輔助逆變器控制單元硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安市，710300）王古森

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車數(shù)量增加造成的交通擁堵已變成日益嚴(yán)峻的社會(huì)問題，各式各樣的公共交通和出行方式也應(yīng)運(yùn)而生，其中地下鐵道（簡(jiǎn)稱地鐵）以其運(yùn)輸量大、準(zhǔn)時(shí)、速度快、無污染等特點(diǎn)備受政府部門和上班族的喜愛。

輔助逆變器作為地鐵車輛的重要核心部件之一，其主要功能是將弓網(wǎng)的直流1 500V高壓轉(zhuǎn)換為三相交流電，給地鐵上的空調(diào)、照明、空氣壓縮機(jī)、電加熱器及監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備供電。但早期由于技術(shù)受限，該設(shè)備只能從國(guó)外引進(jìn)。國(guó)際上從事相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的公司主要集中在歐洲和日本，在歐洲主要以法國(guó)的阿爾斯通、加拿大的龐巴迪、德國(guó)的西門子為代表，日本則是以日立、三菱、東芝等著名企業(yè)為代表。阿爾斯通在世界軌道交通行業(yè)擁有超過18%的市場(chǎng)份額，其在技術(shù)創(chuàng)新和環(huán)保方面已成為全球軌道交通行業(yè)的領(lǐng)頭羊。法國(guó)的巴黎地鐵14號(hào)線，被譽(yù)為“21世紀(jì)地鐵”，它的列車控制系統(tǒng)是當(dāng)今世界最先進(jìn)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)之一。日本具有完備的軌道交通裝備制造體系，其中，日立公司在軌道車輛和電氣設(shè)備生產(chǎn)和設(shè)計(jì)方面居于世界領(lǐng)先地位。我國(guó)在購(gòu)買這些企業(yè)設(shè)備的同時(shí)也進(jìn)行了技術(shù)引進(jìn)，經(jīng)過不斷實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化升級(jí)，逐步走上了輔助逆變器國(guó)產(chǎn)化自主研發(fā)的道路，并已經(jīng)大量應(yīng)用于地鐵上。

隨著應(yīng)用環(huán)境、控制方式、輕量化、小型化、電磁兼容等各方面的要求，輔助逆變器及其內(nèi)部部件，都在不斷的優(yōu)化升級(jí)。從輕量化、小型化方面去優(yōu)化輔助控制單元的硬件設(shè)計(jì)，在保證各功能模塊和接口不變的情況下，盡量多預(yù)留多兼容適用于其它控制模式的平臺(tái)。同時(shí)擬采用底板加小板的架構(gòu)完成相應(yīng)功能的設(shè)計(jì)，將模擬采樣、數(shù)字信號(hào)輸入輸出、門極驅(qū)動(dòng)以及相應(yīng)的保護(hù)和檢測(cè)電路集成在底板上，將通訊板、核心控制板通過板間插針與底板連接，并通過螺柱、螺母與底板固定。該方案無需通過背板進(jìn)行板間通信，有效防止了信號(hào)之間的串?dāng)_，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了模擬采樣的精度和電路的穩(wěn)定性。同時(shí)省去了各電路板的面板設(shè)計(jì)和制造，使得控制箱的體積和成本也得到一定程度的縮減。

2 硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該控制單元以DSP+FPGA的架構(gòu)完成模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的采集、門極驅(qū)動(dòng)的脈沖輸出、數(shù)字信號(hào)的輸出、通訊、故障存儲(chǔ)、保護(hù)等功能。FPGA和DSP共用雙向RAM，通過總線的形式對(duì)RAM進(jìn)行操作，SPANTAN6上電后可自己從外部程序存儲(chǔ)FLASH引導(dǎo)程序，也可通過DSP進(jìn)行串行引導(dǎo)。RS232通訊主要給日常軟件調(diào)試和連接上位機(jī)時(shí)使用。CAN通訊主要用于車上調(diào)試預(yù)留。系統(tǒng)外部輸入電源為DC110V，經(jīng)過EMC濾波以及浪涌抑制管等保護(hù)裝置，通過DC-DC電源模塊轉(zhuǎn)換為板內(nèi)所需的各種電壓類型。

3 各功能模塊技術(shù)方案

3.1 模擬信號(hào)輸入

模擬信號(hào)輸入主要采集主電路上的交流測(cè)電壓、交流測(cè)電流、中間直流電壓、逆變器輸出三相電流、接地電壓等信號(hào)。從外部傳感器采集到的電壓、電流等模擬量通過差分運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理之后，送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，最后將該數(shù)字信號(hào)送至FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于該電路對(duì)采樣精度有較高要求，采樣電阻精度選擇1%，模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇12bit精度的ADC。

3.2 數(shù)字信號(hào)輸入

數(shù)字信號(hào)主要為主回路開關(guān)狀態(tài)反饋的輸入，包括熔斷器觸點(diǎn)、主斷反饋觸點(diǎn)、放電接觸反饋觸點(diǎn)、工作接觸器反饋觸點(diǎn)、預(yù)充電接觸器反饋等。對(duì)于控制單元來說，外界觸點(diǎn)反饋輸入的電壓為DC77-DC137.5V，該電壓較高，需要在電路中做降壓和限幅處理，同時(shí)采用光耦進(jìn)行隔離，以防不測(cè)，燒毀后級(jí)電路。最后經(jīng)過光耦和后級(jí)電路處理得到的3V3信號(hào)送至FPGA。

3.3 數(shù)字信號(hào)輸出

數(shù)字信號(hào)輸出主要對(duì)主回路中的開關(guān)進(jìn)行動(dòng)作命令，包括工作接觸器、預(yù)充電接觸器、放電接觸器等。首先由FPGA發(fā)出動(dòng)作指令，通過光耦隔離，使得繼電器線圈得電，開關(guān)閉合，發(fā)出開關(guān)動(dòng)作指令，輸出電壓范圍DC77-DC137.5,電流1A-3A。

3.4 門極驅(qū)動(dòng)輸出

由FPGA來控制緩沖器的發(fā)脈沖和封脈沖的使能端，當(dāng)檢測(cè)到內(nèi)部電源異常或者外電路故障時(shí)，F(xiàn)PGA會(huì)立刻發(fā)出封脈沖的指令，通過驅(qū)動(dòng)板立刻停止對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)。正常情況下，會(huì)通過MOSFET驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生一個(gè)15V的電壓型PWM脈沖。

3.5 門極驅(qū)動(dòng)反饋

當(dāng)IGBT接收到PWM脈沖后，驅(qū)動(dòng)板會(huì)給輔助控制單元一個(gè)門極驅(qū)動(dòng)反饋，輸入的反饋電壓仍然為15V，通過穩(wěn)壓管、光耦隔離，最終將3v3的反饋信號(hào)送給FPGA。

3.6 RS-232通信

RS-232是目前應(yīng)用最廣泛的串行通信接口，其結(jié)構(gòu)和傳輸過程較為簡(jiǎn)單，適用于短距離低速率的通信模式。本文所搭建的RS-232通信模塊電路，主要是為了完成實(shí)驗(yàn)室調(diào)試和連接上位機(jī)用，采用SP232EET芯片搭建成熟電路，最后通過D-SUB9連接器完成DSP與外界的通信。

3.7 CAN通訊

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）通訊具有傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸速率快，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本文采用包含物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的CAN通訊控制芯片，用于完成軟件升級(jí)、故障下載、車上調(diào)試等功能。

3.8 供電單元

該控制箱外部供電DC110V，浮動(dòng)范圍DC77VDC137.5V，為了保證電路板內(nèi)元器件的正常工作，需要采用穩(wěn)壓直流電源模塊進(jìn)行DC-DC變換，首先將外部輸入的DC110V轉(zhuǎn)換為DC±15V，再由DC+15V通過板內(nèi)的電源模塊衍生出電路板內(nèi)所需的其它各類型電壓。該供電單元模塊電路需要配置濾波器、過壓抑制管、保險(xiǎn)絲等外圍電路，在保證將外界干擾降到最小的同時(shí)保證電路的安全可靠。

4 語結(jié)

本項(xiàng)目不同于傳統(tǒng)的3U、6U或9U的電路板卡分模塊設(shè)計(jì)好后裝入控制箱，各功能板卡之間的信號(hào)傳輸通過背板完成。采用底板加小板的架構(gòu)完成相應(yīng)功能的設(shè)計(jì)，將模擬采樣、數(shù)字信號(hào)輸入輸出、門極驅(qū)動(dòng)以及相應(yīng)的保護(hù)和檢測(cè)電路集成在底板上，將通訊板、核心控制板通過板間插針與底板連接，并通過螺柱、螺母與底板固定。該方案無需通過背板進(jìn)行板間通信，有效防止了信號(hào)之間的串?dāng)_，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了模擬采樣的精度和電路的穩(wěn)定性，具有小型化、低成本、集成度高等特點(diǎn)。