁阀，相互配合完成相关动作。
　　DSP与电磁阀之间的接口电路必须满足电压隔离功能和信息传递功能。本文设计选择光电耦合器KPC357NT，输出驱动电路如图3所示。DSP控制信号由GPIOA0口输出，[R18]，[R19]为限流电阻。当DSPGPIOA0口输出低电平时，光电耦合器发光元件发出光线，光敏元件导通，场效应管左端被拉高，输出端导通，电磁阀得电。
　　3  防滑控制系统控制算法和软件设计
　　3.1  防滑控制系统软件设计
　　本文设计的矿用电机车防滑制动软件包括防滑制动主程序和中断服务程序部分，程序框图如图4所示。其中，防滑制动主程序主要采集传感器信号，进行计算处理，实时判断并发出控制指令控制电磁阀做出相关动作。中断服务程序的作用是定时产生中断，中断产生时进入防滑制动主程序。
　　3.2  控制算法的设计和仿真
　　目前常用的机车防滑制动系统控制算法主要有最优控制、逻辑门限制控制、模糊控制、PID 控制及滑模变结构控制等[8?9]。本文选取滑移率[10]为主要的控制参数，使用滑模变结构作为机车防滑制动系统的控制方法。在研究电机车防滑制动系统时，为了简化问题，本文采用单轮模型（矿用电机车一般有两个轮对），并忽略空气阻力。
　　用Matlab/Simulink进行仿真，所选矿用电机车仿真参数为：机车质量[M]为6 t;车轮半径[R]为0.3 m;车轮质量为20 kg;趋近率为0.3;制动速度[V]为10 m/s;重力加速度[g]为9.8 m/s2 。仿真结果如图5所示，图5a）为矿用电机车速度的仿真结果，其中，实线表示机车车身速度，虚线表示机车车轮速度。
　　机车速度和车轮速度设定初始速度为10 m/s，当机车开始制动，轮速和车速都迅速减小，但轮速减小速度比车速减小的速度快，且在制动过程中车轮的速度始终小于机车速度，直到制动结束，车速为0。在制动开始后滑移率在短时间内达到预期值0.2，此时制动力矩最大，所以，机车尽量控制滑移率在0.2附近。
　　仿真结果显示，在制动过程中车速和轮速一直保持一定的差距，可以使滑移率更快地到达且更接近预期值，且能得到更大一点的制动力矩。
　　4  结  语
　　本文设计了一种以DSP28335数字处理器为核心的矿用电机微机防滑制动系统，并对该系统分模块进行设计。在电机车防滑制动系统的原理基础上，根据其需要实现的功能，设计了微机防滑制动系统的硬件电路。
　　选用滑模变结构控制方法对电机车防滑制动系统进行设计，并用Matlab/Simulink进行仿真。结果表明，制动开始后滑移率在短时间内到达预期值0.2，且尽量保持在0.2，能够使制动力矩更大，缩短制动距离。
　　参考文献
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