輔助逆變器控制單元硬件系統設計

（陜西國防工業職業技術學院，陜西西安市，710300）王古森

1 引言

隨著國內經濟的快速發展，機動車數量增加造成的交通擁堵已變成日益嚴峻的社會問題，各式各樣的公共交通和出行方式也應運而生，其中地下鐵道（簡稱地鐵）以其運輸量大、準時、速度快、無污染等特點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的直流1 500V高壓轉換為三相交流電，給地鐵上的空調、照明、空氣壓縮機、電加熱器及監控系統等設備供電。但早期由于技術受限，該設備只能從國外引進。國際上從事相關系統設計制造的公司主要集中在歐洲和日本，在歐洲主要以法國的阿爾斯通、加拿大的龐巴迪、德國的西門子為代表，日本則是以日立、三菱、東芝等著名企業為代表。阿爾斯通在世界軌道交通行業擁有超過18%的市場份額，其在技術創新和環保方面已成為全球軌道交通行業的領頭羊。法國的巴黎地鐵14號線，被譽為“21世紀地鐵”，它的列車控制系統是當今世界最先進的列車運行控制系統之一。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備生產和設計方面居于世界領先地位。我國在購買這些企業設備的同時也進行了技術引進，經過不斷實驗和優化升級，逐步走上了輔助逆變器國產化自主研發的道路，并已經大量應用于地鐵上。

隨著應用環境、控制方式、輕量化、小型化、電磁兼容等各方面的要求，輔助逆變器及其內部部件，都在不斷的優化升級。從輕量化、小型化方面去優化輔助控制單元的硬件設計，在保證各功能模塊和接口不變的情況下，盡量多預留多兼容適用于其它控制模式的平臺。同時擬采用底板加小板的架構完成相應功能的設計，將模擬采樣、數字信號輸入輸出、門極驅動以及相應的保護和檢測電路集成在底板上，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行板間通信，有效防止了信號之間的串擾，簡化了電路設計，提高了模擬采樣的精度和電路的穩定性。同時省去了各電路板的面板設計和制造，使得控制箱的體積和成本也得到一定程度的縮減。

2 硬件電路系統設計

該控制單元以DSP+FPGA的架構完成模擬信號、數字信號的采集、門極驅動的脈沖輸出、數字信號的輸出、通訊、故障存儲、保護等功能。FPGA和DSP共用雙向RAM，通過總線的形式對RAM進行操作，SPANTAN6上電后可自己從外部程序存儲FLASH引導程序，也可通過DSP進行串行引導。RS232通訊主要給日常軟件調試和連接上位機時使用。CAN通訊主要用于車上調試預留。系統外部輸入電源為DC110V，經過EMC濾波以及浪涌抑制管等保護裝置，通過DC-DC電源模塊轉換為板內所需的各種電壓類型。

3 各功能模塊技術方案

3.1 模擬信號輸入

模擬信號輸入主要采集主電路上的交流測電壓、交流測電流、中間直流電壓、逆變器輸出三相電流、接地電壓等信號。從外部傳感器采集到的電壓、電流等模擬量通過差分運算放大器進行信號調理之后，送至模數轉換電路，最后將該數字信號送至FPGA進行數據采集。由于該電路對采樣精度有較高要求，采樣電阻精度選擇1%，模數轉換器選擇12bit精度的ADC。

3.2 數字信號輸入

數字信號主要為主回路開關狀態反饋的輸入，包括熔斷器觸點、主斷反饋觸點、放電接觸反饋觸點、工作接觸器反饋觸點、預充電接觸器反饋等。對于控制單元來說，外界觸點反饋輸入的電壓為DC77-DC137.5V，該電壓較高，需要在電路中做降壓和限幅處理，同時采用光耦進行隔離，以防不測，燒毀后級電路。最后經過光耦和后級電路處理得到的3V3信號送至FPGA。

3.3 數字信號輸出

數字信號輸出主要對主回路中的開關進行動作命令，包括工作接觸器、預充電接觸器、放電接觸器等。首先由FPGA發出動作指令，通過光耦隔離，使得繼電器線圈得電，開關閉合，發出開關動作指令，輸出電壓范圍DC77-DC137.5,電流1A-3A。

3.4 門極驅動輸出

由FPGA來控制緩沖器的發脈沖和封脈沖的使能端，當檢測到內部電源異常或者外電路故障時，FPGA會立刻發出封脈沖的指令，通過驅動板立刻停止對IGBT的驅動。正常情況下，會通過MOSFET驅動器產生一個15V的電壓型PWM脈沖。

3.5 門極驅動反饋

當IGBT接收到PWM脈沖后，驅動板會給輔助控制單元一個門極驅動反饋，輸入的反饋電壓仍然為15V，通過穩壓管、光耦隔離，最終將3v3的反饋信號送給FPGA。

3.6 RS-232通信

RS-232是目前應用最廣泛的串行通信接口，其結構和傳輸過程較為簡單，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，主要是為了完成實驗室調試和連接上位機用，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）通訊具有傳輸距離遠，傳輸速率快，抗干擾能力強等特點。本文采用包含物理層和數據鏈路層協議的CAN通訊控制芯片，用于完成軟件升級、故障下載、車上調試等功能。

3.8 供電單元

該控制箱外部供電DC110V，浮動范圍DC77VDC137.5V，為了保證電路板內元器件的正常工作，需要采用穩壓直流電源模塊進行DC-DC變換，首先將外部輸入的DC110V轉換為DC±15V，再由DC+15V通過板內的電源模塊衍生出電路板內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、保險絲等外圍電路，在保證將外界干擾降到最小的同時保證電路的安全可靠。

4 語結

本項目不同于傳統的3U、6U或9U的電路板卡分模塊設計好后裝入控制箱，各功能板卡之間的信號傳輸通過背板完成。采用底板加小板的架構完成相應功能的設計，將模擬采樣、數字信號輸入輸出、門極驅動以及相應的保護和檢測電路集成在底板上，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行板間通信，有效防止了信號之間的串擾，簡化了電路設計，提高了模擬采樣的精度和電路的穩定性，具有小型化、低成本、集成度高等特點。