摘 要

有学者提出，列车轮轨间的扭振是曲线钢轨波磨的可能成因之一，但目前相关的理论研究和实验分析都还不够充分。波磨的存在严重影响了列车运行的平稳性和乘客出行时的舒适度，严重时甚至会威胁行车安全。研究波磨的具体成因并采取针对性措施减少波磨的产生对于铁路运行具有十分重要的意义。双轮实验台便是用来研究扭振与波磨之间相互关系的工具。

本课题的设计源自指导老师的研究项目，在实验台上增加了单片机控制系统，使实验台成为了功能完善的机电一体化产品，能够完成相关的实验操作。通过分析实验台所应实现的系统功能，设计出手动与自动相结合的反馈式机电控制系统。本文首先对控制系统功能进行设计，然后将系统划分为不同的功能模块分别进行硬件电路和软件程序的设计，最后对所设计的系统功能进行仿真测试。

本次设计中使用Proteus软件进行硬件电路原理图的设计，使用Keil Vision4进行软件程序的设计，并利用Proteus和Keil联合调试的方法对控制系统进行仿真测试，从而证明双轮实验台机电控制系统的可行性。

关键词：双轮实验台；机电控制；速度控制；温度控制；联合调试

ABSTRACT

Some scholars proposed that the torsional vibration between train wheel and rail may be one of the possible causes of corrugation of the curved rail while the relevant theoretical researches and experimental analyses are regrettably not enough. The existence of rail corrugation seriously destroy the stability of train operation and at the same time decrease the cosiness of passengers, or even worse it may threaten the road safety. It is of great significance for railway operation to study the specific causes of rail corrugation and then take measures to reduce it. The double disc test rig is used to research the relationship between torsional vibration and rail corrugation.

This subject design comes from the project of my tutor. It adds a MCU control system to the test rig and turns it to be a mechanotronical product with perfect function that is component to complete the related experimental operation. By analyzing the functions of the test rig, an electromechanical control system based on the feedback mechanics is designed, which combines both the manual and automatic control. This paper first designs the function of the control system and then the system is divided into different functional modules to respectively design the hardware circuit and software program of them, and finally the system function is simulated.

This project uses the Proteus software to design the schematic diagram of hardware circuit and uses the Keil μ Vision4 software to design the software program, and then the Proteus software and Keil software are combined to debug the control system so as to prove the feasibility of the electromechanical control system of the double disc test rig.

Keywords: Double disc test rig； Electromechanical control； Speed control； Temperature control； Joint debugging

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 双轮实验台简述 1

1.3 机电控制系统简述 2

1.4 本课题的研究意义 2

1.5 研究内容与本文结构 3

第2章 总体控制方案设计 5

2.1 系统功能的选择 5

2.2 控制方式的选择 5

2.3 电机的选择 6

2.3.1 电机参数的确定 6

2.3.2 常用电机的比较 6

2.3.3 电机控制方式介绍 7

2.3.3.1 直流电动机的PWM控制 8

2.3.3.2 异步电动机的矢量控制 8

2.3.3.3 开关磁阻电动机的控制 9

2.3.4 电机型号的确定 9

2.4 处理器的选择 10

第3章 功能模块控制方案设计 11

3.1 电机启停换向模块 11

3.2 电机调速模块 11

3.3 电机速度监测模块 12

3.4 温度控制模块 13

3.5 小结 13

第4章 控制系统硬件设计 14

4.1 Proteus软件介绍 14

4.2 中心控制器介绍 14

4.3 单片机最小单元模块 15

4.3.1 晶振电路 15

4.3.2 复位电路 16

4.4 速度控制模块 17

4.4.1 键盘接口模块 17

4.4.2 速度检测模块 18

4.4.3 显示输出接口模块 19

4.4.4 电机驱动模块 20

4.4.5 电机制动模块 21

4.5 温度控制模块 22

4.5.1 键盘接口模块 22

4.5.2 温度检测模块 23

4.5.3 显示输出接口模块 23

4.5.4 散热驱动模块 24

4.6 小结 24

第5章 控制系统软件设计 25

5.1 Keil软件介绍 25

5.2 软件程序流程设计 25

5.2.1 调速程序设计流程图 25

5.2.2 测速程序设计流程图 27

5.2.3 温度控制程序流程图 27

5.3 编程语言选择 29

5.4 各模块软件程序设计 29

5.4.1 速度控制键盘 29

5.4.2 温度控制键盘 29

5.4.3 转速测量 29

5.4.4 温度测量 30

5.4.5 电机调速 30

5.4.6 显示屏显示 30

5.5 小结 30

第6章 控制系统仿真测试 31

6.1 单片机系统仿真模式 31

6.2 系统仿真测试 31

6.2.1 调速模块功能测试 31

6.2.2 测速显示模块功能测试 32

6.2.3 温度控制模块功能测试 32

6.3 测试结果分析 34

6.3.1 调速模块结果分析 34

6.3.2 测速显示模块结果分析 34

6.3.3 温度控制模块结果分析 35

6.4 误差分析 35

6.5 小结 35

第7章 总结与展望 36

7.1 主要工作总结 36

7.2 设计的优势之处 36

7.3 设计中存在的不足 37

7.4 工作展望 37

参考文献 39

致谢 40

附 录 A 41

附 录 B 42

第1章 绪论

1.1课题研究背景

进入21世纪，我国的轨道交通建设正如火如荼地进行着，并在一些尖端领域取得卓越进展。2007年4月，“和谐号”动车组的问世标志着我国铁路客运装备技术已经达到世界先进水平，中国也由此跻身世界上具备自主研发时速380公里以上列车能力的国家行列。2017年6月26日，“复兴号”在京沪线完成正式双向首发，对于加快中国高铁走出国门、走向世界具有十分重要的战略意义。

但是，在为人民日常出行提供极大便利的同时，铁路运行中的很多问题也如影随形，钢轨波磨便是其中之一。钢轨在投入使用后，随着运营时间的逐渐增加，在靠近顶部的某些部位沿着其纵向面会出现一种波浪形状的规律性不平顺现象，这种现象称为钢轨的波浪形磨损，简称波磨^[1]。波磨是铁路钢轨最为普遍的一种损伤形式，严重时会使轮轨关系恶化、产生巨大噪声、降低车轮和钢轨的使用寿命，成为铁路安全运行的极大隐患。

因此，了解波磨的形成、找到影响曲线钢轨波磨产生的因素并据此探寻减小波磨的有效措施具有重要意义。波磨由轮轨间的相互作用产生，其成因综合了多种极为复杂的因素，在对其形成机理进行研究时，必须结合各种实际状况综合考虑。在进行理论分析和模拟仿真的过程中，有限元法得到了充分的利用。世界上对于钢轨波磨的研究已经持续了一个多世纪，对于钢轨波磨的成因也形成了多个理论派别，轮轨接触振动、轮轨自激振动和轮轨接触疲劳等都被认为是钢轨波磨的成因^[2]。也有学者认为，轮对扭转振动是曲线钢轨波磨的可能成因^[3]，但目前相关的理论研究成果和实验分析都还不够充分^[4]。想要真正了解扭振之于曲线钢轨波磨的形成机理、找到其影响钢轨波磨程度的机制，并从根本上缓解或消除钢轨波磨的产生，在理论研究和模拟仿真的基础上，有必要进行大量的实验，从而获得更多、更真实的实际数据，深入对于曲线钢轨波磨的研究工作。对于实验过程，实验室实验和现场测试都是必不可少的，两者各有优势，相辅相成。

1.2双轮实验台简述

在实验室进行磨耗测试，一方面可以重现波磨，同时能够对实地勘测时的不可控因素进行深入探究，功能完善的实验台则是实验顺利进行的重要保障。随着波磨研究的不断深入，研究者所探讨的有关波磨的形成和影响因素也日益复杂，实验台性能和实用性也不断得到完善。

考虑到实验室情况，在实验室内的轨道无法达到实际铁轨的长度，进行轮轨接触实验时，为了使实验更贴近实际情况，在考虑允许误差的情况下，最常见的轮轨接触实验台采用轮-轮接触的模式，即所谓的双轮实验台。这种类型的实验台^[5]使用按照一定比例制作的两个圆盘（轮），一个代表铁轨、另一个代表车轮，通过双轮的旋转接触来模拟车轮在无限长铁轨运行情况下的轮轨接触情况。这种类型的实验台具有方便、快捷、安全、控制简单的优点，可以通过调节两个轮子之间的接触关系和相互配合来实现对于实际各种工况的模拟，在国内外的研究中得到了广泛的应用。

早在1980年，日本前川实验机研究所就成功研制了轮轨实物环形疲劳实验台^[6]；Suda也利用难度逐步提高的滚轴实验台开始对滚动/滑动接触面上的波磨现象进行实验性研究并制造了可控制接触面滑动的新实验台；美国伊利诺斯理工学院建有80年代世界上最先进的IT-GMEMD轮轨磨耗实验机；中欧技术研究院（CEIT）的Alonso等人利用双轮实验台分析了轮轨接触中蠕滑力/蠕滑之间的关系^[7]。

在中国，实验台的研究同样也在飞速发展。1986年，西南交通大学的王夏鍫教授就在IT-GMEMD轮轨磨耗实验机的技术基础之上研究出了JD-1轮轨摩擦模拟实验机^[8]，这是第一台由我国自主研制的轮轨摩擦模拟实验机，能够在实验室内模拟车轮与钢轨间作用的各种工况；中国铁道科学研究院建设的1：1全尺寸高速轮轨关系实验台，最高实验速度达到500km/h，已于2011年底建成并投入使用^[9]。

1.3机电控制技术简述

机电控制技术是一项结合了电子技术和机械领域的综合技术，包括自动控制和传感检测等技术领域^[10]。机电控制是智能化的核心，是实现机电一体化的必要支撑。机电控制系统借助特殊的传感装置对选定机械设施的运行过程和状态进行监测和控制，总体上可以分为控制装置、执行装置和监测装置^[11]。其中，控制装置主要负责系统运行过程和状态的分析与比较，执行装置主要用来完成系统的规定动作，监测装置主要负责对系统的运行状态与运行参数进行捕捉并反馈给控制系统。机电控制综合了多种技术的相关优势，可以对控制系统进行优化，具有广泛的经济性和社会性。

随着计算机技术逐渐向着微型化拓展，机电控制领域以引入计算机控制的方式向着智能化方向不断发展，现已形成多种机电控制理论，包括PID控制、模糊控制、神经网络控制、学习控制、专家控制和遗传算法控制等^[12]。

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