基于單片機的快速貨車(chē)電子防滑器設計

　　防滑控制是保障鐵道車(chē)輛制動(dòng)安全，提高制動(dòng)效率的有效手段。特別是隨著(zhù)貨運速度的提高，一旦發(fā)生滑行，可能造成更大的危害，因此，我國的快速貨車(chē)上應考慮安裝防滑裝置[1]。齊車(chē)裝備有限公司和眉山車(chē)輛有限公司在研發(fā)的快速貨車(chē)的樣機上，安裝了機械式防滑器來(lái)解決輪對滑行問(wèn)題。然而機械式防滑器存在靈敏度低、性能不穩定、不能實(shí)時(shí)監測粘著(zhù)狀態(tài)、調節制動(dòng)壓力的缺點(diǎn)[1]，且機械式防滑器中關(guān)鍵的敏感元件經(jīng)長(cháng)期使用易磨損，導致其性能逐漸下降。電子防滑器利用計算機控制技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測車(chē)軸滑行狀態(tài)，調整制動(dòng)缸壓力以防止車(chē)軸打滑，且能根據多滑移判據判斷車(chē)軸是否滑行，具有更高的準確性，在鐵道客車(chē)、動(dòng)車(chē)組等機車(chē)車(chē)輛上得到廣泛運用。

　　在快速貨車(chē)上使用電子防滑器需解決電源問(wèn)題。西南交通大學(xué)已設計出一種可懸掛于車(chē)體底部的風(fēng)力供電裝置[2]。本文在此基礎上對貨車(chē)采用電子防滑器方案進(jìn)行相應研究，提出了一種基于數字信號處理器（DSP-TMS320F2812）控制的防滑控制器，以模糊控制為算法，實(shí)現車(chē)軸的滑行檢測和防滑控制。

　　1 快速貨車(chē)電子防滑器原理

　　由于受粘著(zhù)限制，車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中容易產(chǎn)生滑行，甚至車(chē)輪擦傷。目前在我國速度超過(guò)120 km/h的鐵道機車(chē)車(chē)輛上均安裝了電子防滑器，防止車(chē)軸滑行。從原理上，快速貨車(chē)電子防滑器和客車(chē)電子防滑器其原理是一致的：防滑器通過(guò)實(shí)時(shí)采集車(chē)輛上4個(gè)車(chē)軸速度，經(jīng)比較得到車(chē)輛基準速度，進(jìn)而計算車(chē)輛滑移率和減速度等，并根據多滑移判據，判斷車(chē)軸是否打滑，從而調整制動(dòng)缸壓力，防止車(chē)輪滑行。本文設計的電子防滑器原理如圖1所示。

　　2 硬件設計

　　防滑器需要采集各車(chē)軸速信號。速度傳感器輸出信號一般是速度脈沖形式，同時(shí)經(jīng)過(guò)相應的數據處理才能完成防滑控制。較高的運算速度和數據處理能力可縮短防滑器的響應時(shí)間，提高響應準確性。本文選用了TI公司的32 bit定點(diǎn)DSP-TMS320F2812作為防滑器主機的核心控制器，其事件管理器的捕獲單元可捕捉到外部引腳的跳變，可方便用于速度傳感器信號的測量。該芯片數據處理能力達150 MIPS，集成了豐富的片上外設，既有數字信號的處理能力，又有強大的事件管理能力和嵌入式控制能力，特別適合于需要大批量數據處理的測控論域[3]。此外，完成防滑控制主要用到的模塊還包括：事件管理器（EV）的定時(shí)器單元和CPU定時(shí)器、外設中斷擴展模塊(PIE)、模數轉換模塊、SPI通信接口、看門(mén)狗、通用I/O、外部中斷接口和存儲器接口等。

　　為了減少系統輸入、輸出與核心控制單元之間的信號干擾且便于維護，防滑器硬件采用如圖1所示的模塊化設計，分為信號調理模塊、核心控制單元和驅動(dòng)模塊。

　　核心控制單元包含了最小系統，其包括TMS320F2812、時(shí)鐘與復位電路、電源和濾波、JTAG等。此外，電子防滑器還應包含其他必要的應用電路，如故障碼掉電存儲、顯示和清除等。本文將DSP的串行外設接口(SPI)擴展了EEPROM存儲，選用X5045作為故障碼存儲器，其存儲容量為4 KB，可進(jìn)行100萬(wàn)次擦寫(xiě)。為方便維護，本文設計了故障碼顯示功能，選用MAX7219作為兩位數碼管的顯示驅動(dòng)器，由DSP的I/O口控制。此外，利用TMS320F2812的3個(gè)外部中斷口，直接作為按鍵控制接口，用于控制故障碼的顯示和清除等操作。

　　信號調理模塊和驅動(dòng)模塊是電子防滑器的重要組成部分。速度傳感器的信號經(jīng)信號調理（光耦隔離）接到DSP的4路捕獲口，由DSP實(shí)時(shí)采集各車(chē)軸速度，計算滑移率、減速度等。防滑器根據車(chē)軸運行情況控制電磁閥驅動(dòng)電路，從而控制防滑閥充放氣、調節制動(dòng)壓力。

　　3 軟件設計

　　在明確電子防滑器功能的基礎上，系統采用了模塊化編程的思想，程序總體框圖如圖2所示。由于TMS320F2812的PIE模塊最多可支持96個(gè)中斷，為系統的模塊化編程帶來(lái)了很大的方便，增強了系統程序的可讀性。其中速度處理和滑行檢測控制是實(shí)現系統功能的關(guān)鍵模塊。

3.1 滑移率及減速度的計算
車(chē)軸前行速度v和車(chē)軸傳感器發(fā)出的脈沖頻率f成正比關(guān)系：

式中，D 為車(chē)輪直徑，Z 為車(chē)輪每轉發(fā)出的脈沖數。只要測得速度傳感器脈沖頻率即可計算各車(chē)軸速度。由于車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程速度傳感器頻率變化范圍廣，為保證在高、低頻情況下都能獲得較高的測量精度，本文選用變周期的M/T法測速，如圖3 所示。頻率測量的最大誤差為一個(gè)基準脈沖信號，其中基準脈沖的頻率(37.5 MHz)等于系統時(shí)鐘頻率除以分頻系數。所以只要測得速度脈沖對應的基準脈沖個(gè)數即可計算速度脈沖的頻率。捕獲CAP1，2 腳時(shí)基為定時(shí)器1， 設定計數周期為1 ms； 捕獲CAP5，6 腳時(shí)基為定時(shí)器3，計數周期為1 ms。開(kāi)啟定時(shí)器周期中斷和捕獲中斷，N 個(gè)速度脈沖對應的基準脈沖個(gè)數：