列车传动控制单元并行自动测试系统设计

贾勇

株洲中车时代电气股份有限公司 湖南 株洲 412000

引言

随着中长期铁路规划的进一步落地，国内外铁路运行里程逐年增加，轨道交通车辆的需求量同步提升。列车交流传动系统作为轨道车辆的动力核心，内部关键部件传动控制单元（TCU）更是有着牵引变流器的“大脑”之称。列车TCU的可靠性直接影响列车的运行状况与行车安全，因此其生产过程中，需要全面的功能测试以保证硬件功能的正常。但功能测试往往受TCU自身硬件设计、仪器资源和人员等条件的限制。

（1）列车TCU功能测试需要人员通过过渡线缆手动外接信号发生器、示波器和传感器等设备，并根据通道的信号类型需求手动切换过渡线缆，测试效率较低；

（2）测试结果由人为主观判断，漏测错测时有发生，测试质量难以保证，同时无法对过程数据进行记录与追溯；

（3）调试项点多，过程复杂，对操作人员技能要求高，不同人员测试结果存在差异性，无法保证测试一致性。

1 硬件测试需求分析

列车交流传动系统主要由受电弓、牵引变压器、牵引变流器和牵引电机组成，牵引变流器内部包括整流器、中间直流环节、逆变器、牵引电机、传动控制单元（TCU）和辅助逆变器等设备，TCU承担牵引变流器的逻辑控制和对外通信功能。

牵引系统与TCU相关联的功能模块拓扑如图1所示，TCU与列车网络系统通过硬线连接的形式，接收司控台发来的控制命令，列车网络系统类似于人体中枢系统，利用MVB或以太网通信的方式，实时传递行车指令。同时TCU会将牵引系统相关的控制参数、故障信息反馈给列车网络系统，进而传递至司控台。

图1 TCU机箱逻辑功能结构框图

列车TCU逻辑控制功能由内部的SMC主控插件承担，通过背板总线与其他各功能模块分别实现变流器逻辑控制、系统保护功能、辅助逆变器控制、四象限整流控制、逆变控制和粘着利用控制。为了快速实现TCU机箱的硬件功能测试，测试系统需模拟实现TCU机箱正常工作时所需的外部环境，即各类型的输入输出信号。

列车TCU正常工作时，实时接收变流器内其他部件和传感器发送的信号，内部功能模块同步将信号反馈至变流器。通过对TCU接收与反馈的信号进行统计分析，测试系统应能提供包括温度信号、电压电流信号、速度信号、网压信号及数字IO信号在内的多种信号。同时各信号需考虑多通道输出，避免人为换线和最大化兼容机动轨平台TCU测试需求。

2 整体方案设计

基于列车TCU的硬件测试需求分析，设计一种基于虚拟仪器的自动化硬件测试系统。测试系统包含模拟牵引变流器部件和传感器输入至TCU的信号源，以及TCU对外的输出信号检测模块。系统内部模块化构成如图2所示。

由于TCU机箱硬件测试时，信号需求种类及通道较多，无法为每种类型的信号入出通道配备单独的信号源或信号检测模块，其成本较大，采用基于PXI通信的可编程矩阵实现信号源的分时复用，测试过程中根据需要自动完成通道切换[1]。

每种类型信号所需的信号源配备双路，从而实现通道间并行测试。使用海量互联方案结合模块化设计思想，将信号源及开关通过导线连接到系统对外接口，对外接口适配器（ITA）执行功能分区。测试时只需选择对应产品过渡线束，便能实现测试系统与被测TCU之间的信号交互。

图2 自动测试系统整体方案设计图

2.1 硬件方案设计

由于TCU机箱对于信号质量要求较高，输入出信号精度应小于2%，因此测试系统采用模块化仪器作为信号源，以满足高精度要求。工控机作为系统控制的核心，通过GPIB方式与测试仪器通信，控制仪器和PXI模块的开关、参数调节和输出。

测试系统内部硬件包括被测TCU供电电源、数字IO信号电源、波形检测示波器及模拟外部传感器信号的电压/电流信号源、信号发生器等仪器，各仪器的信号输出通过PXI机箱内部的开关和矩阵完成，同时PXI机箱还包含控制卡、数字万用表卡、电阻卡、数字IO卡，控制卡实现PXI机箱与工控机之间的通信，从而控制PXI机箱内插件的输出和开关动作，万用表卡实现电压、电流、电阻等信号的测量，电阻卡提供四线制温度传感器模拟信号，数字IO卡用于指示灯控制、过渡线束的编码及配地址功能[2]。

PXI矩阵模块信号路由方式连接如图3所示，将测试系统内部仪器的输入和输出接口连接至矩阵的列端口，每种仪器信号接入双通道，作为系统的固定资源路由。此种连接方式的路由数可最大化取决于矩阵的列数，避免了接入行端口时，资源路由数仅能连接3路信号源或信号检测模块，为行端口数的一半，同时双路资源可实现并行测试。

图3 PXI矩阵输入输出信号路由示意

2.2 软件方案设计

测试上软件采用LabVIEW图形化语言进行开发，配置仪器及PXI硬件平台编程控件，程序开发方便，可快速实现信号的调节、输出和采集。

单通道波形采集时，被测品TCU输出使能脉冲等信号时，经适配限线缆进入自动测试系统能够对外ITA接口，矩阵路由器示波器采集通道。程序依次完成仪器初始化、矩阵模块的连接、矩阵通道点位闭合、示波器通道选择和参数设置后即可开始信号的采集，并且软件可自动判断被测信号的参数是否满足功能要求，测试通过后分别断开矩阵连接、关闭示波器，并设置信号接口，便于复用。

电压/电流信号采集、模拟温度信号输出和速度信号输出、数字信号输出的程序设计与波形采集相似。并行测试时，基于软件时钟进行触发，同步开启双通道资源初始化及参数配置[3]。

底层程序VI设计完成后，使用NI Test Stand软件开发VI管理程序，Test Stand软件内置LabVIEW API接口，可快速调用已编制好的VI，使用工具自带编辑器创建全过程测试序列main sequence。根据被测TCU的功能特点，将每个功能模块的测试打包为单独的子序列，子序列仅需完成单一信号类型的并行测试，不同通道之间的测试切换只需调节矩阵模块的闭合点位即可，避免了仪器间的相互切换及参数调节。

VI程序的输入参数可以在子序列的每个步骤中进行设置，并且输出参数支持预设限值，当输出参数满足限值时，执行结果为pass，否则为fail。

每个功能模块分别输出不同的子序列后，由main sequence快速调用，从而实现被测TCU的全功能测试，并输出一个完整的.sequence文件。执行被测TCU批量功能测试时，测试完成后根据输入序列号生成对应测试报告，报告不仅包含每个VI的结果数据，还支持测试时间，周期等过程数据的记录，最终上传至专用服务器或数据库中，用作数据分析及历史数据追溯。被试TCU批量测试软件流程如图4所示[4]。

图4 TCU批量测试程序流程图

3 结束语

列车传动控制单元自动测试系统已广泛应用于机动轨平台8轴HXD1车型、350KM复兴号、广州地铁18号线等项目T列车传动控制单元功能测试，解决了TCU功能测试的瓶颈问题[5]。

采用基于GPIB通信的仪器互连，借助PXI矩阵模块的进行通道切换，通过分时复用和并行测试方式，提升了测试仪器的资源利用率；上位机软件可自动完成测试信号输出、采集及处理，实时记录过程测试数据并上传至服务器，实现产品质量数据追溯；模块化软件设计，保证程序开发效率，节约人力成本，提升列车TCU的硬件测试效率和测试一致性，保证了产品质量。