受电弓主动控制实验装置的实现及其控制策略的研究

摘要

我国现处于铁路高速化电气化的建设浪潮之中，高速电力列车成为发展主流。车载受电弓从接触网上滑动取流来获取列车运行的动力，良好的弓网关系是列车稳定运行的重要条件。然而，随着电力列车运行速度的不断提高，弓网之间的机械振动越来越剧烈。如果振动幅度过大则会出现弓网离线现象。离线会中断对列车的供电而造成列车运行不稳定，同时往往伴随着弓网离线电弧产生，电弧会对受电弓滑板和接触线产生严重烧蚀，进而加速接触网和受电弓滑板的磨耗。电弧也是强电磁场干扰源会对电弧周围通信设备产生无线电信号干扰，严重时还会造成弓网故障引起列车停运，造成巨大的经济损失更甚者会产生安全事故。如何提高弓网受流质量成为了国内外高速铁路弓网关系的研究热点之一。
　　本文从受电弓主动控制的角度出发，对抑制弓网电弧的产生、改善弓网接触压力、进而提高弓网受流质量进行了深入的研究。希望能对我国高速铁路的发展提供参考。
　　本文分析研究的主要内容有:
　　首先，分析了接触网、受电弓的动力学特性及国内外一些主动控制式受电弓的实验室模拟平台，设计并制作了新的弓网关系实验平台。该接触网模拟装置可以实现受电弓与接触网直线柔性滑动接触。
　　其次，基于DSP及PID控制原理设计主动控制系统来实现对弓网间的接触力进行主动控制。该控制系统包括数据采集部分、DSP控制器以及受电弓模拟装置电气驱动装置。数据采集部分包含传感器采集原始信号和调理电路;DSP控制器部分包括DSP芯片的外围硬件电路、AD转换电路、数字滤波算法、PID控制软件算法以及控制信号的输出转换电路。受电弓模拟装置电气驱动装置主要是步进电机的驱动器以及电机过流保护电路的设计。
　　最后，对本套设备进行了调试，实验室结果表明，采用主动控制受电弓大大改善了弓网间的受流质量，降低了弓网间接触压力的波动幅值。本套实验平台及控制算法为进一步研究电力列车的主动控制式受电弓打下了良好的基础。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 高速铁路的发展

1．1．1 国外高速铁路的发展

1．1．2 我国高速铁路的发展

1．2 受电弓主动控制研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文的主要研究方法及工作

2 弓网关系实验模拟装置设计

2．1 弓网关系模拟平台总体介绍

2．1．1 国外弓网模拟平台简介

2．1．2 国内弓网模拟平台简介

2．2 本实验室弓网模拟平台设计

2．2．1 高速铁路弓网系统简介

2．2．2 实验平台设计方案

2．3 实验平台机电部分设计

2．3．1 接触网模拟部分

2．3．2 主动控制受电弓模拟部分

2．3．3 负载电气主回路

3 实验平台硬件电路设计

3．1 控制系统核心部分

3．1．1 TMS320F2812芯片简介

3．1．2 TMS320F2812相关硬件电路

3．2 压力信号采集电路设计

3．2．1 压力传感器工作原理

3．2．2 压力信号调理电路设计

3．2．3 采集电路实验验证

3．2．4 AD转换保护及校正电路设计

3．3 步进电机简介

3．3．1 步进电机分类

3．3．2 步进电机的数学模型

3．3．3 混合式步进电机的驱动方式

3．4 步进电机的驱动电路设计

3．4．1 细分驱动器

3．4．2 控制信号电平转换电路的设计

3．4．3 控制系统实物框图及验证

3．4．4 过流保护电路的设计

4 PID控制策略及软件设计

4．1 PID控制的基本原理

4．1．1 PID控制系统组成

4．1．2 PID各环节作用

4．2 数字PID控制

4．2．1 位置型PID控制

4．2．2 增量型PID控制

4．3 系统PID控制器设计

4．4 控制系统程序设计

4．4．1 主程序流程图

4．4．2 AD转换模块程序的设计

4．4．3 PID控制程序的设计

4．4．4 串行通讯程序的设计

4．4．5 过电流保护程序的设计

5 系统调试及分析

5．1 实验平台理想接触压力值的确定

5．2 受电弓模拟装置升降实验

5．3 受电弓模拟装置主动控制实验

5．4 调试中遇到的问题

6 结论

参考文献

作者简历

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