高鐵用改進(jìn)型永磁電機(jī)速度采集裝置

李雪江 呂陽 董平

摘 ? 要：基于旋轉(zhuǎn)變壓器（RDC）的永磁電機(jī)速度采集對電磁環(huán)境比較敏感，測量發(fā)現(xiàn)高鐵永磁牽引變流器四象限模塊投入工作時刻，即使在信號線屏蔽接地情況下其內(nèi)部復(fù)雜的電磁環(huán)境對速度信號的干擾也十分劇烈，導(dǎo)致既有采集裝置會工作異常，無法完成電機(jī)控制功能?；诙喾答伆吞匚炙褂性茨M低通濾波器（BWF）技術(shù)研制的改進(jìn)型永磁電機(jī)速度采集裝置解決了此問題。該裝置具備測量精度高，抗干擾性好等優(yōu)點，試驗驗證效果良好。

關(guān)鍵詞：高鐵 ?永磁電機(jī) ?速度采集裝置 ?旋轉(zhuǎn)變壓器（RDC）

中圖分類號：TM 351 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（a）-0087-02

伴隨著電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，永磁同步電機(jī)以其突出的優(yōu)異性能開始在軌道交通牽引領(lǐng)域日趨廣泛應(yīng)用。為了保證永磁電機(jī)發(fā)揮良好的牽引制動特性，電機(jī)速度采集的穩(wěn)定性和精確度非常重要。目前永磁電機(jī)主流測速方案是采集和解碼來自RDC輸出的正余弦模擬信號實現(xiàn)。但在大功率高鐵永磁場合其工作時內(nèi)部的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，試驗測量過分相工況后四象限模塊投入工作時刻對RDC傳遞的模擬信號干擾劇烈，導(dǎo)致基于既有永磁采集裝置的信息解碼異常，無法使用電機(jī)的速度和位置信息建立正常牽引控制。因此需要研制適用于復(fù)雜電磁環(huán)境下的高鐵永磁電機(jī)速度采集裝置。本文介紹了基于多反饋巴特沃斯有源低通模擬濾波器技術(shù)的永磁電機(jī)速度采集裝置，相比既有裝置具備測量精度高，抗干擾性強(qiáng)，可靠性好等優(yōu)點。

1 ?技術(shù)方案

高鐵的電機(jī)控制是根據(jù)多傳感器反饋的車輛工況信息按照特定的算法完成的，對數(shù)據(jù)采集提出了高實時性、高可靠性的要求。鑒于電機(jī)的速度和位置信息對于永磁電機(jī)控制的dq坐標(biāo)系以及Id和Iq的閉環(huán)控制的重要性[1]，需保證高鐵永磁在復(fù)雜電磁環(huán)境下RDC解碼信息的正確性、穩(wěn)定性和可靠性。由于RDC的激勵以及反饋信號的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，單純的使用軟件FIR濾波器處理反饋信號效果并不明顯，需在硬件前端加強(qiáng)濾波器設(shè)計，保證模擬信號的純凈。充分考慮幾種有源濾波器的頻響特性[2]，最終選擇多階巴特沃斯低通濾波器實現(xiàn)激勵和正、余弦反饋信號的EMC抗干擾設(shè)計。采用專用集成芯片實現(xiàn)RDC解碼[3]，DSP+FPGA控制架構(gòu)實現(xiàn)采集計算、邏輯管理和診斷控制功能。

2 ?設(shè)計實現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 硬件框圖

本采集裝置充分吸取和借鑒TEC3000平臺的設(shè)計及項目的應(yīng)用經(jīng)驗，采用4DSP+FPGA的全新控制架構(gòu)，裝置的硬件框圖如圖1所示。

2.1.2 硬件組成及功能

本裝置由電源、控制、通信、數(shù)據(jù)采集部分組成。硬件均采用了工業(yè)級以上標(biāo)準(zhǔn)的器件。主要部分硬件的具體設(shè)計如下。

（1）電源部分：裝置由專用的電源板供電，模擬部分±15V電源經(jīng)過EMC濾波后直接使用，控制部分電源采用TI的高可靠性EP類電源產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計，由DC/DC電源和LDO電源由5V降壓生成，分別為FPGA和DSP提供3.3V IO電源、1.2V CORE電源、2.5V輔助電源?？刂齐娫淳哂械綦姳Ｗo(hù)功能，當(dāng)FPGA檢測到外部電源掉電后，內(nèi)部電源能夠確保保護(hù)邏輯執(zhí)行和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的保存。

（2）控制部分：以4片TI公司的C6000系列浮點DSP加1片Xilinx公司的Spartan6系列大容量FPGA為架構(gòu)來進(jìn)行搭建。該部分主要完成裝置的實時控制、粘著控制、逆變控制。主要包括時鐘電路、復(fù)位及電源監(jiān)視電路、數(shù)據(jù)緩存及存儲電路。每片DSP使用一片SDRAM實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的緩沖，一片NORFLASH用于存儲啟動配置程序。FPGA配置程序從外部FLASH加載。

（3）通信部分：作為整個裝置數(shù)據(jù)交換的接口，對外采用以太網(wǎng)接口，選用集成了CSMA/CD 協(xié)議的媒體訪問控制層MAC和物理層PHY的LAN91C111芯片來設(shè)計，便于C6000的DSP的EMIF接口擴(kuò)展實現(xiàn)可自適應(yīng)工作于100/10Mbit/s和全雙工/半雙工的模式?？刂茊卧獌?nèi)部采用AMS總線實現(xiàn)與其他裝置的數(shù)據(jù)交互。

（4）數(shù)據(jù)采集部分：主要包含電壓/電流、電機(jī)速度信號。電壓/電流信號采用ADI公司的AD7606芯片來實現(xiàn)。速度采集部分是本裝置設(shè)計的重點，采用ADI公司專為RDC解碼設(shè)計的AD2S1210芯片，F(xiàn)PGA為解碼芯片提供驅(qū)動，同時采集解碼數(shù)據(jù)信息上傳給DSP控制使用?；诩扔醒b置的實驗表現(xiàn)重點采取三方面來提高采集系統(tǒng)的抗干擾性。

①增益變換電路，該電路可以兼容不同變比的RDC，在RDC耐受的范圍內(nèi)提高激勵信號的幅值，降低了正/余弦調(diào)理電路的幅值。提高了信號在傳輸通道上的信噪比。

②激勵和正余弦反饋電路采用基于多反饋巴特沃斯有源低通濾波器技術(shù)濾除復(fù)雜電磁環(huán)境下的對模擬信號干擾。其中激勵驅(qū)動頻率10kHz，截止頻率fc=30kHz。

③增加主動EMC器件，進(jìn)一步保證RDC與裝置接口電路的ESD和浪涌防護(hù)性能。

本裝置相對于既有裝置的其它重要改進(jìn)如下：

（1）采用大容量FPGA器件，利用內(nèi)部存儲容量開辟緩存空間，基于成熟可靠的軟件實現(xiàn)DPRAM的數(shù)據(jù)交互功能，取消實體DPRAM芯片，降低成本，提高可靠性。

（2）RDC激勵部分由三極管搭建的推挽電路修改為專用的集成電流放大器進(jìn)行設(shè)計，減少PCB布局空間。電路設(shè)計更加靈活，通過不同的BOM配比可以適用多品牌的旋轉(zhuǎn)變壓器規(guī)格。

2.2 軟件設(shè)計

為實現(xiàn)本裝置功能，軟件主要包含2部分：運行于FPGA的邏輯控制和解碼芯片驅(qū)動程序以及運行于DSP 的電壓/電流、速度計算和電機(jī)控制程序。

2.2.1 FPGA程序

FPGA芯片采用Xilinx公司的Spartan6系列大容量高性能產(chǎn)品，采用Verilog 語言編程。主要完成供電監(jiān)視及硬件喂狗信號輸出、LED指示燈控制、網(wǎng)絡(luò)控制芯片的邏輯控制、ADC 芯片、RDC解碼芯片的地址分配以及驅(qū)動、FLASH 的地址分配、內(nèi)部多DSP的EMIF總線交互和外部AMS總線通信的邏輯控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2.2.2 DSP程序

DSP程序采用C語言進(jìn)行編程，主要實現(xiàn)電壓/電流、速度計算以及電機(jī)控制功能，它包括如下幾個功能塊：驅(qū)動初始化、數(shù)據(jù)緩存與記錄存儲、以太網(wǎng)通信、AMS通訊、EMIF通訊、電壓/電流模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)計算、速度計算及診斷、電機(jī)實時控制等。速度計算和診斷軟件基本流程如圖2所示。

3 ?試驗驗證

改進(jìn)型高鐵永磁速度采集裝置做了如下實驗驗證：

（1）通過了GB/T 25119-2010規(guī)定的電子裝置各項檢驗，完成型式試驗認(rèn)證。

（2）通過了中鐵檢驗認(rèn)證中心高壓試驗，驗證了復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾性能，裝置對比效果如圖3所示，表明本裝置采集效果良好，具備較強(qiáng)的抗干擾能力。即使在旋變信號線不屏蔽的情況下裝置的信號采集和電機(jī)控制功能依然正常。

另通過表1的速度采集對比數(shù)據(jù)看，本裝置采集轉(zhuǎn)速波動較小，精度更高。

（3）通過了溫度可靠性試驗，經(jīng)過低溫啟動及運行、高溫啟動及運行、溫度循環(huán)試驗的考核[4]，產(chǎn)品的溫度工作極限在-45℃～95℃，完全滿足現(xiàn)行軌道交通電子裝置的運行環(huán)境溫度要求。

4 ?結(jié)語

通過重點改進(jìn)裝置控制數(shù)據(jù)交互鏈路、RDC激勵驅(qū)動以及數(shù)據(jù)采集電路的方案設(shè)計，新研制的高鐵永磁速度采集裝置抗干擾性能顯著提高，數(shù)據(jù)采集精度相對提高5rpm/min左右，能夠完全滿足在復(fù)雜電磁環(huán)境下電機(jī)控制算法對速度采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和實時性的要求，可實現(xiàn)對既有永磁采集裝置的兼容升級替代。該采集裝置的成功研制，進(jìn)一步豐富了TEC3000平臺的產(chǎn)品譜系。目前已經(jīng)成功擴(kuò)展應(yīng)用在多個永磁牽引項目上，運行穩(wěn)定可靠，具備進(jìn)一步批量推廣價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭漢鋒，許峻峰，張朝陽，等.永磁同步電機(jī)高速弱磁控制比較分析[J].機(jī)車電傳動，2016（3）：5-8.

[2] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].5版.北京：高等教育出版社，2015.

[3] Precision Resolverto-Digital Converter Measures Angular Position and Velocity [EB/OL].2014.

[4] 呂陽，劉莉娜，鄭良廣，等.KZ4A型機(jī)車用傳動控制單元改進(jìn)型故障存儲裝置[J].機(jī)車電傳動，2015（3）：53-55.