一種城軌車輛牽引變流器控制單元的硬件設計

阮　錚

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京　100081)

牽引變流器(簡稱變流器)是城軌車輛牽引傳動系統(tǒng)的核心設備，其控制方式通常是基于脈沖寬度調制(PWM)技術，將直流電源轉化為調壓調頻的電源以驅動異步電機(簡稱電機)。控制單元是變流器的重要組成部件，其作用是通過采集供電直流電壓、電機相電流以及功率模塊溫度，從而控制、監(jiān)控、保護變流器。隨著技術的不斷進步，城軌車輛部件正在向輕量化、小型化、集成化發(fā)展，如復合牽引功率模塊，需將逆變器功率部件和制動斬波器功率部件及驅動、直流環(huán)節(jié)電容等通過復合母排進行安裝，同時集成電壓電流傳感器和變流器控制單元共同作為變流器的核心部件。

傳統(tǒng)的控制單元一般采用模塊化設計，將模塊的功能通過不同類型的板卡實現(xiàn)，并將這些板卡統(tǒng)一安置于1臺控制單元機箱內，然后通過各板卡的對外接口與變流器的各類信號線連接，再通過背板總線的方式實現(xiàn)板卡的內部連接，統(tǒng)一完成控制功能。這種結構非常成熟，并且具有良好的擴展性，可依據(jù)機組要求的不同增減相應板卡，但其對空間的需求較高，在變流器設計時需要預留控制單元室。因而，這種控制單元的結構特點和接線方式決定了其不適合與復合牽引功率模塊配合使用。

本文在分析變流器控制單元功能需求的基礎上，針對采用復合牽引功率模塊的城軌牽引變流器，研究1種采用底板加少量扣板的緊湊型控制單元設計方法，并用于DC1 500 V供電制式的牽引變流器。

1　控制單元的設計需求分析和基本架構

城軌車輛典型DC1 500 V牽引傳動系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。圖中：虛線箭頭標出的是控制單元需要采集或控制的信號。該牽引傳動系統(tǒng)為架控模式，由高速斷路器、變流器和電機組成。變流器采用強迫風冷方式，冷卻風機安裝在箱體內部。

圖1　城軌車輛典型1 500 V牽引傳動系統(tǒng)結構圖

變流器的主電路包括功率輸入電路和牽引功率模塊。

運行過程中，控制單元需對圖1中的各類信號進行測量和監(jiān)控，驅動各類執(zhí)行機構，完成對變流器的控制。根據(jù)上述分析，可將變流器控制單元的需求概括為：接收上位機或列車網絡的控制指令，驅動執(zhí)行機構，完成如閉合斷開各類接觸器、啟停逆變器和制動斬波裝置等變流器系統(tǒng)級操作；執(zhí)行牽引控制算法，產生牽引功率模塊的PWM驅動脈沖，完成電機轉矩的閉環(huán)調節(jié)；在機組運行時，實時監(jiān)測系統(tǒng)的網壓、直流側電壓、直流側電流、電機電流、轉速、變流器模塊溫度、各接觸器狀態(tài)反饋等信息，執(zhí)行軟件故障判斷、保護。

控制單元的需求可從功能上分解為3個模塊加以實現(xiàn)：控制系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊以及信號處理模塊。

(1)控制系統(tǒng)模塊，包括系統(tǒng)級控制和逆變器級控制兩部分：系統(tǒng)級控制，包括與車輛總線進行通訊，從車輛總線接收當前車輛運行方向、當前載荷以及手柄力矩指令值，從而結合設計特性曲線、給出電機輸出轉矩的正負和大小，執(zhí)行各種邏輯控制，包括接觸器閉合斷開，逆變器和制動斬波器激活封鎖等指令，完成故障診斷等任務；逆變器級控制，包括逆變器驅動控制和對制動斬波裝置的控制，是牽引傳統(tǒng)系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)轉矩、磁鏈預置值，結合采集到的電壓、電流、速度等數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制算法，實現(xiàn)PWM控制和脈沖生成、電機控制、黏著控制、參數(shù)辨識等功能，執(zhí)行牽引算法，驅動逆變器和電機，控制制動斬波電路等。

(2)數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊：是連接控制系統(tǒng)模塊和信號處理模塊的橋梁，并行處理和執(zhí)行控制系統(tǒng)模塊發(fā)出的針對不同控制對象的控制指令，同時對信號處理模塊的輸出進行統(tǒng)一處理，將其轉換為控制系統(tǒng)模塊可讀的數(shù)據(jù)。

(3)信號處理模塊，包括3部分：開關量處理電路、功率半導體器件的驅動控制和反饋狀態(tài)監(jiān)測，通過觸點控制各類斷路器和接觸器；模擬量處理電路，負責各類模擬量的采集和處理，將系統(tǒng)中傳感器輸出的模擬量轉換為處理器可讀的數(shù)字量，以完成牽引計算，同時對關鍵模擬量進行監(jiān)控，用以系統(tǒng)保護；脈沖輸出及反饋處理電路，將控制脈沖從控制單元發(fā)送至功率開關器件的驅動部件，驅動各開關管，并通過讀取反饋狀態(tài)對開關管進行監(jiān)控。

綜合考慮上述功能，1個基本的控制單元的架構如圖2所示。

圖2　城軌車輛變流器控制單元架構

2　控制單元的硬件設計

控制單元各模塊的硬件設計在結構上采用底板加扣板的方式，底板直接面向變流器，集成各類信號處理電路和對外通訊接口；功能相對獨立的部分可設計為扣板。統(tǒng)一的硬件平臺可節(jié)約成本，便于維護。

2.1　控制系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)級控制和逆變器級控制要求的是2種不同的能力。系統(tǒng)級控制要求的是較強的邏輯處理能力和處理通訊協(xié)議的能力，為此使用具備順序執(zhí)行程序結構和豐富外設、廣泛應用于工控領域的微控制單元(Micro Controller Unit，MCU)完成系統(tǒng)級控制；逆變器級控制要求的是強大的實時計算能力，為此使用具備專門的乘加結構、大量運算單元、實時計算能力強大的數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)，逆變器驅動控制處理器之間的通信可通過共享RAM完成，共享RAM和數(shù)據(jù)采集處理可在數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)控模塊中一并實現(xiàn)。

出于行車安全和故障診斷的考慮，使用非易失性存儲器存儲故障數(shù)據(jù)，以配合MCU存儲故障信息。此外，視處理器芯片類型，考慮配備相應的程序存儲器。

目前主流的MCU和DSP芯片的接口電壓均為3.3 V，內核電壓一般為1.2和1.8 V等級，在硬件設計時應使用帶有電壓監(jiān)測功能的穩(wěn)壓器為處理器供電，在任何電壓等級發(fā)生異常時都應觸發(fā)系統(tǒng)復位信號。同時為防止軟件故障引起系統(tǒng)工作異常，控制系統(tǒng)的復位源也應包括從MCU和DSP引出的看門狗信號。2個處理器及其外圍電路構成的控制系統(tǒng)模塊如圖3所示。

圖3　控制系統(tǒng)模塊簡圖

2.2　數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊

控制單元面對的控制對象和監(jiān)控對象由于種類各不相同，而且彼此之間相對獨立，MCU和DSP的功能相對固定，不具備大規(guī)模的并行處理能力，因此采用具備豐富的接口、大量的存儲器和高速并行處理能力并可靈活對硬件功能進行編輯的可編程邏輯器件(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)作為MCU和DSP的協(xié)處理器，負責所有對外部電路的接口。FPGA的結構特點決定了它可同步對其所有的輸入進行監(jiān)測，因此也很適合對牽引傳動系統(tǒng)運行中的關鍵數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，并執(zhí)行時效性要求較高的保護動作。MCU和DSP可統(tǒng)一通過FPGA與外部資源進行交互，基于FPGA的IP軟核可搭建用于 MCU，DSP和FPGA之間通訊的雙向三口RAM[1]。

2.3　信號處理模塊

針對變流器不同類型的信號進行處理，完成控制系統(tǒng)模塊指令輸出和系統(tǒng)狀態(tài)的采集。

2.3.1開關量處理電路

控制單元面對的開關量主要是主斷路器、接觸器等?？刂茊卧ㄟ^控制接觸器線圈的得電、失電，驅動接觸器主觸點的閉合、斷開，同時檢測輔助觸點的狀態(tài)反饋。依據(jù)應用場合的不同，接觸器線圈的電壓等級一般為110或24 V，輔助觸點的電壓等級一般為24 V。從設計思路看主觸點和輔助觸點的驅動并無區(qū)別，即首先必須在控制單元的信號側和接觸器的線圈側進行隔離，這一般是通過光耦或繼電器實現(xiàn)的。選擇光耦和繼電器時，應充分考慮到其能承受的電壓和電流是否滿足目標接觸器線圈的需求。同時，為保護光耦或繼電器不被沖擊和浪涌損壞，應在輸入、輸出端設計過壓吸收電路[2]。開關量輸出信號由控制系統(tǒng)模塊結合數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊發(fā)出，通過緩沖電路增強驅動能力，再通過光耦或繼電器對線圈電流的通斷進行控制；開關量輸入信號經過壓吸收回路后，通過分壓調整為適合輸入光耦的電壓等級，經緩沖電路反饋給控制系統(tǒng)模塊。

2.3.2模擬量采集和處理電路

變流器的模擬量信號一般包括電壓、電流、速度和溫度信號。需根據(jù)每類信號的傳感器輸出類型和信號用途分別進行信號調理，并確定其采樣和模數(shù)轉換的方式。

電壓和電流的測量通常使用磁平衡式的霍爾傳感器，一般為雙極型供電，輸出電流信號。以圖1為例，使用電流型傳感器測量的模擬量包括網壓、中間直流環(huán)節(jié)電壓、網側輸入電流、網側回流、逆變器輸出U相和V相電流。對上述模擬量的處理可分為如下3個方面。

(1)信號采集和調理：盡管傳感器的供電電壓不同，但是均輸出電流信號，因此采集和調理方式可采用同一種設計。由控制單元提供采樣電阻，將輸入的電流信號轉換為電壓信號，再通過調理電路調整為合適的電壓范圍。

(2)A/D轉換：將采集和調理后的模擬量通過A/D轉換轉成數(shù)字量，并存入數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊，以供控制系統(tǒng)模塊讀取。常用的A/D轉換方式包括逐次比較法和壓頻轉換法。

采用壓頻轉換方式時，其轉換精度與阻容電路中的電容值精度有關，電容值的精度一般不高且易受到溫度變化的影響，需要對其進行周期性的校正[3]。這種轉換方式從硬件和軟件上都需要進行更多的工作，但其優(yōu)異的抗擾性能和取平均值的特性使其成為在執(zhí)行牽引控制算法時很好的選擇。

(3)電壓電流的超限保護：以上模擬量既是完成牽引控制算法的必要數(shù)據(jù)，也是系統(tǒng)運行的關鍵，必須加以監(jiān)控，以防發(fā)生過壓、過流等嚴重故障，損壞機組。當故障發(fā)生時，由于軟件運行時有其固有的周期，難以在第一時間發(fā)現(xiàn)故障并進行保護，需要在硬件設計時搭建模擬量超限保護模塊，以便用最快的速度識別故障，執(zhí)行保護動作。保護模塊通過將調理后的模擬量信號與預先設定的保護限值進行比較，由數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊讀取比較的結果，可在采集的模擬量超出限制值時的第一時間做出保護動作。

當監(jiān)控的模擬量為交流量時，對其負半周也需要檢測是否超過限制值，因此需對模擬量作絕對值處理。

設定保護限值時，可分級設定。通過參考電壓結合可調電阻進行分壓，或者采用DA轉換器方式靈活設置保護限值，但最高一級的保護限值應使用固定阻值的電阻對參考電壓進行分壓，保證可靠性。

電流型傳感器通道的總體設計方案如圖4所示。

圖4　電流型模擬量采集和處理電路設計方案

速度信號來自電機的速度傳感器，各電機的速度傳感器供電均取自控制單元，在控制單元的速度傳感器供電電源側應加以隔離。若輸出的速度信號為正弦波，可預設1個低于輸出信號峰值的參考電壓，當輸出信號高于參考電壓時輸出高電平，低于參考電壓時輸出低電平，從而將正弦波信號轉換為方波信號。在數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊中建立計數(shù)器，并行地對各路方波信號按照測周法進行測量。可以以同一組速度信號中的某一路為基準，在其上升沿到來時測量另一路信號的狀態(tài)，從而判斷車輛運行方向。變流器中測量溫度的傳感器以Pt100型溫度傳感器較為常見，使用恒流源給其供電，并測量兩端電壓，得出電阻，再求出溫度。由于Pt100型溫度傳感器的布置一般位于功率模塊或進出風口附近，與控制單元的距離較遠，需要較長的引線，而其溫度系數(shù)只有0.385 Ω·℃-1，引線電阻產生的測量誤差可能影響測量的準確性，可采用四線制接法，從傳感器兩端引出2組線，將電流線和測量線分開，測量線上的壓降極小，可較好地測出電阻兩端的壓降。

2.3.3脈沖輸出及反饋處理電路

在變流器中，控制單元將控制脈沖發(fā)送給功率模塊的驅動電路，驅動IGBT的門級，而IGBT的工作電壓可達到數(shù)千伏。因此在選擇控制脈沖輸出和反饋的實現(xiàn)方式時，需要滿足主電路和控制單元的高壓隔離要求。城市軌道交通領域中廣泛使用光電隔離的方式，這包括光耦隔離和光纖隔離方式。光耦隔離具有體積小、電路結構簡單、成本較低的優(yōu)點，但存在隔離電壓不高、傳輸延時較大、容易老化等缺點。光纖隔離可實現(xiàn)長距離的完全電隔離傳輸，具有抗電磁干擾能力強、隔離電壓高、可靠性高等優(yōu)點[4]，但光纖的強度不高，對走線的弧度、線束的固定和插頭的連接可靠性有更嚴格的要求，在變流器箱體和功率模塊設計時需要注意。在條件允許的情況下，推薦使用光纖隔離方式。

控制單元在硬件功能分配上，由電機控制的微處理器直接發(fā)出控制脈沖，在可編程邏輯器件中進行死區(qū)時間、最小脈寬的設置(部分微處理器也可在脈沖生成時就進行這些設置)。由可編程邏輯器件判斷脈沖反饋狀態(tài)，在反饋狀態(tài)異常時，封鎖脈沖，保護IGBT模塊，并將故障狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng)模塊。

3　設計實例和試驗驗證

依據(jù)上述設計思路，結合城軌車輛變流器的研制，設計了1臺城軌牽引控制單元，考慮到通用性，將控制系統(tǒng)模塊設計為1塊扣板，使其可應用于不同類型控制單元的底板，稱為核心板；電壓、電流傳感器的信號采集和調理部分設計為1塊扣板，稱為采樣板，以方便更換；因為數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控模塊與信號處理模塊聯(lián)系密切，所以將二者設計為底板。將高速電路置于中心位置，低速部分置于外圍，免除了采用背板設計時高低速信號混雜的情況，降低了走線難度；同時將傳統(tǒng)的箱體加背板式的控制單元對“體積”的要求轉換為了底板對“面積”的要求，極大減小了控制單元的實際體積，可以很方便地集成于牽引功率模塊上。

3.1　部分電路功能設計實例

3.1.1壓頻轉換通道設計實例

圖5給出1個壓頻轉換通道設計實例。采用壓頻轉換器AD654搭建轉換電路，其中Uin為待測輸入電壓，fout為輸出頻率，選取輸入電壓限流電阻R1=39 kΩ，參考電壓限流電阻R2=10 kΩ，運放負反饋電阻R3=10 kΩ，接地電阻R4=10 kΩ，諧振電容C=680 pf，參考電壓Uref=-5 V。根據(jù)其芯片手冊提供的公式，可得其壓頻轉換公式為

(1)

分別調節(jié)待測輸入電壓Uin的值，并對輸出頻率fout進行測量，結果如圖6所示。從圖6可見，該轉換電路具有良好的線性度，便于建立轉換公式，完成從模擬量到數(shù)字量的轉換。

這種轉換方式本身是1個積分過程，相當于經過了低通濾波[5]，對高頻干擾有著天然的濾除作用。對壓頻轉換電路分別輸入5 V的直流電壓和疊加頻率為50和100 kHz、峰值為800 mV高頻諧波的5 V直流電壓，其轉換結果如圖7所示。由圖7可見，在被測模擬量中含有高頻諧波時，也能較真實地反映出基波分量的大小。

圖5　壓頻轉換通道設計實例

圖6　典型輸入電壓的壓頻轉換結果

圖75 V直流輸入電壓和疊加了高次諧波的5 V直流輸入電壓與轉換結果的對比

3.1.2絕對值生成電路設計實例

絕對值生成電路可通過運算放大器和二極管搭建，如圖8所示。圖中的各運放匹配電阻R選取10 kΩ。

該電路的思路是將1個輸入同時通過1個同相放大器和1個反相放大器，并依靠二極管的特性，使它們分別在輸入電壓的正半周和負半周進行有效輸出，從而產生取絕對值的效果。其轉換結果如圖9所示。由圖9可見，該電路具有良好的特性。

圖8　絕對值生成電路

圖9　±2 V正弦波絕對值轉換結果

3.2　控制單元硬件資源一覽

控制單元的主要硬件設計說明見表1。

表1　控制單元的主要硬件設計說明

續(xù)表1

控制單元整體效果如圖10所示。

圖10　控制單元整體效果圖

3.3　試驗驗證

搭載圖10所示控制單元的自主研發(fā)1 500 V變流器完成了型式試驗。在預充電啟動過程中，直流側電壓的變化及特定速度點持續(xù)運行期間變流器輸出電流及直流側電壓的波形分別如圖11和圖12所示。試驗過程中，機組運行穩(wěn)定，符合預期。

圖11　預充電啟動過程中直流側電壓波形

圖12持續(xù)運行過程中，直流側電壓和變流器輸出U相、V相的電流波形

4　結　語

本文在分析城軌牽引變流器控制需求的基礎上，討論了1種與傳統(tǒng)背板加箱體模式控制單元體積更小、模塊數(shù)量更少、結構更加簡單的緊湊型控制單元設計方法，并設計實現(xiàn)了1種可安裝于牽引功率模塊的控制單元，搭載此控制單元的牽引變流器已完成了相應的變流器型式試驗和牽引系統(tǒng)地面聯(lián)調試驗，性能符合設計要求。

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