基于替代模型的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入

楊笑悅，　陽春華，　彭　濤，　史　露，　楊　超

基于替代模型的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)注入

楊笑悅，陽春華，彭濤，史露，楊超

（中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083）

牽引傳動控制系統(tǒng)是高速列車的動力關(guān)鍵系統(tǒng)，牽引傳動控制單元（TCU）的故障會引發(fā)高速列車的動力喪失.電磁輻射環(huán)境下的單粒子瞬態(tài)效應(yīng)（SET）是引發(fā)TCU故障的主要原因.采用傳統(tǒng)物理方法進(jìn)行的SET測試具有一定的風(fēng)險和成本，提出一種基于替代模型的SET注入方法.根據(jù)雙指數(shù)模型建立SET注入替代模型，對TCU輸出的信號進(jìn)行SET的注入，解決在系統(tǒng)級虛擬仿真平臺上無法對SET進(jìn)行有效注入的問題，通過試驗(yàn)仿真驗(yàn)證該方法的可行性.為實(shí)時故障診斷、隔離和容錯技術(shù)的研究提供較為真實(shí)可靠的故障模擬環(huán)境.

故障注入；替代模型；單粒子瞬態(tài)效應(yīng)；虛擬仿真；牽引控制單元

我國高速鐵路發(fā)展迅速，形成具有中國特色的高鐵技術(shù)體系，總體技術(shù)水平和應(yīng)用水平居世界領(lǐng)先［1］.牽引傳動控制系統(tǒng)作為高速列車動力的關(guān)鍵系統(tǒng)，關(guān)系到高速列車的運(yùn)行可靠性，其核心控制模塊——牽引控制單元（Traction Control Unit，TCU）通過牽引變流器經(jīng)過交流—直流—交流變換，實(shí)現(xiàn)對三相交流牽引電機(jī)的控制，對牽引傳動控制系統(tǒng)的安全工作有至關(guān)重要的作用［2-3］.

在高速列車運(yùn)行過程中，電磁輻射干擾與外部環(huán)境的工頻干擾產(chǎn)生的高能帶電粒子，在穿過TCU內(nèi)部微電子器件靈敏區(qū)時沉積電荷能量，造成器件的錯誤邏輯狀態(tài)或硬損傷，這種現(xiàn)象稱為單粒子效應(yīng)（SEE）［4］.其中，單粒子瞬態(tài)效應(yīng)（Single Event Transient，SET）是由于錯誤瞬態(tài)脈沖在組合邏輯電路中傳播引起的脈沖寬度和幅度改變現(xiàn)象［5］，對TCU輸出的調(diào)制信號造成直接影響，進(jìn)而影響牽引傳動控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行.

目前，對SET效應(yīng)的模擬多集中在器件的物理層級和電氣層級.傳統(tǒng)注入方式集中在激光照射和重離子轟擊，需要額外的測試設(shè)備，主要改變實(shí)際器件的物理特性，可能對器件造成損傷，增加測試成本［6］.文獻(xiàn)［7］中基于量化思想，對VLSI組合邏輯門的傳輸延遲進(jìn)行處理，提出使用FPGA硬件的模擬SET量化模型，對大規(guī)模電路進(jìn)行SET注入；文獻(xiàn)［8］中研發(fā)仿真工藝庫技術(shù)，通過修改故障單元庫和電路代碼，利用FPGA實(shí)現(xiàn)硬件加速，實(shí)現(xiàn)對門級電路的SET效應(yīng)注入；文獻(xiàn)［9］中對SET在邏輯電路中的脈沖擴(kuò)展和傳播效應(yīng)進(jìn)行研究，并加入容性負(fù)載對SET的脈沖擴(kuò)展效應(yīng)進(jìn)行注入.以上方法均針對單個器件或電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行SET效應(yīng)注入.

在對高速列車牽引傳動控制系統(tǒng)的仿真中，多采用虛擬仿真與半實(shí)物仿真相結(jié)合的手段［10］，特別是虛擬仿真平臺，由于仿真抽象層級較高、仿真模型模塊化，TCU中的計算單元和總線結(jié)構(gòu)無法在電氣層級或物理層級上進(jìn)行仿真，因此尚未在高速列車的虛擬仿真平臺中開展SET效應(yīng)的注入.

本文在高速列車牽引傳動控制系統(tǒng)虛擬仿真平臺基礎(chǔ)上，針對TCU用SET脈沖的雙指數(shù)模型建立替代注入模型，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)級別虛擬仿真平臺的SET注入，通過對仿真結(jié)果的分析，證明該方法的有效性.

1　SET注入替代模型

1.1SET對TCU輸出控制信號的影響

CRH 2逆變器模塊采用三電平橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見圖1），通過TCU產(chǎn)生的空間矢量脈沖寬度調(diào)制（SVPWM）信號控制IGBT的關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對牽引電機(jī)的控制效果.當(dāng)外部環(huán)境的電磁輻射干擾對TCU內(nèi)的器件產(chǎn)生類似粒子碰撞情況，器件材料通過直接電離作用產(chǎn)生累積有效電離電荷并被器件敏感節(jié)點(diǎn)收集后，會導(dǎo)致器件工作狀態(tài)、邏輯狀態(tài)、輸出電平發(fā)生變化（見圖2），產(chǎn)生SET［11-12］.

圖1　CRH 2逆變器三電平橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1　Topology of threelevel bridges in CRH 2 Inverter

圖2　SET在邏輯電路的傳播Fig.2　Propagation of SET in logic circuit

對于TCU，SET可形成瞬態(tài)電壓或電流脈沖（見圖3），并傳播到存儲單元輸入端，間接造成存儲單元翻轉(zhuǎn)；另外，由于TCU的工作頻率高，導(dǎo)致SET脈沖寬度的捕獲概率高，SET最終表現(xiàn)為器件輸出的外部特性或內(nèi)部錯誤引發(fā)的功能故障，如時鐘抖動、串?dāng)_、脈寬擴(kuò)展等［13-14］.考慮在系統(tǒng)級的虛擬仿真平臺中，由于仿真抽象層級較高，器件物理層級和電氣層級的仿真受限，需要對模型轉(zhuǎn)化后進(jìn)行注入.

圖3　Cu轟擊下的單粒子瞬態(tài)脈沖Fig.3　Single event transient pulse under Cu particle bombardment

1.2SET注入替代模型

為模擬SET產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖，根據(jù)脈沖形狀和變化趨勢，從器件層級對單粒子瞬態(tài)脈沖進(jìn)行建模，電流或電壓的脈沖尖峰可表示成1個電流源或電壓源，并采用以下雙指數(shù)模型［15］表示：

式中：A為脈沖幅值相關(guān)系數(shù)；p1和p2為脈沖時間沿系數(shù).

牽引傳動控制單元輸出的IGBT基極驅(qū)動信號為數(shù)字信號.在進(jìn)行SET注入時，只需考慮有效脈沖寬度，通過對雙指數(shù)模型進(jìn)行替代轉(zhuǎn)化，得到SET注入替代模型

式中：t為注入時刻；Wp為脈沖寬度；Ap為脈沖幅度；τR和τF分別表示脈沖的下降沿與上升沿寬度.定義TCU輸出引腳閾值電壓為

通過對上升沿與下降沿對應(yīng)時間點(diǎn)t［1］，t［2］的求解，得到單粒子效應(yīng)注入替代模型的脈沖寬度.單粒子瞬態(tài)注入替代模型生成過程見圖4.

圖4　單粒子瞬態(tài)注入替代模型生成Fig.4　Generation of SETs substitution model

1.3基于替代模型的SET注入

針對高速列車虛擬仿真平臺中TCU進(jìn)行SET的注入，利用SET的典型雙指數(shù)模型，建立SET注入替代模型，在MATLAB／SIMULINK搭建的CRH 2牽引傳動系統(tǒng)虛擬仿真平臺上，實(shí)現(xiàn)SET的注入過程.SET替代模型注入流程見圖5.

圖5　SET替代模型注入流程Fig.5　Injection process of SETs substitution model

故障注入模塊FIU設(shè)置在TCU與逆變器三電平橋模塊之間，改變TCU輸出信號特征；單粒子瞬態(tài)脈沖模型參數(shù)加載到FIU中進(jìn)行計算，輸出干擾后的數(shù)字脈沖信號，從而達(dá)到SET注入的目的，如圖6所示.

圖6　SET注入模塊Fig.6　Injection module of SETs

2　仿真分析

CRH 2牽引傳動虛擬仿真平臺依據(jù)實(shí)際電氣參數(shù)和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用間接矢量控制策略對牽引電動機(jī)模型進(jìn)行控制，在此平臺基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對TCU的SET注入.基于MATLAB／SIMULINK的CRH 2牽引傳動虛擬仿真平臺見圖7.

圖7　CRH 2牽引傳動控制系統(tǒng)虛擬仿真平臺Fig.7　Virtual simulation platform of CRH 2 traction drive control system

SET注入模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過對雙指數(shù)模型的參數(shù)設(shè)定得到SET注入脈沖模型，在仿真時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)特定時刻的SET注入，見圖8.仿真注入位置見圖9，即A相上橋臂第一個IGBT驅(qū)動信號.CRH 2牽引傳動系統(tǒng)部分參數(shù)見表1，仿真參數(shù)（UTH=4 V，A=25）見表2，仿真時間為1 s.通過牽引傳動系統(tǒng)現(xiàn)有傳感器，觀測單粒子瞬態(tài)注入后的波形圖.

圖8　SET注入模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.8　Internal structure of SETs injection module

圖9　單粒子瞬態(tài)脈沖注入點(diǎn)Fig.9　Injection position of SETs pulse

表1　CRH 2牽引傳動系統(tǒng)部分參數(shù)Tab.1　Parameters of CRH 2 traction drive control system

表2　仿真參數(shù)Tab.2　Simulation parameters

由仿真結(jié)果可知，改變雙指數(shù)模型的參數(shù)值可以直接得到不同注入信號的替代模型，并能在不同時刻對IGBT的基極信號進(jìn)行注入，通過逆變器三相電流信號的觀察，實(shí)現(xiàn)對SET的有效注入.正常運(yùn)行狀態(tài)下三相電流與中間直流環(huán)節(jié)信號見圖10.

在0.5 s注入不同的單粒子瞬態(tài)脈沖（由p1和p2決定），對A相上橋臂的IGBT控制信號進(jìn)行干擾，車載三相電流傳感器輸出的電流信號分別見圖11和12.從0.5 s時刻開始產(chǎn)生明顯畸變，在單粒子瞬態(tài)脈沖消失后電流信號恢復(fù)正常.

圖10　正常運(yùn)行狀態(tài)下三相電流與中間直流環(huán)節(jié)信號Fig.10　Signals of threephase current and DC link voltage in normal running status

圖11　SET脈沖p1=ˉ500，p2=ˉ1 000注入后傳感器信號Fig.11　Sensors’signals after injection of SETs pulse（p1=ˉ500，p2=ˉ1 000）

圖12　SET脈沖p1=ˉ5 000，p2=ˉ8 000注入后傳感器信號Fig.12　Sensors’signals after injection of SETs pulse（p1=ˉ5 000，p2=ˉ8 000）

3　結(jié)　語

針對高速列車牽引傳動虛擬仿真平臺中的牽引傳動控制單元，提出一種基于替代模型的SET注入方法，通過在TCU與IGBT之間設(shè)計注入模塊，改變TCU輸出驅(qū)動信號的特性，完成SET注入真實(shí)有效.

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（編輯俞紅衛(wèi)）

Single Event Transient lnjection Method Based on Substitution Model

（School of IYnfAorNmGat Xioia no Sycuieen，ceY anAdN EGn C gihnuenerhiunag，，CePnEtrNalG S Toa uo th， US niH veIrs Lituy，，CYhAanNgsGh aCh 4a1o0083，China）

Traction drive control system is the power source of high speed train，the faults of traction control unit cause the loss of power.Single event transient is the main source which causes faults in traction control unit（TCU）.Due to the risk and cost of traditional physical testing methods，substitution model based single event transient（SET）method was proposed in this paper.In this method，the SET injection substitution model was built by applying double exponent model to inject the single event transient into the output of TCU.The proposed method could solve the problems that the SET was unavailable to be injected in the virtual simulation platform，and the simulations verified its feasibility. This method could afford a reliable simulation environment for the research on the real time faults diagnosis，faults isolation and tolerant technique.

fault injection；substitution model；single event transient（SET）；virtual simulation；traction cont rolunit（TCU）

V 448.15

A

1671-7333（2015）03-0299-06

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.03.017

2015-01-16

國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（61490702）

楊笑悅（1987-），女，博士生，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真與故障測試.E-mail：xyyeoh＠qq.com

彭濤（1965-），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榱鞒淘O(shè)備、復(fù)雜工業(yè)過程和復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的故障診斷研究. E-mail：pandtao＠csu.edu.cn