基于高速列車空調系統用空調控制器的設計

西安中車永電捷通電氣有限公司 崔 新

本文設計的空調控制器安裝在空調控制柜內部，配合斷路器、接觸器、繼電器、傳感器等元件，其可以自動完成空調系統的控制、保護、故障診斷和故障記錄等功能，使空調系統工作在預冷、預熱、通風、制冷、制熱、應急通風等模式。

現如今，我國高速列車的空調系統廣泛應用車頂單元式空調設施。從該設備開發應用以來的統計分析發現，車頂單元式空調系統能夠在夏天制冷、冬天制暖方面發揮至關重要的作用，其通過對列車內溫度的合理控制，為乘客創造了相對舒適的乘車環境。要使高速列車的車內環境滿足規定的基本要求，就必須有一整套的空調設備及相應的列車空調控制系統,包括客室空調機組、空調控制柜、司機室空調、廢排裝置和壓力波保護裝置五大部件。

圖1 空調控制器通信接口

1 空調控制器硬件架構

1.1 空調控制器的用途及功能

空調控制器是空調控制系統的核心部件，將其安裝在空調控制柜中，通過對室內外的溫度采集、輸入信號采集、壓力傳感器信號采集等，按照控制算法、保護邏輯以及控制時序輸出數字信號，其控制繼電器、接觸器、電磁閥等的開關和閉合，使空調系統具有制冷、制熱、預冷、預熱、通風、溫度控制、緊急通風、緊急關閉、壓力保護等功能。

圖2 電路框架

空調控制器具有多種通信接口，通信接口見圖1。

1.2 硬件架構設計

1.2.1 電路架構

空調控制器硬件采用大板架小板的架構，其由兩塊基板組成：信號基板（KIO基板）、主控基板（KCU基板），電路架構見圖2。

1.2.2 基板功能介紹

（1）KIO基板

KIO基板主要完成電源轉換、外部信號采集和控制信號輸出等任務，其主要功能如下：110 V輸入電壓轉換為24 V輸出，為壓力波控制器、觸摸屏提供電源電壓；110 V輸入電壓轉換為5 V輸出，為KIO基板提供5 V電源；完成空調控制裝置開關狀態反饋信號的采集，DI采樣電路為75路110 V輸入，經過處理后輸入至KCU基板；控制外部繼電器開關器件的動作，DO電路有35路110 V輸出；監視110 V電源和5 V電源狀態，經過光耦隔離，輸入至KCU基板；9路溫度傳感器采樣，將模擬信號轉換為數字信號，經過信號隔離后輸入至KCU基板；1路位置傳感器采樣，將模擬信號轉換為數字信號，經過信號隔離后輸入至KCU基板；4路壓力傳感器采樣，將模擬信號轉換為數字信號，經過信號隔離后輸入至KCU基板；并為壓力傳感器提供5 V電源電壓；1路CAN通信，1路RS485通信；6路LED燈顯示空調控制器的運行狀態。

（2）KCU基板

KCU基板為主控板，接收模擬采樣信號以及數字輸入信號等，按照保護邏輯以及控制時序輸出數字信號，其主要功能：讀取數字輸入信號狀態，根據保護動作跟時序邏輯要求輸出數字信號，控制外部接觸器的打開或者閉合；以太網通信電路；車號設置功能；時間管理功能；MVB通信電路等。

1.2.3 硬件電路特點

（1）110 V數字輸入電路共75路，采用總線的讀取方式，使用信號隔離進行前后級隔離；110 V數字輸出電路35路，使用光耦進行前后級隔離。

圖3 空調控制器控制軟件功能模塊劃分圖

圖4 輻射發射試驗

（2）溫度采集和壓力采集采用獨立的隔離電源，相互之間不會有干擾，且不會因為外界的干擾影響基板內的其他信號。外部輸入信號和進入FPGA信號之間使用信號隔離，前后級隔離電壓2500 Vrms。AD轉換芯片采用低功耗的AD7328，8通道13位精度（12位+符號位）。

（3）RS485通信采用隔離芯片MAX1480，速率最高到2.5 Mbps；CAN通信采用隔離芯片MAX 14880，最高速率1 Mbps。前后級隔離電壓5 KVrms，滿足浪涌4級標準。

（4）邏輯控制與算法實現采用成熟的DSP+FPGA架構，外掛SRAM、FLAH、NDNFLASH等，可實現運行狀態與故障實時存儲。

（5）控制器外部增加DSP與FPGA呼吸燈，實時觀測芯片運行狀態。

（6）以太網通信可實現遠程升級和實時數據下載。

2 軟件架構設計

空調控制器軟件采用DSP+FPGA架構，控制軟件由DSP軟件、FPGA、上位機軟件三部分組成，各個部分的模塊的功能劃分如圖3所示。

3 試驗驗證

空調控制器實物樣機經過了完整的型式試驗，其各項功能工作穩定，可以在制冷、制熱、半制冷、半制熱、通風等模式下運行；根據外界模擬溫度，制冷制熱模式切換。

按照標準動車組要求，環境試驗和電磁兼容試驗已經完成第三方試驗。輻射發射試驗布置圖和試驗結果見圖4。

結論：本文介紹了空調控制器主要功能、硬件架構和軟件架構等。硬件采用大板加小板的架構，減小了控制器的外形尺寸，節省了空間；軟件采用DSP+FPGA的架構，DSP進行算法控制，FPGA進行邏輯操作和通信。該空調控制器安裝在控制柜中，完成了整個空調系統的性能試驗和第三方試驗，空調系統標稱制冷量達到45.68 KW，能效比2.41，超負荷制冷量達到45 KW，能效比1.93。