智能排流柜檢測控制器的研制

西安市地下鐵道有限責任公司 李 鋒

智能排流柜檢測控制器的研制

西安市地下鐵道有限責任公司 李 鋒

本文介紹了單片機智能排流柜檢測控制器的工作原理和硬件結(jié)構，針對本系統(tǒng)的抗干擾、PWM控制脈沖生成及驅(qū)動電路作詳細闡述。通過試驗，得出該檢測控制器具有抗干擾能力強、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，應用在智能排流柜中發(fā)揮了其應有的作用。

檢測控制器遠程控制隔離運放；PWM；程控放大器

1.前言

隨著城市軌道交通的發(fā)展，國內(nèi)的城軌線路越來越多。排流柜作為城軌交通供電系統(tǒng)中的一個設備，對保障城軌線路的安全運行有不可或缺的作用。以下結(jié)合排流柜在地鐵中的應用簡要介紹智能排流柜檢測控制器的研制。智能排流柜檢測控制器是構成智能排流柜的核心，該控制器采用Intel16位單片機作為CPU，根據(jù)地鐵運營實際工況，運用多種器件完成數(shù)據(jù)采集、運算及控制。以下就該系統(tǒng)所要解決的問題作簡單介紹。

2.系統(tǒng)需要解決的問題

該控制器著重解決了以下問題：

(1)完成對排流柜電流、電壓、運行狀態(tài)等信號的采集、處理，并擴展RS485通訊接口，與上位機通信，可實現(xiàn)遠程控制排流。

(2)解決參比電極輸出的毫伏級信號在地鐵1500V牽引供電系統(tǒng)中的抗共模干擾的問題。

(3)解決IGBT控制脈沖的生成及功率驅(qū)動問題。

(4)解決多路電參數(shù)的精確數(shù)據(jù)采集。

3.檢測控制器原理及各模塊實現(xiàn)

3.1 檢測對象

檢測對象為4路參比電極輸出電壓信號、四路電壓傳感器信號，4路電流傳感器信號和一路系統(tǒng)運行狀態(tài)量，其中4路參比電極輸出電壓信號為毫伏級直流信號，電壓傳感器信號為0-50mA電流信號，電流傳感器為為0-5V電壓信號，系統(tǒng)運行狀態(tài)為電平信號。

3.2 控制對象

依據(jù)四路參比電極輸出的信號及四路電壓傳感器信號分別控制四支IGBT單管（400A/1200V）的導通占空比，使排流柜主回路實現(xiàn)斬波調(diào)阻，從而控制排流電流，達到科學排流的目的。每一主回路分參比電極與電壓傳感器兩種控制方式，可通過撥碼開關來切換。另外，上位機可實現(xiàn)對排流柜的遠程控制。上位機通過RS485通信接口對檢測控制器發(fā)送指令，控制四路IGBT的完全導通。

3.3 各主要模塊的實現(xiàn)

本系統(tǒng)分別采用三塊電路板和兩塊開關電源，以實現(xiàn)三大功能模塊：參比電極電壓采集模塊、PWM脈沖生成及功率驅(qū)動模塊，支路電壓、電流及運行狀態(tài)采集及處理模塊。

3.3.1 參比電極電壓采集模塊的實現(xiàn)

參比電極電壓采集模塊完成對參比電極輸出電壓的隔離及放大。模塊采用AD202高隔離運算放大器，最大共模電壓達到2000V，線性精度達±0.025%。該型隔離放大器可應用于高共模電壓環(huán)境下的小信號測量，對被測對象和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)予以隔離，從而提高共模抑制比，同時保護設備和人身安全。隔離放大器按耦合方式的不同，可以分為變壓器耦合、電容耦合和光電耦合三種。磁耦合隔離方法是最常用的耦合隔離方法。

圖1所示的是AD公司生產(chǎn)的隔離放大器AD202的內(nèi)部結(jié)構示意圖，是一個典型的變壓器耦合二端隔離放大器，采用了調(diào)幅與解調(diào)技術將直流或交流信號通過變壓器耦合到輸出級，輸入級內(nèi)置一個獨立的運放作為信號預處理，可以用作輸入的緩沖、提供必要的增益，或者用作濾波器、加法器、I/V轉(zhuǎn)換等等。輸出級對信號進行解調(diào)，濾波與放大。內(nèi)置的DC/DC變換器，輸出為±7.5V，可以提供電源給輸入側(cè)的運放、調(diào)制器或其它電路。本文應用該隔離放大器將參比電極輸出的毫伏級直流信號進行隔離放大，使控制器內(nèi)部與現(xiàn)場復雜的電氣環(huán)境實現(xiàn)了隔離，并使有用信號重現(xiàn)在副邊。

圖2是AD202在系統(tǒng)中的應用電路圖，輸入級對輸入信號進行3倍放大，輸出級對該信號進行射極跟隨，供給后續(xù)控制電路。

3.3.2 PWM方波生成及功率驅(qū)動模塊

可產(chǎn)生PWM方波的電路很多，本系統(tǒng)采用TL494脈寬調(diào)制器集成電路完成方波發(fā)生功能。TL494是美國德州儀器公司生產(chǎn)的PWM發(fā)生器。該系統(tǒng)PWM及其驅(qū)動電路的原理圖如下圖3所示。PWM信號由TL494調(diào)制，TL494輸出PWM脈沖，其占空比由調(diào)節(jié)器輸出模擬信號的大小來決定。根據(jù)不同電壓輸入，TL494產(chǎn)生不同占空比的PWM脈沖信號，TL494輸出脈沖送入到IGBT的驅(qū)動電路輸入端，完成脈沖信號的功率驅(qū)動。IGBT驅(qū)動電路采用三菱公司生產(chǎn)的，為驅(qū)動N溝道功率IGBT設計的厚膜混合集成電路M57962L。其輸入與TTL電平兼容，與單片機接口簡單。M57962L專用于驅(qū)動1200V系列，電流容量在400A以下的功率IGBT模塊，內(nèi)部采用2500V光電隔離電路，采用雙電源驅(qū)動技術，其輸入電壓為＋15V、-10V，其中＋15V作為IGBT的正向驅(qū)動電壓，-10V是IGBT關斷時加在IGBT的柵極與發(fā)射極之間的反向電壓，使之可靠關斷。腳13外接TL494輸出的PWM信號驅(qū)動IGBT，腳1通過一個快恢復二極管接到被驅(qū)動IGBT的集電極，當從引腳1檢測到被驅(qū)動的IGBT集-射極電壓較高時，該混合集成電路就認為負載短路或過載、立即降低柵極電壓。不論輸入為何種電平都封鎖被驅(qū)動的IGBT的柵極脈沖，保護電路動作輸出故障信號低電平，并從引腳8輸出故障信號。當經(jīng)過預定的1-2ms后，如果保護電路輸入的是低電平，保護電路就自行復位到正常輸出狀態(tài)。由以上可以看出，通過此控制檢測短路時間到輸出脈沖封鎖，IGBT模塊就能及時地得到可靠的保護。當單片機接收到上位機發(fā)出的全導通指令時，單片機P1.0口輸出低電平，控制圖中與非門輸出，實現(xiàn)IGBT的完全導通。

圖1 AD202內(nèi)部結(jié)構圖

圖2 AD202應用電路

3.3.3 支路電壓、電流采集及處理模塊

對支路電壓、電流的信號采集，應用霍爾電壓、霍爾電流傳感器分別對各主回路支路電壓和電流進行現(xiàn)場采集，能保證控制電路和主電路的可靠隔離，具有動態(tài)響應快、取樣電流信號與輸出電流線性度好的特點，能有效克服高壓電路的干擾信號對取樣電路的影響。采集的模擬信號經(jīng)過運放處理和模擬多路轉(zhuǎn)換開關，送到程控放大器，使輸入的電流、電壓信號都成為標準的0-5V直流信號，信號處理模塊對0-5V電壓信號進行AD轉(zhuǎn)換并送到MCU；另外有四路快熔故障并聯(lián)的開關量信號經(jīng)光耦送入MCU，MCU將處理后的數(shù)據(jù)通過RS485接口傳送到上位機。當檢測到數(shù)據(jù)異常時MCU輸出故障信號，并在裝置上顯示，以便工作人員能及時采取措施。對電流信號采用程控放大器進行數(shù)據(jù)采集，由多路開關器件CD4051、CD4052以及測量放大器AD521組成的程控放大器，對八路電流信號進行采集。通過使用程控放大器，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度，降低了系統(tǒng)誤差。

4.結(jié)束語

經(jīng)過型式試驗和現(xiàn)場調(diào)試運行，該檢測控制器的各項技術參數(shù)均達到了設計要求，具備了各項功能，現(xiàn)已在上海地鐵9號線的智能排流柜中得到應用，運行良好。

圖3 PWM方波生成及功率驅(qū)動原理圖

[1]李宏.電力電子設備用器件與集成電路應用指南(第1冊)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001,8.

[2]李宏.電力電子設備用器件與集成電路應用指南(第2冊)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.8.

[3]徐愛卿.Intel16位單片機(修訂版)[M].北京:北京航空航天大學出版社m2002,7.

李鋒（1978－），男，陜西西安人，西安市地下鐵道有限責任公司工程師，研究方向：電氣設備研制與應用及地鐵供電系統(tǒng)研究。