輔助變流器控制裝置研究

羊利芬 曾明高 李小文 莫?jiǎng)磐?/p>

摘 要：研究設(shè)計(jì)一種輔助變流器控制裝置，該控制裝置采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，將多種常用的功能電路固化成標(biāo)準(zhǔn)的模塊。該控制裝置目前批量應(yīng)用于機(jī)車、動(dòng)車、城市軌道交通等領(lǐng)域的輔助變流器產(chǎn)品上，可大大提高產(chǎn)品對市場的響應(yīng)速度，降低其開發(fā)成本，提高系統(tǒng)可靠性。

關(guān)鍵詞：軌道交通;輔助變流器;控制裝置;DSP;PowerPC;模塊化;標(biāo)準(zhǔn)化

中圖分類號：TP23

0 引言

隨著越來越多的輔助變流器產(chǎn)品采用各種微處理器作為控制系統(tǒng)的核心，在開發(fā)過程中產(chǎn)品暴露出的一些問題越來越嚴(yán)重：由于產(chǎn)品要求的多樣性，每一種新產(chǎn)品都面臨著硬件和軟件的重新設(shè)計(jì)，因此降低了產(chǎn)品開發(fā)效率，增加了研發(fā)投入，且不利于產(chǎn)品的維護(hù)。而隨著市場競爭主體的不斷涌入和逐漸成熟，要求其對市場項(xiàng)目的響應(yīng)速度越來越快，市場項(xiàng)目開發(fā)的時(shí)間也要相應(yīng)縮短。為了解決上述問題，有必要開發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的、通用的輔助變流器控制裝置（以下簡稱“控制裝置”），將多種常用的功能電路固化成標(biāo)準(zhǔn)的模塊。這樣，在向市場推出某種特定的輔助變流器裝置時(shí)，其控制部分可以直接使用該控制裝置。

1 控制裝置簡介

控制裝置的外形如圖1所示。該控制裝置主要用于大功率的輔助變流器，與整車電氣系統(tǒng)有較多的信息交互。該控制裝置采用插件箱結(jié)構(gòu)，信號從各插件的前面板輸入或輸出;插件箱與變流器模塊通過屏蔽電纜傳輸信號實(shí)現(xiàn)輔助變流器系統(tǒng)的管理、邏輯控制、顯示等功能。該控制裝置具有良好的擴(kuò)展性，成本較低，適合批量生產(chǎn)。

2 控制裝置主要功能

2.1 提供控制電源

該控制裝置為其本身及輔助變流器系統(tǒng)的傳感器、風(fēng)機(jī)等提供電源，適用于110 V控制電源輸入的系統(tǒng)。具體提供的控制電源參見表1。

2.2 模擬信號處理

該控制裝置將輔助變流器系統(tǒng)中傳感器、互感器等部件采集的模擬信號進(jìn)行信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，另外還可輸出2路4～20 mA模擬信號。這部分功能由一塊單獨(dú)的模擬入出插件完成，輸入的傳感器反饋信號為-200～200 mA的電流信號或者±10 V的電壓信號，共16路。模擬入出插件上帶有A/D轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換精度為16位，轉(zhuǎn)換速率不低于40 kS/s。模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過并行數(shù)據(jù)總線送給數(shù)字信號處理器（DSP），并由其根據(jù)需要將有關(guān)數(shù)據(jù)再傳送給精簡指令集架構(gòu)的中央處理器（PowerPC）。

2.3 數(shù)字信號轉(zhuǎn)換

該控制裝置將輔助變流器系統(tǒng)傳遞來的110 V數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成5 V信號后再傳送給裝置內(nèi)部的處理器板，同時(shí)將處理器板對外輸出的控制信號、指示信號等由5 V轉(zhuǎn)換成110 V。另外，該控制裝置根據(jù)需要將脈沖信號由5 V轉(zhuǎn)換成其他電壓等級的信號，同時(shí)兼容24 V輸入輸出系統(tǒng)。數(shù)字通道具體配置情況參見表2。

2.4 系統(tǒng)管理、邏輯控制、實(shí)時(shí)顯示

該控制裝置可實(shí)現(xiàn)輔助變流器系統(tǒng)的管理、邏輯控制、實(shí)時(shí)顯示等功能。這部分功能由飛思卡爾FreeScale公司的MPC5200B主導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。

2.5 逆變控制和故障保護(hù)

該控制裝置由德州儀器（TI）公司的DSP-TMS320F28335實(shí)現(xiàn)逆變器的實(shí)時(shí)控制和故障保護(hù)，還可通過軟、硬件的配置實(shí)現(xiàn)半橋、全橋DC/DC高頻逆變，單相、三相兩電平逆變器的控制和故障保護(hù)。具體功能包括：輸入過壓保護(hù)、輸入過流保護(hù)，模塊故障保護(hù)、輸出過流保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、接觸器故障保護(hù)、輸出接地保護(hù)等。

2.6 故障信息處理

該控制裝置具有4 GB的工業(yè)級CF卡，可記錄故障現(xiàn)場數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可通過以太網(wǎng)口下載至PC機(jī)中進(jìn)行分析。

2.7 通信接口

該控制裝置具有CAN、RS485/RS232、以太網(wǎng)以及MVB通信接口，可以滿足車輛級乃至列車級的控制需求和信息化需求。

2.8 擴(kuò)展

該控制裝置采用插件箱結(jié)構(gòu)，通過背板總線實(shí)現(xiàn)插件信號之間的互連;插件箱結(jié)構(gòu)通過增加相應(yīng)的接口插件，實(shí)現(xiàn)輸入輸出以及計(jì)算能力的擴(kuò)展。系統(tǒng)需根據(jù)具體的應(yīng)用場合，確定插件的類型和數(shù)量。

另外，各種輔助變流器的輸出功率從小到大跨度較大，其功能需求也各不相同，因此，對控制裝置的體積、質(zhì)量、成本要求也各不相同。在固定統(tǒng)一的核心處理器和協(xié)處理器的基礎(chǔ)上，又可以根據(jù)具體產(chǎn)品對體積、質(zhì)量、成本的需求，在本插件箱控制裝置基礎(chǔ)上，對其功能進(jìn)行相應(yīng)裁減，形成如模塊式控制裝置、單板迷你型控制裝置等，如圖2所示。

2.9 人機(jī)接口

該控制裝置能滿足具體項(xiàng)目應(yīng)用過程中各階段人機(jī)交互的接口需求，如圖3所示。輔助變流器系統(tǒng)運(yùn)行過程中的關(guān)鍵信號狀態(tài)、工作狀態(tài)、故障狀態(tài)通過設(shè)置LED燈或LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

（1）設(shè)計(jì)開發(fā)階段。開發(fā)人員編寫的軟件代碼編譯后可通過開發(fā)工具燒寫至控制板，也可用PC機(jī)通過以太網(wǎng)口下載至控制板。同時(shí)，可在PC機(jī)上通過以太網(wǎng)口設(shè)定控制、保護(hù)參數(shù)，觀察各系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，以及各存儲器變量、數(shù)據(jù)波形等。

（2）生產(chǎn)調(diào)試階段。調(diào)試人員可通過一個(gè)手持的LCD顯示操作器通過RS485/RS232接口連接設(shè)定控制、保護(hù)參數(shù)，觀察各系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù);也可用PC機(jī)通過以太網(wǎng)口設(shè)定控制、保護(hù)參數(shù)，觀察系統(tǒng)運(yùn)行各參數(shù)，以及各存儲器變量、數(shù)據(jù)波形等。

（3）現(xiàn)場調(diào)試或售后服務(wù)階段。調(diào)試人員及技術(shù)服務(wù)人員可在司機(jī)室或車廂內(nèi)用PC機(jī)通過以太網(wǎng)口設(shè)定控制、保護(hù)參數(shù)，觀察系統(tǒng)運(yùn)行各參數(shù)，以及各存儲器變量、數(shù)據(jù)波形等。另外，機(jī)箱式的控制平臺還設(shè)置一個(gè)模擬反饋信號插頭，可通過該插頭將系統(tǒng)反饋信號引至車廂內(nèi)的示波器進(jìn)行觀察，將極大地方便現(xiàn)場調(diào)試和技術(shù)服務(wù)。

（4）地面軟件故障分析。用戶及技術(shù)服務(wù)人員可通過PC機(jī)下載故障記錄數(shù)據(jù)信息，用車載控制裝置及數(shù)據(jù)處理平臺分析處理，便于故障診斷、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和設(shè)計(jì)改進(jìn)。

3 控制裝置主要特點(diǎn)

該控制裝置的硬件針對實(shí)時(shí)控制、邏輯控制以及系統(tǒng)管理的需求，其主控芯片采用2塊不同的CPU：TI公司的32位高性能定點(diǎn)DSP-TMS320F2812PGFA和FreeScale公司的PowerPC-MPC5200B。其中，DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，PowerPC進(jìn)行邏輯控制和系統(tǒng)管理;另外加上擴(kuò)展的外設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用的模擬信號處理電路、數(shù)字信號處理電路與電源板，構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大、配置靈活、功能相對獨(dú)立完整的通用控制系統(tǒng)。

該控制裝置的模數(shù)信號在板內(nèi)完成功能實(shí)現(xiàn)或數(shù)字化處理，使信號得到就近處理，防止模擬信號由于經(jīng)過連接器及背板走線過長而引入干擾，從而提高了系統(tǒng)的可靠性?？刂蒲b置采用PowerPC實(shí)現(xiàn)故障記錄功能和系統(tǒng)管理功能，同時(shí)采用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)與地址空間的管理以及系統(tǒng)邏輯控制，在節(jié)約成本的同時(shí)使系統(tǒng)的軟、硬件更為簡練。

4 控制裝置試驗(yàn)

控制裝置在完成型式試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，還進(jìn)行了可靠性增長試驗(yàn)。具體試驗(yàn)過程如下。

（1）根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)際應(yīng)用環(huán)境等因素，確定相應(yīng)的應(yīng)力等參數(shù)。按照圖4所示要求，在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)按順序加入相應(yīng)的試驗(yàn)條件完成其性能測試。

（2）先按圖4所示試驗(yàn)剖面完成1個(gè)周期的試驗(yàn)，再按圖5所示試驗(yàn)剖面完成6個(gè)周期的快速溫度變化循環(huán)試驗(yàn)，在試驗(yàn)規(guī)定階段進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)與生命信號的測試。圖5中：AB、CE、FG段的溫度變化率為15℃/min，BC、EF段的溫度變化時(shí)間為120 min，循環(huán)周期數(shù)為6個(gè)，高、低溫度值分別為100 ℃和-40 ℃。

通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬濕度、通斷、溫度、振動(dòng)、電應(yīng)力、EMC浪涌和脈沖群等綜合應(yīng)力環(huán)境，以模擬較為真實(shí)的使用環(huán)境與特殊工況，激發(fā)該控制裝置的潛在故障，并通過故障模式確認(rèn)、失效分析、故障修復(fù)等手段，最終達(dá)到故障歸零的目的，提高控制裝置的可靠性，降低維護(hù)成本。

5 結(jié)語

該控制裝置主要是針對當(dāng)前輔助變流器系列產(chǎn)品而研制的，也可應(yīng)用于其他中小功率的工業(yè)民用產(chǎn)品，如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車、航空航天以及車載電源裝置。目前，4400HP內(nèi)燃機(jī)車輔助變流器、新一代地鐵牽引系統(tǒng)平臺集成式輔助變流器、長沙地鐵2號線輔助變流器等眾多產(chǎn)品上已運(yùn)用該控制裝置。

總之，輔助變流器產(chǎn)品采用該控制裝置，能大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)周期，提高輔助變流器產(chǎn)品對市場的響應(yīng)速度;并能降低輔助變流器的設(shè)計(jì)開發(fā)成本，提高輔助變流器產(chǎn)品的科研開發(fā)效率。該控制裝置采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，大大降低了產(chǎn)品的原材料成本和生產(chǎn)制造成本，也提高了輔助變流器產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]丁榮軍，黃濟(jì)榮. 現(xiàn)代變流技術(shù)與電氣傳動(dòng)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[2]劉陵順，高艷麗. TMS320F28335 DSP原理及開發(fā)編程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[3]周志敏. 開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[4]李玉山，李麗平. 信號完整性分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[5]吳亮紅，成繼勛. 基于CPLD的可控步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器設(shè)計(jì)[J]. 控制工程，2005，12（1）：94-96.

[6]劉建偉. 軌道交通車輛MVB通信網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2006.

[7]張應(yīng)和. 動(dòng)車組輔助電源系統(tǒng)工作原理的分析和研究[J].西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2015（3）：23-26.

[8]王文海. 基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的控制系統(tǒng)編程語言的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2006（3）：67-69.

[9]張寧，王佳佳. CRH2型300 km/h動(dòng)車組國產(chǎn)輔助變流器的設(shè)計(jì)[J].大功率變流技術(shù)，2010（2）：31-33.

[10] 劉長清，郭平華，黃長強(qiáng)，等. 電力機(jī)車四象限輔助變流器的研制[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2003，26（6）：18-20.

收稿日期 2019-04-01

責(zé)任編輯 黨選麗