[发明专利]高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台

权利要求书

1.一种高速列车牵引传动控制系统实时故障仿真平台，所述高速列车牵引传动控制系统包括牵引变压器、牵引变流器、牵引电机、传感器、牵引传动控制单元TCU，其特征在于，实时故障仿真平台包括实时仿真器、故障注入单元FIU、实物牵引传动控制单元TCU、实时数据采集与监控单元；所述实时仿真器包括PC-dSPACE与实时仿真软件，用于牵引传动控制系统中各部件正常模型与故障模型的仿真，以及实时仿真监控；所述故障注入单元FIU包括虚拟与实物两个部分，用于在信号层面实现对牵引传动控制系统中的各部件各类故障的故障注入和电平转换；所述实物牵引传动控制单元TCU用于实现反馈信号解算，控制信号PWM的产生，以及对牵引传动控制系统的保护功能；所述实时数据采集与监控单元，用于实时仿真状态监控，以及对整个平台的数据监测、存储控制、历史数据查看；

其中，所述故障注入单元FIU的实物部分和虚拟部分都包括由上位机软件完成并可下载至PC-dSPACE的工作负载与故障库，且实物部分和虚拟部分还分别包括：

在所述故障注入单元FIU的虚拟部分中，包括：RTI的故障注入命令接口，由上位机软件完成并可下载至PC-dSPACE的故障注入控制器和信号调理模块，且在部件模型中的各信号进行故障注入时不需要对输入输出信号进行电平转换；

在所述故障注入单元FIU的实物部分中，包括：以太网接口的故障注入命令接口，由实物电路组成的故障注入控制器、信号调理模块、输入输出接口和电平转换模块，用于在物理层实现故障注入；

其中，所述故障注入单元FIU的实物部分连接在实物TCU与PC-dSPACE之间，所述电平转换模块用于PC-dSPACE与实物TCU之间不同类型信号的电平转换；所述PC-dSPACE中包括DS1007 CPU板、DS5203 FPGA板、DS4004数字I/O板、DS2103多通道高精度的D/A板，用于牵引传动控制系统中各部件正常模型与故障模型的仿真；其中，DS1007与DS5203组成一个仿真单元，同时进行数学模型的并行实时解算；虚拟FIU在DS1007中进行计算，通过对正常信号调理产生故障注入信号，模型计算所需要的参数与故障注入信号由PHS总线进行传输；

根据系统中实时性和运算精度要求，将实时性与运算精度要求高的牵引电机模型电气部分和逆变器模型下载至DS5203 FPGA中进行仿真；将实时性与运算精度要求相对低的牵引电机模型机械部分与牵引变压器模型下载至DS1007 CPU板卡中进行仿真，将变流器整体都放入DS5203 FPGA进行仿真；

所述故障注入命令接口用于接收上位机的故障注入命令，同时上传故障注入单元当前的工作状态；

所述工作负载与故障库包含牵引传动控制系统中的牵引变流器、牵引电机、传感器和牵引控制器各类故障注入/模拟基准，以及各部件正常模型与故障类型实时仿真参数；所述的牵引变流器故障注入基准所提供的故障类型包括功率器件和无源元件的失效故障和电气外特性衰退现象；所述的牵引电机故障注入基准所提供的故障类型包括转子断条故障、定子匝间短路故障、气隙偏心故障和端环断裂故障；所述的传感器故障注入基准所提供的故障类型包括电压、电流和速度传感器的偏差、漂移、冲击、精度下降、周期性干扰、增益、开路、短路、卡死和非线性死区故障；所述的牵引控制器故障注入基准所提供的故障类型包括模拟信号I/O模块、数字信号I/O模块和存储模块的错误逻辑状态/硬损伤；

所述故障注入控制器根据上位机故障注入控制指令，加载工作负载与故障库，确定故障仿真参数；控制开关选择外部故障信号f_e或内部故障信号f_i；若选择内部故障信号，则控制产生内部故障信号f_i，生成特定故障信号f(·)；控制是否叠加噪声N_s；

所述信号调理模块将生成的特定故障信号f(·)与注入点处的注入前正常信号X_o进行信号调理，生成故障注入信号X_f；具体地：

步骤1：根据用户需要，将所生成的特定故障信号f(·)与注入点处的注入前正常信号X_o进行信号叠加或信号相乘运算，生成中间故障注入信号为：

X_f1＝X₀+f(·) (1)

或者：

X_f2＝X₀*f(·) (2)

步骤2：将正常信号X_o、特定故障信号f(·)以及中间故障注入信号X_f1,X_f2，进行逻辑运算，选择所需的故障注入信号X′_f：

X′_f＝sel{X₀,f(·),X_f1,X_f2} (3)

式中sel{}表示在X_o、f(·)、X_f1和X_f2中选择任一所需的故障注入信号X′_f作为信号调理的输出；

步骤3：确定生成的故障注入信号X′_f是否需要叠加噪声，并生成故障注入信号X_f作为最终输出：

X_f＝X′_f+(N_s) (4)

式中+(N_s)表示可根据实际情况和用户需要，选择是否叠加噪声信号Ns；

所述故障注入单元FIU虚拟形式，与部件模型一起，下载至实时仿真器的DS1007 CPU板卡中，实现牵引传动控制系统中各部件各类故障的故障注入/模拟；

所述故障注入单元FIU实物形式，在外部信号层面实现对牵引传动控制系统中各部件各类故障的故障注入/模拟，并完成TCU与PC-dSPACE之间不同类型信号之间的电平转换。