基于CPCI總線技術的牽引控制單元硬件設計

王立文

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

牽引系統是高速動車組上的核心子系統之一。做為牽引系統的核心控制器，牽引控制單元TCU又是對整車運行控制起到至關重要的作用。目前，國內外主要的牽引系統集成商，都有自己的軟硬件平臺來實現TCU。其中，西門子的SIBAS32系統是西門子動車組TCU的基礎，是西門子公司自行研制的一種特殊的背板總線，它不同于工業上常見的ISA、PCI、VME或CPCI等總線，但也是一種可擴展的總線系統。經過不同功能板卡的組合，可以完成輕軌、地鐵、機車和動車組的許多牽引系統，甚至是網絡控制系統的任務。同樣，龐巴迪公司的MITRAC系統是龐巴迪公司的牽引控制的基礎，它也是由龐巴迪公司自行研制一系列標準和通用的功能模塊所組成，并不是工業上通用的技術體系。在充分掌握了動車組牽引控制需求的基礎上，搭建了以CPCI技術為基礎的通用的、開放式的牽引控制單元的硬件平臺，以實現對TCU的自主設計。

1 系統需求分析

牽引系統作為牽引控制單元的被控對象，主要包含牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機。而牽引變流器又分為四象限4QC變流回路、中間直流回路和逆變器回路。這些被控對象與TCU之間具有數字量和模擬量多路信號的輸入輸出連接，其結構見圖1。由圖1可見牽引系統工作原理是由受電弓將接觸網的25 kV單相工頻交流電輸送給牽引變壓器，經變壓器降壓后的單相交流電供給四象限變流器，四象限變流器將單相交流變換為直流電，經中間直流回路輸送給PWM逆變器，PWM逆變器輸出電壓、電流、頻率可控的三相交流電供給三相異步牽引電機，牽引電機軸輸出的轉矩與轉速通過變速箱內的齒輪傳動機構傳遞給車輪，轉換成輪緣牽引力和線速度。而在牽引系統工作的每個環節都少不了TCU的參與，實現了具有牽引或再生制動控制、干擾電流和功率因數cosφ等參數控制、中間環節電壓的控制、牽引變流器驅動信號的產生、牽引電路開關件的控制、變流器牽引電機和其他驅動元件的監控、車輪空轉/滑行控制、提供與牽引相關的診斷數據、通過車輛總線與其他控制單元進行數據通信等多任務功能。

圖1 牽引控制單元TCU和牽引系統被控對象之間信號關系

2 牽引控制單元硬件設計

牽引控制單元TCU包含中央處理器CPU板卡、輸入輸出管理IOM板卡、信號處理單元DSP板卡、MVB通信板卡、輸入輸出模擬IOA板卡、DC 110 V數字量輸入板卡、DC 110 V數字量輸出板卡、逆變器監控板卡、同步信號板卡、溫度采集板卡、40 mA輸出脈沖放大器OPA、輸入電壓頻率轉換IVF、電源管理板卡、電源板卡DC 5 V、電源板卡DC+/-15 V、電源板卡DC 24 V和風扇。其信號結構見圖2，所設計的牽引控制單元實物見圖3。

圖2 牽引控制單元總成信號結構示意圖

圖3 牽引控制單元TCU實物

正如圖2所示，TCU采用Compact PCI(Compact Peripheral Component Interconnect)簡稱CPCI技術，該技術是國際工業計算機制造者聯合會(PCI Industrial Computer Manufacturer's Group，簡稱PICMG)于1994提出來的一種總線接口標準。最新的PICMG 3.0所規范的CPCI技術架構在一個更加開放、標準的平臺上，有利于各類系統集成商、設備供應商提供更加便捷快速的增值服務，為用戶提供更高性價比的產品和解決方案。TCU也采用了CPLD(Complex Programmable Logic Device)復雜可編程邏輯器件，CPLD是從PAL和GAL器件發展出來的器件，相對而言規模大，結構復雜，屬于大規模集成電路范圍。是一種用戶根據各自需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。其基本設計方法是借助集成開發軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，通過下載電纜將代碼傳送到目標芯片中，實現設計的數字系統。由于TCU信號種類、板卡種類和板卡數量繁多，為了更好的集成，本控制單元在輸入輸出管理IOM板卡上通過Xilinx的CPLD技術實現了對CPCI總線的擴展，統一管理外部IO及通信板卡。中央處理器CPU直接通過CPCI總線上的PCI總線接口訪問DSP板卡。因此按照硬件功能劃分，可以將TCU各板卡劃分為系統控制級、功能控制級、輸入輸出驅動級、通信功能級和電源及風扇5個部分。

2.1 系統控制

這部分主要由中央處理器CPU和輸入輸出管理IOM兩個板塊實現的。中央處理器CPU采用了Intel Celeron M型x86處理器，工作頻率600 MHz。和輸入輸出管理IOM通過CPCI總線中的ISA總線接口交互數據。通過輸入輸出管理IOM板卡上的Xilinx CPLD實現CPCI總線的擴展—局部自定義總線，除了包含ISA總線的并行數據讀寫功能外，主要還具有設備管理功能、脈沖信號采集及輸出功能、模擬量輸入輸出功能和數字量輸入輸出功能。

2.1.1設備管理

該功能實現了對于CPCI總線的ISA總線擴展—局部自定義總線。局部自定義總線可以同時管理15個外部板卡資源，并且具有ISA總線的讀寫控制時序。除了標準ISA總線協議外，局部自定義總線還具有的功能包括外部設備地址分配功能、設備復位信號管理功能、設備訪問監視功能、軟件看門狗功能和電源管理功能。電路結構框圖如圖4所示。

圖4 設備管理功能框圖

2.1.2脈沖信號采集及輸出

在輸入輸出管理IOM板卡上，有3個計數器芯片(9個計數器)，型號為82C54，它的控制管腳CLK,GATE以及輸出管腳OUT連接到CPLD。CPLD根據CPU配置的控制字的內容輸出不同的CLK和GATE信號，靈活配置CPLD的控制字實現脈沖信號的輸入輸出功能，其中就包含了速度測量的功能。通過CPLD和計數器的電路設計，速度測量可以通過一個14位脈沖計數器、一個16位時間計數器和計數器的觸發信號來完成，頻率基準可以通過軟件對CPLD寄存器靈活配置。針對光電編碼器型速度傳感器，速度測量采用了M/T頻率周期法，其原理見圖5。

圖5 頻率/周期法測速原理

即在Tb的規定時間間隔內，檢測編碼脈沖數m1的同時，檢測基準高頻脈沖數m2，則列車轉向架車軸轉速公式為：

(1)

式中n為車軸轉速(r/min)；f0為采樣基準頻率;

m1規定時間內檢測編碼脈沖數；m2規定時間內檢測基準脈沖數；

p為車軸旋轉一周的速度傳感器脈沖數。

把車軸轉速折算到電機轉速：

(2)

其中ZP為齒輪箱大齒數；

ZI為齒輪箱小齒數。

除了速度采集功能，CPLD和計數器芯片主要完成4個功能：頻率采集, 脈沖寬度采集, 頻率輸出，脈沖寬度輸出。為此，CPLD實現的邏輯分別如圖6～圖7所示。

2.1.3模擬量輸入輸出

輸入輸出管理IOM板卡采用四通道12位精度的AD模擬芯片，模擬電路前級采用AD多路模擬開關芯片實現23路模擬量采集。電路框圖8所示。模擬輸出采用了八通道8位精度的AD模擬芯片，主要為了設置閾值，通過比較器模擬芯片，與采樣輸入模擬信號進行比較，產生數字比較信號，實現對例如網流、網壓或者主變壓器接地電流的比較，這樣可以起到保護限值的功能，這個功能也是通過CPLD對比較信號進行邏輯判斷和濾波處理后，對外輸出限值保護信號給驅動級外部板卡，實現對被控對象的實時保護控制。

圖6 頻率、脈沖寬度信號采集

圖7 頻率、脈沖寬度信號輸出

圖8 模擬采集電路框圖

2.1.4數字量輸入輸出

輸入輸出管理IOM 板卡采用CPLD實現了5組輸入輸出，每組由8位輸入輸出信號，總共40個輸入輸出信號，這些信號以5組為單位配置為輸入或者輸出屬性，并且通過并行數據總線訪問這些輸入輸出資源。

2.2 功能控制

功能控制部分主要由2塊信號處理單元板實現。這2塊板卡硬件電路相同，選用是TI公司的DSP TMS320X28335，該處理器通過嵌入于FPGA中的雙口RAM與CPU建立通信，同時，同樣通過雙口RAM獲取由外部板卡傳來的信號(如電壓、電流、速度等)，并經FPGA處理后的信號直接交由DSP處理器。DSP處理器通過算法對這些信號進行計算后，依據計算結果，發出控制信號(如PWM脈沖)對變流器進行控制。從應用軟件來區分，這2塊板卡，其中一塊是用于牽引變流器中四象限變流和中間回路控制算法的實現，另一塊是用于牽引變流中逆變器和牽引電機控制算法的實現。

2.3 輸入輸出驅動

在輸入輸出驅動級主要有逆變器監控板卡、40 mA輸出脈沖放大器板卡、同步信號板塊、模擬量輸入輸出板卡、數字量輸入輸出板卡、輸入電壓轉換頻率板卡和溫度采集板卡組成。

逆變器監控板卡是用于監視和保護逆變器的驅動。40 mA輸出脈沖放大器板卡是觸發功率模塊的驅動電路。輸入電壓轉換頻率板卡用于將電壓信號轉換為頻率信號，這些信號最終發送給數字信號處理單元板卡，實現對于電壓模擬量的采集。同步信號板卡用于2個牽引單元之間的同步控制。溫度采集板卡用于采樣PT100傳感器的信號，實現對于冷卻液和變流器箱體等溫度的采集。模擬輸入輸出板卡也是用于采集電壓、電流互感器的模擬變量。數字輸入和輸出板卡是為了監視和控制繼電器、接觸器和主斷路器等開關。

2.4 通信功能

通信部分主要是MVB板卡，這個板卡實現了列車車輛級通信協議MVB，完成了動車組上與其他控制單元的數據通信功能，實現了整車同步控制。

2.5 電源及風扇

在牽引控制單元中電源部分由電源啟動板卡、電源板卡DC 5 V、電源板卡DC+/-15V和電源板卡DC 24 V。電源啟動板卡和系統模塊具有接口，用于監視和控制電源板卡。并且，在系統控制中的復位管理功能和軟件看門狗功能中參與監視和控制功能。風扇是冷卻裝置，為牽引控制單元提供冷卻功能。

3 牽引控制單元軟件實現

牽引控制單元使用德國Infoteam公司的openTDC作為軟件開發環境，在這個軟件開發環境上進行二次定制開發，實現專門針對牽引控制單元控制需求的任務調度、硬件驅動和相關算法程序庫，集成后形成了牽引控制單元專用的軟件開發平臺，封裝了硬件控制細節，使得軟件人員直接面向應用需求進行應用軟件開發，見圖9。

圖9 定制化的openTDC軟件開發環境

牽引控制單元采用QNX實時操作系統，滿足控制器實時運行需求。牽引控制單元軟件實現如下功能：TCU開啟和關斷、 牽引控制單元TCU和網絡控制單元CCU之間通過MVB總線交換數據、牽引設定值處理、計算牽引力實際值、TCU檢查牽引力實際值是否在一定時間內達到牽引力設定值、牽引/制動開、閉環控制、列車縱向沖動限制、動軸車輪滑動/空轉保護、監控車速和牽引系統其他變量、準備/切除牽引、與制動控制單元BCU接口管理和驅動部件試驗、保護及診斷。

4 測試驗證

在牽引控制單元研發過程中，經過了硬件底層驅動軟件測試過程；之后在基于RT_Lab的半實物仿真平臺上也開展了牽引控制單元在CRH3牽引系統仿真環境下的功能測試。最后對于牽引控制單元進行了第3方型式試驗，包括環境試驗、振動試驗和電磁兼容試驗等。

4.1 硬件驅動軟件測試

逆變器監控板卡根據信號處理單元板卡輸出的限壓斬波器BS導通脈沖信號L_BS，輸出BS制動斬波A6的開關脈沖信號A_BS給輸入輸出管理板卡的CPLD。A_BS高電平有效，BS開關管開通；A_BS低電平，BS開關管關斷。CPLD計時開關脈沖A_BS的高電平的時間，通過CPLD寄存器狀態位傳遞給CPU，CPU計算BS開通的占空比，并生成指數平滑后的BS開通占空比，以此占空比，CPU計算制動電阻的功率。經過測試所得驗證結果如圖10所示。

4.2 半實物仿真臺功能測試

RT_Lab的半實物仿真平臺上重點測試CRH3型動車組牽引傳動系統正常工作時的牽引系統工作結果和牽引部件故障情況下的牽引系統工作結果。在牽引系統正常工作下測試項點主要有預充電與四象限啟動、0～300 km/h全速域牽引和300～0 km/h全速域制動。

圖10 截取兩個限壓斬波器BS開關周期的記錄數據

圖11是測試CRH3型動車組牽引傳動系統正常工作時預充電與四象限啟動的結果。四象限變流器啟動時，功率模塊4QC1、4QC2交流側電壓、電流波形圖，中間直流側電壓波形圖，以及制動過壓過流保護開關動作波形圖。TCU在170.1 s左右閉合K4，利用4QC1開始不控整流的預充電，如圖11(a)所示，此時4QC2處于不工作狀態，如圖11(b)所示；TCU在171.4 s左右進行限壓斬波器BS軟件短路測試，如圖11(f)所示；到達大約176.4 s時，TCU閉合Q1，斷開K4；177 s時，TCU開始進行4QC1與4QC2級聯的四象限脈沖整流，如圖11(a)、圖11(b)、圖11(c)所示；直流端電壓被控制在3 000 V，如圖11(d)所示。

圖11 四象限預充電和啟動過程

4.3 型式試驗

牽引控制單元按照GB/T 25119-2010軌道交通機車車輛電子裝置標準進行了所有相關試驗項點的驗證考核，根據標準的要求，牽引控制單元完全滿足各項試驗指標，并且獲得了型式試驗合格檢驗報告。

5 總 結

牽引控制單元已經在新研制的自主設計的某型動車組上安裝應用，完成了整車動靜態型式試驗、各項重聯運行試驗和30萬km運用考核。目前，已經批量生產，在京滬線上載客運營。經過以上各個階段，已經證明了，本產品在設計上完全滿足高速動車組的應用要求，進而，證明了這個產品所代表的牽引控制單元硬件平臺設計可靠，滿足各項控制要求。

[1] 馬齊迪(Mazidi，M.A.),馬奇迪(Mazidi，J.G.). 80X86 IBM PC及兼容計算機(卷Ⅰ和Ⅱ)匯編語言、設計與接口技術[M](第4版). 影印版. 北京：清華大學出版社, 2004.

[2] PCI Industrial Computer Manufacturers Group[M]. PICMG2.0 D3.0 CompactPCI Specification. 1999.

[3] 何 賓. Xilinx可編程邏輯器件設計技術詳解[M]. 北京：清華大學出版社, 2010.

[4] 卡馬爾(Kamal，R.). 嵌入式系統體系結構 編程與設計[M]. 影印版. 北京：清華大學出版社, 2005.

[5] 梁利華,趙 林.增量式光電碼盤變M/T方法應用[J]. 應用科技, 2000, 27(4): 13-15.

[6] 王海勇,鮑遠慧.一種變M/T測速方法的研究及實驗[J]. 測控技術, 2014, 33(5): 146-149.

[7] GB/T 25119-2010. 軌道交通 機車車輛電子裝置[S].