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

在快速貨車上使用電子防滑器需解決電源問題。西南交通大學已設計出一種可懸掛于車體底部的風力供電裝置[2]。本文在此基礎上對貨車采用電子防滑器方案進行相應研究，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，實現車軸的滑行檢測和防滑控制。

1快速貨車電子防滑器原理

由于受粘著限制，車輛制動過程中容易產生滑行，甚至車輪擦傷。目前在我國速度超過120km/h的鐵道機車車輛上均安裝了電子防滑器，防止車軸滑行。從原理上，快速貨車電子防滑器和客車電子防滑器其原理是一致的：防滑器通過實時采集車輛上4個車軸速度，經比較得到車輛基準速度，進而計算車輛滑移率和減速度等，并根據多滑移判據，判斷車軸是否打滑，從而調整制動缸壓力，防止車輪滑行。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軸速信號。速度傳感器輸出信號一般是速度脈沖形式，同時經過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間，提高響應準確性。本文選用了TI公司的32bit定點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150MIPS，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）的定時器單元和CPU定時器、外設中斷擴展模塊(PIE)、模數轉換模塊、SPI通信接口、看門狗、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模塊。

核心控制單元包含了最小系統，其包括TMS320F2812、時鐘與復位電路、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4KB，可進行100萬次擦寫。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器，由DSP的I/O口控制。此外，利用TMS320F2812的3個外部中斷口，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模塊是電子防滑器的重要組成部分。速度傳感器的信號經信號調理（光耦隔離）接到DSP的4路捕獲口，由DSP實時采集各車軸速度，計算滑移率、減速度等。防滑器根據車軸運行情況控制電磁閥驅動電路，從而控制防滑閥充放氣、調節制動壓力。

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個中斷，為系統的模塊化編程帶來了很大的方便，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現系統功能的關鍵模塊。


3.1滑移率及減速度的計算
車軸前行速度v和車軸傳感器發出的脈沖頻率f成正比關系：

式中，D為車輪直徑，Z為車輪每轉發出的脈沖數。只要測得速度傳感器脈沖頻率即可計算各車軸速度。由于車輛制動過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基準脈沖信號，其中基準脈沖的頻率(37.5MHz)等于系統時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數即可計算速度脈沖的頻率。捕獲CAP1，2腳時基為定時器1，設定計數周期為1ms；捕獲CAP5，6腳時基為定時器3，計數周期為1ms。開啟定時器周期中斷和捕獲中斷，N個速度脈沖對應的基準脈沖個數：

速度測量的精度直接影響到控制結果，因此防滑器對速度的測量有較高的要求。本文用函數信號發生器生成脈沖信號，模擬速度傳感器速度輸出，用電子防滑器測量其頻率，以檢驗電子防滑器的速度測量精度。表1
給出了實驗結果。其中，fosc為函數信號發生器(DF1405)產生信號的頻率，vosc為車軸每轉發出200個脈沖情況下對應的速度，fDSP為防滑器測得頻率，vDSP為其對應的速度值。結果表明無論在高速或低速情況下，電子防滑器的速度測量絕對誤差不超過0.05km/h，相對誤差不超過0.05%，可滿足防滑器對速度測量精度的要求。


3.2滑行檢測和控制

本文應用模糊控制算法實現防滑控制。為提高DSP運算效率、縮短系統響應時間，系統采用了離線查詢的方法實現模糊控制；通過MATLAB/Simulink仿真設計了二維模糊控制器；滑移率的基本論域為[0，0.25]，減速度基本論域為[-4，4]。實際控制過程中只要測得滑移率和減速度的量化值，通過查表的方法即可得到當前控制量。電子防滑器的控制輸出量為充放氣時間(0～500ms)，正值即為充氣，負值為放棄，0為保壓。
設定CPU定時器0周期中斷為5ms(即單次充放氣時間為5ms)，設定CPU定時器2中斷周期為100ms[4](即滑行狀態檢測周期)。則實際控制中，模糊控制量OP在[-50，50]內即實施保壓。

4防滑模擬試驗

為驗證防滑器控制效果，本文在實驗室進行了防滑模擬試驗，如圖4所示。試驗以LabVIEW軟件為平臺，模擬整車速度信號和打滑車軸速度信號，通過防滑器對容積室壓力的控制模擬，實現對制動缸壓力的控制。在計算機上通過LabVIEW編程讀取MATLAB/Simulink仿真得到的兩路車軸信號，控制NI公司的6008型數據采集卡生成兩路與速度成比例的電壓信號。該電壓信號經電壓頻率轉換電路，得到頻率與速度成比例的脈沖信號，速度脈沖信號經信號調理模塊的光耦隔離接到DSP的CAP腳。其中電壓頻率轉換選用了AD654芯片來實現。AD654是一款低漂移、線性度高、低成本的電壓頻率轉換芯片，只需要很少的外圍元件即可實現電壓轉換。

本試驗控制對象為容積室，其壓力由充氣閥和排氣閥控制，容積室壓力通過壓力傳感器接到數據采集卡，在計算機上通過LabVIEW編程實時顯示容積室壓力。

試驗模擬車輛在制動過程中出現車軸兩次打滑的情況，其結果如圖5所示。當防滑器檢測到車軸滑行時，實時調整容積室壓力，可防止車軸繼續滑行，在無滑行后繼續恢復容積室壓力，以保證制動力的順利實施。

防滑控制是快速貨車制動的關鍵技術之一，對保障制動安全、提高制動效率具有重要意義。本文設計的基于DSP的快速貨車電子防滑器能高精度測量車軸速度，并以模糊控制為算法，根據多滑移判據檢測車軸滑行狀態，及時調整制動缸壓力，防止車軸繼續打滑，從而保障制動安全，縮短制動距離，提高了制動效率。經模擬試驗表明，本防滑器具有響應快、實時性好、準確性高等特點。