一种电力机车牵引控制软件开发方法与流程

1.本发明涉及电力机车牵引控制技术领域，尤其是一种电力机车牵引控制软件开发方法及系统。


背景技术：

2.在轨道列车领域，电力机车已经取代蒸汽机车、内燃机车得到广泛应用，并通过走引进、消化、吸收与自主研发并行的道路，在关键技术上取得重大成果，完成从直流传动到交流传动方式的转换。随着交流传动电力机车的不断应用与发展，除了对电力机车牵引控制软件的可靠性的要求外，对其开发效率、可复用性要求也越来越高。电力机车的牵引控制系统逻辑功能复杂，耦合性强，这就要求在产品设计伊始，要对牵引控制软件进行充分的架构设计，明确划分逻辑功能，提高软件开发效率。另外，采用传统的手写代码的开发方式，易引入人为因素造成的风险，软件的维护较为困难。
3.现有的电力机车牵引控制软件开发方式一般采用如下两种方法：
4.1、现有技术一的技术方案
5.传统的电力机车牵引控制软件开发方式，指的是设计师在指定的编程语言和编程环境要求下手动编写代码，也是目前电力机车牵引控制软件的主要开发方式。该开发方法具有以下特点：1)对人员能力要求高，要求技术人员具有很强的代码编写能力以及集成开发环境的使用能力；2)合作开发效率低，由于每个人的逻辑、代码风格不同，多人合作开发会引入很多困难，导致开发效率低；
6.3)维护困难，代码缺乏直观性，维护中的问题定位较难，需要投入的时间成本和人力成本高；4)管理困难，编码规范难以统一、落实，导致管理难度大。
7.2、现有技术二的技术方案
8.软件架构划分。在规范的软件开发过程中，设计之初要先进行软件架构划分，良好的软件架构划分可以提高软件开发效率、增强软件可复用性。无架构设计的开发过程只注重当前功能的实现，而忽视用于产品线和长生命周期系统的软件架构设计，具有以下风险：一方面，当软件开发过程中遇到原始需求变更、功能增减等情况，设计方无法快速响应需求，从而影响开发进度；另一方面，当需要做产品更新或者软件功能复用时，无法清晰地分离出功能块及其接口，导致软件可复用性差。


技术实现要素：

9.本发明提出了一种电力机车牵引控制软件开发方法，用于解决现有电力机车牵引控制软件开发方法中软件开发难度高、软件开发效率低以及软件的可复用性弱的问题。
10.本发明采用的技术手段如下：
11.一种电力机车牵引控制软件开发方法，包括以下步骤：
12.步骤1、将电力机车牵引控制软件模块划分成四象限控制软件模块和逆变器控制软件模块；
13.将所述四象限控制软件模块划分成用于对四象限控制系统状态进行实时监控和故障识别、记录和保护的四象限控制逻辑模型、用于对直流侧中间电压稳定控制和对网侧电流控制的四象限控制算法模型以及用于实现四象限控制软件模块与四象限dsp板卡数据传输的四象限控制硬件驱动模型；
14.将所述逆变器控制软件模块划分成用于对逆变器系统状态进行实时监控和故障识别、记录和保护的逆变器控制逻辑模型、用于对电机转矩和转速的有效控制的逆变器控制算法模型以及用于实现逆变器控制软件模块与逆变器dsp板卡数据传输逆变器控制硬件驱动模型；
15.步骤2、通过stateflow依次构建所述四象限控制逻辑模型和所述逆变器控制逻辑模型，通过simulink依次构建所述四象限控制算法模型和所述逆变器控制算法模型，通过s-function依次调用四象限控制硬件驱动模型和逆变器控制硬件驱动模型；
16.步骤3、通过embeded coder工具将所述四象限控制逻辑模型、四象限控制算法模型、四象限控制硬件驱动模型、逆变器控制逻辑模型、逆变器控制算法模型以及逆变器控制硬件驱动模型自动生成嵌入式c代码形成控制软件。
17.进一步地，所述四象限控制逻辑模型包括四象限初始化状态单元、四象限自检状态单元、四象限预充电状态单元、四象限运行状态单元、四象限故障状态单元、四象限停机状态单元以及四象限跳弓状态单元。
18.进一步地，所述四象限控制算法模型包括电流环控制单元、电压环控制单元以及锁相环控制单元。
19.进一步地，逆变器控制逻辑模型包括逆变器初始化状态单元、逆变器启动状态单元、逆变器故障状态单元以及逆变器停止状态单元。
20.进一步地，所述逆变器控制算法模型包括电机特性单元、转子磁链观测单元、相角控制单元、矢量控制单元以及调制单元。
21.进一步地，所述四象限控制硬件驱动模型与所述逆变器控制硬件驱动模型相同，包括gpio单元、adc单元、epwm单元、ecap单元、sci单元、spi单元、can单元以及emif单元。
22.与现有技术比较，本发明公开的电力机车牵引控制软件开发方法具有以下有益效果：本发明公开的电力机车牵引控制软件的开发方法，在电力机车牵引控制软件的开发阶段，通过细颗粒度的软件架构划分四象限控制软件模块和逆变器控制软件模块并对这两个模块进一步细化分，清晰地分离出牵引控制软件的功能模块、接口参数、交互方式，并通过相应的工具进行建模，通过基于模型的设计方式，可实现多人协作开发，代码自动生成，从而降低软件开发难度，提高效率，可增强软件的可复用性和可维护性等优点。
附图说明
23.图1为本发明公开的电力机车牵引控制软件开发方法的流程图；
24.图2为用于本发明的电力机车牵引控制软件开发方法的牵引控制软件架构划分；
25.图3为本发明中四象限控制逻辑模型的结构框图；
26.图4为本发明中四象限控制算法模型的结构框图；
27.图5为本发明中逆变器控制逻辑的结构框图；
28.图6为本发明中逆变器控制算法的结构框图。
具体实施方式
29.如图1所示为本发明公开的电力机车牵引控制软件开发方法，包括以下步骤：
30.步骤1、根据电力机车需求说明书，将电力机车牵引控制软件模块划分成四象限控制软件模块和逆变器控制软件模块；
31.将所述四象限控制软件模块划分成用于对四象限控制系统状态进行实时监控和故障识别与保护的四象限控制逻辑模型、用于对直流侧中间电压稳定控制和对网侧电流控制的四象限控制算法模型以及用于实现四象限控制软件模块与四象限dsp板卡数据传输的四象限控制硬件驱动模型；
32.将所述逆变器控制软件模块划分成用于对逆变器系统状态进行实时监控和故障识别与保护的逆变器控制逻辑模型、用于对电机转矩和转速的有效控制的逆变器控制算法模型以及用于实现逆变器控制软件模块与逆变器dsp板卡数据传输逆变器控制硬件驱动模型；
33.步骤2、通过stateflow依次构建所述四象限控制逻辑模型和所述逆变器控制逻辑模型，通过simulink依次构建所述四象限控制算法模型和所述逆变器控制算法模型，通过s-function依次调用四象限控制硬件驱动模型和逆变器控制硬件驱动模型；
34.步骤3、通过embeded coder工具将所述四象限控制逻辑模型、四象限控制算法模型、四象限控制硬件驱动模型、逆变器控制逻辑模型、逆变器控制算法模型以及逆变器控制硬件驱动模型自动生成嵌入式c代码形成控制软件。
35.具体地，如图2所示，根据电力机车需求说明书，将电力机车牵引控制软件模块划分成四象限控制软件模块和逆变器控制软件模块两部分，每一部分又再细分为逻辑模型、算法模型、硬件驱动模型，即将所述四象限控制软件模块划分成用于对四象限控制系统状态进行实时监控和故障识别与保护的四象限控制逻辑模型、用于对直流侧中间电压稳定控制和对网侧电流控制的四象限控制算法模型以及用于实现四象限控制软件模块与四象限dsp板卡数据传输的四象限控制硬件驱动模型；
36.将所述逆变器控制软件模块划分成用于对逆变器系统状态进行实时监控和故障识别与保护的逆变器控制逻辑模型、用于对电机转矩和转速的有效控制的逆变器控制算法模型以及用于实现逆变器控制软件模块与逆变器dsp板卡数据传输逆变器控制硬件驱动模型；
37.其中，如图3所示，所述四象限控制逻辑模型包括四象限初始化状态单元、四象限自检状态单元、四象限预充电状态单元、四象限运行状态单元、四象限故障状态单元、四象限停机状态单元以及四象限跳弓状态单元。四象限控制逻辑模型中，输入信号为电路中的电压、电流信号，输出信号为控制指令。按照正常的工作流程，首先进入初始化状态，对软件中用到的接口、通信、故障位等进行初始化操作；然后进入自检状态，检查系统可能出现的故障，若没有故障，进入下一状态；预充电状态下，可控制完成中间电压的建立，然后进入系统运行状态。上述的每一状态下都需要实时监测故障位，判断故障类型，若出现故障，则发送故障代码，并按照故障类型进入故障状态或者停止状态。
38.如图4所示，所述四象限控制算法模型包括电流环控制单元、电压环控制单元以及锁相环控制单元。四象限变流器控制算法模型主要是保证直流侧的电压输出指标。
39.电压环控制单元为外环闭环控制，直流母线电压反馈跟踪直流电压给定值，经过
电压环控制单元，保持四象限直流母线电压稳定。输出的电流信号作为电流环控制单元的输入信号的幅值。
40.为了保证控制单元的单位功率因数，采用锁相环取得网侧电压信号的角度，电压环控制单元输出的电流信号与锁相环控制单元输出的角度相结合组成电流环的给定输入信号。
41.电流环控制单元为内环闭环控制，网侧电流反馈跟踪电流给定值，再经过电流环控制单元，实现高精度控制网侧电流。输出的电压控制信号控制epwm模块产生脉冲，控制四象限整流器产生稳定直流输出。
42.上述过程中，直流母线电压反馈信号与网侧电流反馈信号通过电压、电流传感器采集，并通过dsp板卡的adc处理作为控制算法的输入信号。
43.其中，如图5所示，逆变器控制逻辑模型包括逆变器初始化状态单元、逆变器启动状态单元、逆变器故障状态单元以及逆变器停止状态单元。逆变器的逻辑控制与四象限的逻辑控制大同小异，实时监控逆变器部分系统状态，包括逆变器初始化状态单元、逆变器启动状态单元、逆变器故障状态单元、逆变器停止状态单元。故障检测过程的输入值为电流、电压、电机转速、温度等信号，通过系统判断，输出报故障、停机、重启等操作指令。
44.其中，如图6所示，所述逆变器控制算法模型包括电机特性单元、转子磁链观测单元、相角控制单元、矢量控制单元以及调制单元。具体地，逆变器控制算法模型是以牵引电机为控制对象，对电机的牵引力和速度等进行调节，以满足车辆牵引和制动特性的需要。逆变器控制算法采用直接矢量控制与间接矢量控制相结合的控制策略，兼具二者优势，具有动态响应快、鲁棒性强的特点。逆变器控制算法模型主要包括电机特性单元、转子磁链观测单元、相角控制单元、矢量控制单元以及调制单元。
45.电机特性单元输入信号为电机实际转速，根据电机特性，输出不同转速下的给定磁链；
46.转子磁链观测单元采用的是直接矢量控制策略，通过输入经坐标变换电流、实际转速，观测出实际磁链，传给矢量控制模块做磁链的闭环控制，以保证磁链幅值准确；
47.相角控制单元采用的是间接矢量控制策略，通过给定转矩、给定磁链、实际转速可计算出同步角速度，将积分后得到的角度传输到矢量控制模块，作为旋转变换的输入信号之一。
48.矢量控制单元为逆变器控制算法的核心，输入信号为给定转矩，以及上述模块传递来的给定磁链、实际磁链、同步角度等信号，在同步旋转坐标系中进行矢量控制，输出电压信号，传给调制模块。
49.调制单元通过有效的调制算法，控制输出脉冲信号，从而控制逆变器产生交流电驱动交流电机。
50.其中，所述四象限控制硬件驱动模型与所述逆变器控制硬件驱动模型相同，包括gpio单元、adc单元、epwm单元、ecap单元、sci单元、spi单元、can单元以及emif单元，用于实现软件与硬件的交互通道与交互方式。
51.按照以上方式对电力机车牵引控制软件进行模型架构划分后，可以由不同的设计师进行具体功能模块的建模设计，然后，利用matlab建模工具的特点，选用matlab建模工具中的stateflow进行四象限控制逻辑模型和所述逆变器控制逻辑模型构建，选用simulink
进行四象限控制算法模型和所述逆变器控制算法模型构建，通过s-function依次调用四象限控制硬件驱动模型和逆变器控制硬件驱动模型，硬件驱动模型是通过s-function调用已有的底层代码，并封装为模型的方式实现。
52.在matlab建模工具中建立相应模块后，通过embeded coder工具将建立的所述四象限控制逻辑模型、四象限控制算法模型、四象限控制硬件驱动模型、逆变器控制逻辑模型、逆变器控制算法模型以及逆变器控制硬件驱动模型进行编译自动生成嵌入式c代码形成控制软件。然后将生成的控制软件自动下载到四象限与逆变器对应的dsp板卡中。
53.将下载在dsp板卡中的牵引控制软件的应用。四象限dsp板卡与逆变器dsp板卡之间采用can通信方式实现信号发送与接收。dsp板卡接收由被控对象中采集来的电压、电流、速度等信号，通过软件处理产生相应的控制指令，发送到被控对象，实现对目标的控制。
54.本发明公开的电力机车牵引控制软件的开发方法，在电力机车牵引控制软件的开发阶段，通过细颗粒度的软件架构划分，清晰地分离出牵引控制软件的功能模块、接口参数、交互方式，然后指导后续软件开发设计，可增强软件的可复用性、提高软件的开发效率；通过基于模型的设计方式，可实现多人协作开发，代码自动生成，从而降低软件开发难度，提高效率。
55.同时，控制软件模型设计完成后，通过代码自动生成技术，自动生成嵌入式代码并下载到对应的dsp板卡中，实现模型到代码的一键式生成与部署。载有牵引控制软件的四象限dsp板卡与逆变器dsp板卡与被控对象之间通过控制信号与反馈信号的交互，实现对中间回路电压稳定控制、电机状态和电机速度的有效控制、故障的快速检测与快速保护等功能。
56.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。