交流傳動系統牽引控制單元的研究與設計

趙 震，任晉旗，王蘇敬，王 鵬

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 中國科學院電工研究所，北京100190）

交流傳動系統牽引控制單元的研究與設計

趙 震1，任晉旗2，王蘇敬1，王 鵬1

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 中國科學院電工研究所，北京100190）

介紹了交流傳動系統牽引控制單元的結構、功能與特點。通過對交流傳動牽引控制系統的功能分析，明確了牽引控制單元的設計要求。設計實現了集中式、模塊化的牽引控制單元硬件平臺。介紹了系統總體結構、各單元板卡的功能及實現方法。

交流傳動；牽引系統；牽引控制單元

隨著人們對交流傳動系統的安全性、可靠性、穩定性和可維護性的要求越來越高，作為交流傳動系統的控制核心——牽引控制單元，其功能也越來越強大、結構也越來越復雜。

目前，國內外各主要的機車車輛牽引系統集成商都擁有自主品牌的牽引控制單元，如德國西門子公司的SIBAS系統、法國Alstom公司的AGATE系統、加拿大Bombardier公司的MITRAC系統等，從外部結構看，各系統形態迥異各不相同，但如果深入分析就會發現，其基本結構和功能卻是大同小異的，均是在滿足網側整流器和電機側逆變器控制的基礎上，配以完善的系統監控、保護和故障診斷設備，以滿足牽引系統安全、穩定、可靠運行的要求［1］。本文在充分分析牽引系統控制需求的基礎上，搭建了一個基于VME總線的牽引控制單元軟硬件平臺。

1 系統需求分析

以一典型牽引系統作為被控對象，該牽引系統由變壓器、變流器和電機組成［2］，其總體結構圖如圖1所示。圖中標志了為完成牽引系統控制，TCU需要采集的控制參量以及發出的控制信號。

圖1 典型牽引系統結構圖

從圖1中可以看到，TCU（Traction Control Unit：牽引控制單元）的主要功能是通過對牽引變流器的控制，將供電網的單相交流25 k V高壓電經主變壓器降壓后再由四象限整流器整流為直流電，然后再通過三相逆變器將整流后的直流電變換為可調壓調頻的三相交流電，從而實現對三相交流牽引電機的控制，使其按整車的運行需求發揮出相應的牽引力和再生制動力。同時TCU還擔負著整個系統的監控和保護功能，以使系統安全可靠地運行。由此可見，作為牽引系統的控制核心，在整個控制過程中TCU需要實時地獲取系統的狀態信息（如電壓、電流、溫度、壓力等），結合整車控制要求，將這些信息經過運算處理后，變為相應的控制指令（如開關指令、控制脈沖等）下達給執行機構。因此，TCU不僅要具有強大的實時運算處理能力，還需要有豐富的外部設備接口，以實現對執行機構的監視和控制［2-4］。

2 模塊化硬件設計

從以上對TCU的總體功能分析，可將TCU的結構進行如下劃分［5］：（1）按控制任務不同，劃分為中央控制單元，負責牽引系統內各部件之間及牽引系統與整車其他系統之間的協調控制；變流器控制單元，負責四象限整流器和牽引逆變器的控制；（2）按板卡功能的不同，劃分為運算處理及邏輯分析單元，負責變流器算法運算、系統邏輯處理、系統的保護和監控等，如中央處理單元（CPU：Central Processor Unit）和數字信號處理單元（DSP：Digital Signal Processor）；信號接口處理板卡；負責將TCU從外部獲取的信號進行轉化和調整后傳輸給運算處理及邏輯分析單元，由其進行計算處理后發出相應的控制指令，這些控制指令再由信號接口處理電路進行調整和轉化后發給相應的被控對象，這類電路包括數字量I/O、模擬量I/O等。按照以上的功能劃分思路，對TCU進行了模塊化設計，包括6類共14種板卡，其總體結構如圖2所示。

（1）系統控制模塊。對應圖2中的CPU模塊配備了高性能的處理器PowerPC，其主頻達到1 000 MHz，具備處理復雜任務的能力。該單元配備了容量為1 MB的NVRAM，用以存儲故障信息，以備系統故障診斷用。同時該單元具備VME總線通信的標準接口，使其與同樣具備VME（Versa Module Eurocard）總線通信的機箱內其他板之間建立了高速的數據通訊通道，為系統的協調控制和實時處理能力提供了保障。

（2）變流器控制模塊。對應圖中的信號處理單元SPU1和SPU2模塊。變流器的控制包括網側四象限整流和電機側逆變器的控制，這兩大功能分別由兩塊結構相同的高速信號處理單元（SPU：Signal Processor U-nit）完成，SPU板配備了美國TI公司的高性能數字信號處理器TMS320F28335，其主頻可達到150 MHz，具有32位浮點處理能力，片上256 k×16 Flash，34 k× 16 SARAM。具備高速的數字信號處理能力。同時SPU還配備了Xilinx公司的可編程邏輯器件FPGA（Field Programmable Gate Arral），負責協助DSP完成一些系統的邏輯處理和保護功能。

圖2 TCU總體結構

（3）模擬量I/O處理模塊。對應圖中的模擬量輸入輸出板AIO1和AIO2，以及溫度采集板ADTEMP。該模塊主要負責對牽引系統中的模擬量信息進行采集和處理，通過局部總線LOCOBUS或系統總線VME，將其傳輸給系統控制模塊和變流器控制模塊用于系統控制。另外該模塊針對系統關鍵參量如輸入電流，直流側電壓、輸出電流等，設計了瞬時硬件保護功能，模塊一旦檢測到過壓、過流等故障，即可立即通過硬件信號執行相應的保護動作，從而能夠對變流器的關鍵部件提供快速、可靠的保護。

（4）數字量IO處理模塊。對應圖中的數字量輸入板DIN1、DIN2和數字量輸出板DOUT1、DOUT2。該模塊主要負責對牽引系統中的數字量信息進行采集和處理，數字量輸入板由多路隔離輸入信號處理電路組成，用于采集變流器、高壓設備等外部狀態。數字量輸出板由多路隔離輸出信號處理電路組成，用于驅動斷路器、接觸器等外部設備。該模塊通過VME總線與CPU板通信，由CPU完成采集、監視與控制任務。

（5）PWM（Pulse Width Modulation）脈沖處理模塊。對應圖2中的變流器監控板CNVM1、CNVM2和脈沖放大輸出板OPA1、OPA2。該模塊具有對變流器功率模塊的驅動和保護功能。它接收由DSP板發出的PWM脈沖，將其功率放大并轉換為電流信號后發送給功率模塊的驅動板；同時，將從觸發級接收輸出脈沖的反饋確認信號，經轉換后傳輸給模塊的處理器，通過相應的邏輯算法對變流器功率開關器件進行實時的監控和保護。

（6）系統電源管理模塊。對應圖2中的電源監控單元PMU（Powel Maxage Unit），各電源板Power5V、Power15V、Power24V等。該模塊負責為系統各板塊提供5 V、±15 V和±24 V等高精度的電源；同時還負責監控包括DC 110 V在內的整個系統所有電源狀態，如果某一電源欠壓或過壓，它會向CPU發出故障信息，同時立即封鎖變流器脈沖，停止系統工作。

（7）系統冷卻模塊。對應圖2中的冷卻風扇單元FAN。車載設備工作環境通常較為惡劣，TCU各模塊設計的允許工作環境溫度為－40℃～70℃。TCU滿負荷長時間工作時，板卡器件的發熱量較大，如不進行有效的散熱冷卻處理，快速的溫升會超出器件芯片的允許范圍，造成其無法正常工作甚至損壞。該冷卻風扇單元既負責系統的通風冷卻，它具有最大460 m3/h的通風能力，并且具備隨溫度自動調節通風量以及故障后自動報警等功能，有效保證了系統安全可靠運行。

3 系統軟件設計

（1）CPU系統控制軟件

CPU系統軟件主要由判斷處理、人機交互、信息采集等模塊組成，判斷處理模塊是核心執行程序，接受上位機系統發來的系統指令，如上電、下電、牽引、制動等（這些指令經由以太網接口，由上位機系統通過人機交互方式發出），對TCU系統本身工況進行判斷與導向安全處理；對網側供電信號與變流器工作狀態進行采集判斷，實時監控系統的運行情況。人機交互模塊是指CPU與操作人員通過網絡、串口等方式進行通信。信息采集模塊通過VME總線通信協議，與機箱內其他掛在VME總線上的板塊進行通信，采集變流器溫度、冷卻系統水流量、壓力以及拖車速度等系統信息，將其輸入給判斷處理模塊進行運算處理。CPU主程序中還包括變流器控制驅動輸出、四象限整流、逆變側電機控制相關指令給定以及系統保護和故障診斷等功能。

圖3 CPU控制軟件構架

（2）網側整流器控制軟件

網側整流器控制軟件負責牽引變流器中整流側的四象限運行控制，總體功能由FPGA、DSP程序組成，FPGA程序包括與CPU的VME總線通信接口模塊，與PWM脈沖模塊、模擬量IO模塊和數字量IO模塊通信的局部總線接口模塊。DSP程序也采用模塊化編程，主要包括直流母線電壓控制，網側四象限輸入單位功率因數控制，功率前饋控制以提高系統穩動態特性，PWM優化調制算法以抑制系統諧波，以及其他包括功率降級、開通、關斷等操作時的系統保護控制等功能模塊。

圖4 四象限整流控制軟件構架

（3）電機側逆變器控制軟件

電機側逆變器控制軟件負責牽引變流器中逆變器的運行控制，輸出三相可變壓變頻的交流電，驅動牽引電機，實現精確穩定的轉矩功率發揮。總體功能同樣由FPGA、DSP程序組成，FPGA程序的功能與上述網側整流器控制單元中的FPGA程序基本相同，主要是完成該板卡與其他板卡的通信接口的實現。DSP中的功能模塊主要包括根據工況進行電機勵磁控制，電流閉環控制，磁場定向控制，在牽引、制動時的轉矩控制以及故障保護等。

圖5 逆變側電機控制軟件構架

4 試驗驗證

為了驗證系統軟硬件各功能模塊的功能及性能，在交流傳動地面系統聯調試驗臺的2 200 k W功率等級的高速動車組實際機組上進行了地面系統聯調試驗［3］，對系統的動態性能、穩態性能進行了綜合的驗證。

（1）系統試驗簡述

地面系統聯調試驗在交流傳動試驗臺上進行，系統試驗結構如圖6所示。陪試機組和被試機組通過齒輪箱對軸安裝。系統試驗時，由左側的陪試機組進行速度控制，提供負載轉矩。被試機組進行轉矩控制，可工作在牽引或電制動工況。

在進行系統動態試驗時，如牽引工況下的滿轉矩速度掃描試驗，可先啟動陪試機組，速度穩定在最小轉速，然后將被試機組的控制手柄推至牽引滿級位，隨后控制陪試機組進行升速、恒速和降速運行，這樣就完成了被試機組在牽引工況下的滿轉矩速度掃描試驗。制動工況下的滿轉矩速度掃描試驗與上述過程相似，只是需將被試機組控制手柄推至電制動滿級位。最后，通過測試數據即可分析被試牽引系統的牽引特性和動態性能。

圖6 地面系統聯調試驗系統結構

圖7 牽引工況滿轉矩速度掃描試驗

圖8 電制動工況滿轉矩速度掃描試驗

（2）試驗結果

圖7和圖8為牽引、電制動工況下滿轉矩速度掃描試驗，從試驗結果可以看到，在整個速度掃描過程中，牽引變流器能夠控制電機穩定的發揮牽引和制動轉矩，轉矩波動范圍和動態跟蹤效果都較為理想。

圖9 牽引工況下網壓、網流

圖10 制動工況下網壓、網流

圖9和圖10為穩態牽引和電制動工況下的網壓、網流波形，從試驗結果可以看到，運行過程中系統可將網側的電壓和電流控制為功率因數為1或－1，實現能量的雙向流動，系統運行穩定。

5 結束語

從牽引系統控制的基本需求出發，按照模塊化的設計思路構建了如上的牽引控制單元。該控制單元充分的考慮了工程化應用中所要求的系統可靠性和穩定性問題，為系統的安全運行提供了完善的監控和保護功能。因此，從功能的完備性、資源的豐富性、系統的可靠性等方面來說，該控制器已能夠滿足牽引系統的基本需求，為我們自主研制牽引控制單元TCU的軟硬件產品奠定了基礎。

［1］ 張立偉，黃先進，游小杰，鄭瓊林.歐洲主力交流傳動機車主牽引系統介紹［J］.電工技術學報，2007，（7）：186-190.

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［3］ 張 黎.300 km＿h動力分散型電動車組交流傳動系統技術方案設計［J］.鐵道機車車輛，2003，23（S2）：26-31.

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［5］ 朱小娟.SIBAS-16牽引控制單元的分析［J］.機車電傳動，1993，（2）：34-40.

［6］ 譚壽云.交流傳動機車傳動控制單元的設計要素［J］.機車電傳動，2002，（4）：10-14.

Research and Design of Traction Control Unite for AC Traction System

ZHAO Zhen1，REN Jinqi2，WANG Sujing1，WANG Peng1
（1 Locomotive＆Reseach Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

This paper introduces the structure，functions and features of traction control unite（TCU）for AC traction system.The requirements of the TCU design is cleared by analyzing the functions of the control system for AC traction.A centralized and modular TCU Hardware system is designed and realized.Both the overall system structure，the functions and realization methods for every module are discussed.

AC drive；traction system；TCU

U264.91＋1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.02

1008－7842（2014）03－0005－05

?）男，助理研究員（

2013－12－20）