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120 km/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32 bit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150 MIPS，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4 KB，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：
 
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0.05 km/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(0～500 ms)，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5 ms(即單次充放氣時間為5 ms)，設定CPU定時器2中斷周期為100 ms[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。
參考文獻
[1] 李培署.我國快速貨車上使用防滑器的可行性探討[J].鐵道車輛，2002(8).
[2] 西南交通大學.用于鐵路貨車的風力供電裝置[P].中國專利：201120076778.2，2011-06-16.
[3] Texas Instrument Corporation．TMS320F2810.TMS320F2812 digital signal processors data manual[K].2002．
[4] 陳朝發，孫峰.TFX1型防滑器在提速客車上的應用研究[J].鐵道車輛，1999(6).