逆變器控制單元硬件系統設計研究

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摘要：輔助控制單元ACU（AuxiliaryControlUnit）是輔助逆變器中的重要組成部分，對于地鐵輔助逆變器來說，它的主要功能是將弓網的直流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。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。本文旨從輕量化、小型化方面去優化輔助控制單元的硬件設計。主要針對兩電平電壓型主電路的拓撲結構及地鐵上常用的電流電壓型傳感器，完成ACU的硬件電路設計。

關鍵詞：輔助控制單元；硬件電路設計；輕量化；小型化

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1500V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。

3.6RS-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。

3.7CAN通訊

CAN（ControllerAreaNetwork，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DC77V-DC137.5V，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。

參考文獻

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作者：王古森 單位：陜西國防工業職業技術學院