防滑控制是保障铁道车辆制动安全，提高制动效率的有效手段。特别是随着货运速度的提高，一旦发生滑行，可能造成更大的危害，因此，我国的快速货车上应考虑安装防滑装置[1]。齐车装备有限公司和眉山车辆有限公司在研发的快速货车的样机上，安装了机械式防滑器来解决轮对滑行问题。然而机械式防滑器存在灵敏度低、性能不稳定、不能实时监测粘着状态、调节制动压力的缺点[1]，且机械式防滑器中关键的敏感元件经长期使用易磨损，导致其性能逐渐下降。电子防滑器利用计算机控制技术，实时检测车轴滑行状态，调整制动缸压力以防止车轴打滑，且能根据多滑移判据判断车轴是否滑行，具有更高的准确性，在铁道客车、动车组等机车车辆上得到广泛运用。

    在快速货车上使用电子防滑器需解决电源问题。西南交通大学已设计出一种可悬挂于车体底部的风力供电装置[2]。本文在此基础上对货车采用电子防滑器方案进行相应研究，提出了一种基于数字信号处理器（DSP-TMS320F2812）控制的防滑控制器，以模糊控制为算法，实现车轴的滑行检测和防滑控制。
1 快速货车电子防滑器原理
    由于受粘着限制，车辆制动过程中容易产生滑行，甚至车轮擦伤。目前在我国速度超过120 km/h的铁道机车车辆上均安装了电子防滑器，防止车轴滑行。从原理上，快速货车电子防滑器和客车电子防滑器其原理是一致的：防滑器通过实时采集车辆上4个车轴速度，经比较得到车辆基准速度，进而计算车辆滑移率和减速度等，并根据多滑移判据，判断车轴是否打滑，从而调整制动缸压力，防止车轮滑行。本文设计的电子防滑器原理如图1所示。

2 硬件设计
    防滑器需要采集各车轴速信号。速度传感器输出信号一般是速度脉冲形式，同时经过相应的数据处理才能完成防滑控制。较高的运算速度和数据处理能力可缩短防滑器的响应时间，提高响应准确性。本文选用了TI公司的32 bit定点DSP-TMS320F2812作为防滑器主机的核心控制器，其事件管理器的捕获单元可捕捉到外部引脚的跳变，可方便用于速度传感器信号的测量。该芯片数据处理能力达150 MIPS，集成了丰富的片上外设，既有数字信号的处理能力，又有强大的事件管理能力和嵌入式控制能力，特别适合于需要大批量数据处理的测控论域[3]。此外，完成防滑控制主要用到的模块还包括：事件管理器（EV）的定时器单元和CPU定时器、外设中断扩展模块(PIE)、模数转换模块、SPI通信接口、看门狗、通用I/O、外部中断接口和存储器接口等。
    为了减少系统输入、输出与核心控制单元之间的信号干扰且便于维护，防滑器硬件采用如图1所示的模块化设计，分为信号调理模块、核心控制单元和驱动模块。
    核心控制单元包含了最小系统，其包括TMS320F2812、时钟与复位电路、电源和滤波、JTAG等。此外，电子防滑器还应包含其他必要的应用电路，如故障码掉电存储、显示和清除等。本文将DSP的串行外设接口(SPI)扩展了EEPROM存储，选用X5045作为故障码存储器，其存储容量为4 KB，可进行100万次擦写。为方便维护，本文设计了故障码显示功能，选用MAX7219作为两位数码管的显示驱动器，由DSP的I/O口控制。此外，利用TMS320F2812的3个外部中断口，直接作为按键控制接口，用于控制故障码的显示和清除等操作。
    信号调理模块和驱动模块是电子防滑器的重要组成部分。速度传感器的信号经信号调理（光耦隔离）接到DSP的4路捕获口，由DSP实时采集各车轴速度，计算滑移率、减速度等。防滑器根据车轴运行情况控制电磁阀驱动电路，从而控制防滑阀充放气、调节制动压力。
3 软件设计
    在明确电子防滑器功能的基础上，系统采用了模块化编程的思想，程序总体框图如图2所示。由于TMS320F2812的PIE模块最多可支持96个中断，为系统的模块化编程带来了很大的方便，增强了系统程序的可读性。其中速度处理和滑行检测控制是实现系统功能的关键模块。

3.1 滑移率及减速度的计算
    车轴前行速度v和车轴传感器发出的脉冲频率f成正比关系：
 
速度值。结果表明无论在高速或低速情况下，电子防滑器的速度测量绝对误差不超过0.05 km/h，相对误差不超过0.05%，可满足防滑器对速度测量精度的要求。
3.2 滑行检测和控制
    本文应用模糊控制算法实现防滑控制。为提高DSP运算效率、缩短系统响应时间，系统采用了离线查询的方法实现模糊控制；通过MATLAB/Simulink仿真设计了二维模糊控制器；滑移率的基本论域为[0，0.25]，减速度基本论域为[-4，4]。实际控制过程中只要测得滑移率和减速度的量化值，通过查表的方法即可得到当前控制量。电子防滑器的控制输出量为充放气时间(0～500 ms)，正值即为充气，负值为放弃，0为保压。
    设定CPU定时器0周期中断为5 ms(即单次充放气时间为5 ms)，设定CPU定时器2中断周期为100 ms[4](即滑行状态检测周期)。则实际控制中，模糊控制量OP在[-50，50]内即实施保压。
4 防滑模拟试验
    为验证防滑器控制效果，本文在实验室进行了防滑模拟试验，如图4所示。试验以LabVIEW软件为平台，模拟整车速度信号和打滑车轴速度信号，通过防滑器对容积室压力的控制模拟，实现对制动缸压力的控制。在计算机上通过LabVIEW编程读取MATLAB/Simulink仿真得到的两路车轴信号，控制NI公司的6008型数据采集卡生成两路与速度成比例的电压信号。该电压信号经电压频率转换电路，得到频率与速度成比例的脉冲信号，速度脉冲信号经信号调理模块的光耦隔离接到DSP的CAP脚。其中电压频率转换选用了AD654芯片来实现。AD654是一款低漂移、线性度高、低成本的电压频率转换芯片，只需要很少的外围元件即可实现电压转换。

    本试验控制对象为容积室，其压力由充气阀和排气阀控制，容积室压力通过压力传感器接到数据采集卡，在计算机上通过LabVIEW编程实时显示容积室压力。
    试验模拟车辆在制动过程中出现车轴两次打滑的情况，其结果如图5所示。当防滑器检测到车轴滑行时，实时调整容积室压力，可防止车轴继续滑行，在无滑行后继续恢复容积室压力，以保证制动力的顺利实施。

    防滑控制是快速货车制动的关键技术之一，对保障制动安全、提高制动效率具有重要意义。本文设计的基于DSP的快速货车电子防滑器能高精度测量车轴速度，并以模糊控制为算法，根据多滑移判据检测车轴滑行状态，及时调整制动缸压力，防止车轴继续打滑，从而保障制动安全，缩短制动距离，提高了制动效率。经模拟试验表明，本防滑器具有响应快、实时性好、准确性高等特点。
参考文献
[1] 李培署.我国快速货车上使用防滑器的可行性探讨[J].铁道车辆，2002(8).
[2] 西南交通大学.用于铁路货车的风力供电装置[P].中国专利：201120076778.2，2011-06-16.
[3] Texas Instrument Corporation．TMS320F2810.TMS320F2812 digital signal processors data manual[K].2002．
[4] 陈朝发，孙峰.TFX1型防滑器在提速客车上的应用研究[J].铁道车辆，1999(6).