無節(jié)點(diǎn)直流轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的研究與設(shè)計(jì)

李朝金，任喜國

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 鐵路信號(hào)系統(tǒng)集中控制方式的發(fā)展趨勢(shì)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展以及前端計(jì)算能力的提升，未來的鐵路信號(hào)系統(tǒng)將是集無線通信、光纖通信等先進(jìn)的通信技術(shù)于一體，將安全執(zhí)行單元產(chǎn)品置于軌旁，通過建立各個(gè)獨(dú)立設(shè)備間的通信連接，實(shí)現(xiàn)區(qū)間、站內(nèi)一體化和通信、信號(hào)一體化的高水平系統(tǒng)。采用軌旁安全執(zhí)行單元產(chǎn)品，將邏輯控制電路置于現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分布式遠(yuǎn)程控制，可以大幅度減少信號(hào)電纜的使用量，減少能源消耗，減低工程造價(jià)；通過設(shè)備的就近控制和閉環(huán)控制，可有效提高地面控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。

現(xiàn)有的集中控制方式勢(shì)必要逐步退出歷史的舞臺(tái)。隨著國內(nèi)對(duì)鐵路運(yùn)輸能力要求的提高，軌旁設(shè)備的可靠性及安全性的要求日趨嚴(yán)格。與此同時(shí)，國外很多信號(hào)廠商已開始設(shè)計(jì)其各自軌旁控制器，而國內(nèi)的軌旁控制單元僅存在于理論階段，尚未有可以與國外相媲美的軌旁控制設(shè)備。

2 無節(jié)點(diǎn)直流轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無節(jié)點(diǎn)直流轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（簡稱驅(qū)動(dòng)模塊）是軌旁安全執(zhí)行單元的一個(gè)基礎(chǔ)模塊。其基本原理如圖1所示。

整個(gè)模塊通過通信線纜接收遠(yuǎn)程控制中心的命令。通過雙系同步通信數(shù)據(jù)后開始執(zhí)行控制中心的命令。雙CPU同時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)控制信號(hào)。通過控制強(qiáng)電中高頻電壓轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路的供電，以保證當(dāng)任意一個(gè)CPU失效時(shí)，強(qiáng)電電路無輸出。而強(qiáng)電電路中由于在高頻電壓轉(zhuǎn)換器中存在高頻變壓器，變壓器原副邊均為物理隔離，因此無論高頻電壓轉(zhuǎn)換器失效與否，變壓器的副邊均不會(huì)有輸出，以保證轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊的可靠性及安全性。驅(qū)動(dòng)模塊在驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)有輸出電壓、電流檢測(cè)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控輸出的變化，當(dāng)有異常時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊停止輸出。驅(qū)動(dòng)完成后通過動(dòng)態(tài)采集電路判斷轉(zhuǎn)轍機(jī)是否到位，將轉(zhuǎn)轍機(jī)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)上報(bào)給遠(yuǎn)程控制中心。

驅(qū)動(dòng)模塊集監(jiān)測(cè)、控制及通信多元一體化的方式，具有遠(yuǎn)程通信，道岔位置監(jiān)測(cè)，轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)及監(jiān)測(cè)等功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制中心對(duì)軌旁轉(zhuǎn)轍機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。無節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)不僅降低了整個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)性，而且還具有配線簡單、維護(hù)方便、成本低廉等特點(diǎn)。

3 驅(qū)動(dòng)模塊的功能

針對(duì)直流轉(zhuǎn)轍機(jī)的軌旁執(zhí)行單元，驅(qū)動(dòng)模塊采用電壓電流雙閉環(huán)控制并對(duì)輸出驅(qū)動(dòng)電路采用與信號(hào)機(jī)類似的“雙斷”安全驅(qū)動(dòng)技術(shù)，兩個(gè)CPU之間獨(dú)立接收命令并運(yùn)算，輸出安全驅(qū)動(dòng)模塊的控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)安全驅(qū)動(dòng)模塊的“故障-安全”功能，驅(qū)動(dòng)模塊主要可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能。

1）接收遠(yuǎn)程中心的控制信號(hào)，并進(jìn)行自我校驗(yàn)，雙CPU校驗(yàn)通過后方可執(zhí)行；

2）實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)轍機(jī)的位置及狀態(tài)；

3）驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行定/反位運(yùn)行，到位后自動(dòng)停止輸出；

4）對(duì)驅(qū)動(dòng)時(shí)電壓/電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、監(jiān)控；

5）驅(qū)動(dòng)及表示電路自檢。

驅(qū)動(dòng)模塊主要由雙CPU、動(dòng)態(tài)電源輸出電路、高頻電壓轉(zhuǎn)換電路、動(dòng)態(tài)采集電路、電源轉(zhuǎn)換電路組成。

4 驅(qū)動(dòng)模塊的硬件控制部分

與全電子電路及機(jī)械式安全繼電器不同的是，整個(gè)強(qiáng)電與弱電之間不采用任何繼電器節(jié)點(diǎn)，且要保證能安全輸出。

4.1 供電

整個(gè)模塊的取電部分均從軌旁220 V分為兩路：一路通過開關(guān)電源將220 V的交流電轉(zhuǎn)換為24 V的安全直流電，再經(jīng)過DC-DC隔離電源模塊為控制芯片等弱電電路進(jìn)行供電；另一路作為驅(qū)動(dòng)模塊的輸入電壓通過電力變換達(dá)到額定輸出電壓。

4.2 CPU

采用標(biāo)準(zhǔn)的“二取二結(jié)構(gòu)”，每個(gè)CPU分別從通信線上獲取控制信息，獨(dú)立的構(gòu)成閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，通過二取二邏輯后判斷命令是否一致，進(jìn)行轉(zhuǎn)轍機(jī)位置判斷，定/反位驅(qū)動(dòng)輸出控制及檢測(cè)。CPU與采集、驅(qū)動(dòng)之間采用高頻磁耦隔離，通過兩個(gè)CPU產(chǎn)生的安全信號(hào)來控制驅(qū)動(dòng)輸出芯片的供電，保證當(dāng)一系CPU異常時(shí)，整個(gè)模塊無輸出。

4.3 采集電路

采集電路分為驅(qū)動(dòng)采集及到位采集兩個(gè)部分。驅(qū)動(dòng)采集通過采集驅(qū)動(dòng)及自檢時(shí)的輸出電壓、輸出電流信息，采用隔離運(yùn)放將輸出強(qiáng)電與采集電路進(jìn)行隔離。采集電路采用異構(gòu)的結(jié)構(gòu)，將采集輸出分別傳輸至對(duì)應(yīng)的CPU中，兩個(gè)CPU通過對(duì)采集電路傳輸?shù)妮敵鲭妷骸⑤敵鲭娏餍盘?hào)進(jìn)行“二取二”控制：判斷輸出是否正常、驅(qū)動(dòng)是否到位等信息。其原理如圖2所示。

到位采集采用動(dòng)態(tài)采集電路，通過對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集判斷轉(zhuǎn)轍機(jī)處于定位或反位還是四開狀態(tài)。

4.4 驅(qū)動(dòng)電路

通過將220 V交流電壓經(jīng)過PFC等交流濾波電路后，經(jīng)過高頻電壓轉(zhuǎn)換電路，將220 V的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻脈沖信號(hào)，采用高頻變壓器將高頻脈沖信號(hào)進(jìn)行電壓變換后，經(jīng)過整流濾波電路將電壓轉(zhuǎn)換為直流轉(zhuǎn)轍機(jī)所需電壓后采用“雙斷”的控制方式進(jìn)行輸出，采用的開關(guān)選用耐壓高、通流量大的電力電子器件進(jìn)行輸出。其原理如圖3所示。

高頻電壓變換電路由驅(qū)動(dòng)芯片控制電壓信號(hào)由直流電壓轉(zhuǎn)換為可控的高頻交流電壓。高頻電壓變換電路的控制信號(hào)由CPU通過電壓、電流采集后經(jīng)過計(jì)算得出控制信號(hào)的幅值，經(jīng)過光耦隔離送到驅(qū)動(dòng)芯片，同時(shí)CPU產(chǎn)生兩路不同頻率的動(dòng)態(tài)信號(hào)，通過兩級(jí)動(dòng)態(tài)電路產(chǎn)生一恒定的安全電源為高壓驅(qū)動(dòng)芯片供電。當(dāng)且僅當(dāng)CPU正常工作且動(dòng)態(tài)信號(hào)正常時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路才可以正常工作，以控制高頻電壓轉(zhuǎn)換電路工作。否則整個(gè)電路無輸出。

由于高頻變壓器具有天然的原副邊隔離優(yōu)勢(shì)，因此高頻變壓器的原邊器件發(fā)生器件故障時(shí)，不會(huì)將變壓器原邊的能量向變壓器副邊傳遞或直接使變壓器原邊短路燒斷入口保險(xiǎn)，變壓器副邊無能量輸出。變壓器副邊元器件發(fā)生故障時(shí)，有采集電路發(fā)現(xiàn)后，停止動(dòng)態(tài)信號(hào)，由此保證驅(qū)動(dòng)芯片無電源供電，來切斷高頻電壓變換電路的驅(qū)動(dòng)供電，停止驅(qū)動(dòng)，由此保證驅(qū)動(dòng)輸出的安全性及可靠性。

5 驅(qū)動(dòng)模塊的軟件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊的軟件主要完成與控制中心安全通信，并控制硬件完成控制中心發(fā)出的命令，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)停止采集、輸出，并向控制中心上報(bào)。兩個(gè)CPU軟件同樣采用的是“二取二”結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其具體流程如圖4所示。

軟件模塊主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)子模塊的調(diào)度控制功能。上電進(jìn)行上電初始化，對(duì)各個(gè)寄存器進(jìn)行配置，配置完成后進(jìn)行上電自檢。當(dāng)自檢通過后開始對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行采集，經(jīng)過雙CPU同步處理將采集的信息上傳至控制中心。當(dāng)控制中心發(fā)出驅(qū)動(dòng)命令后，兩個(gè)CPU分別從各自的總線獲取控制信息，經(jīng)同步比較、獲取一致信息后，開始對(duì)到位采集電路進(jìn)行控制，將采集到的信息進(jìn)行分析。與控制命令進(jìn)行比較，如果位置信息不一致，調(diào)用驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)輸出，驅(qū)動(dòng)完畢后，再次調(diào)用到位采集電路，將再次采集到的信息進(jìn)行分析，再次與控制命令進(jìn)行比較，比較一致后，向控制中心發(fā)出命令執(zhí)行完畢信息。空閑時(shí)模塊按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行自檢操作。

6 結(jié)論

直流轉(zhuǎn)轍機(jī)是軌旁控制器的重要組成部分，驅(qū)動(dòng)模塊的好壞將直接決定軌道列車的通行效率，甚至事關(guān)生命安全。無節(jié)點(diǎn)直流轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用“故障-安全”原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)輸出采用高頻變壓器隔離，驅(qū)動(dòng)電路定時(shí)自檢，到位表示電路采用動(dòng)態(tài)采集表示電路的方式保證整個(gè)模塊的安全性、可靠性。現(xiàn)代軌旁控制單元采用此模塊將顯著減少信號(hào)電纜的敷設(shè)工程，減少設(shè)備室的數(shù)量，減輕維護(hù)人員的工作量，縮短故障排除時(shí)間。無節(jié)點(diǎn)直流轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊性能穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，將在未來的軌旁控制器中發(fā)揮重要的作用。