廖 宇，郭 黎，郭 強(qiáng)

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

國產(chǎn)交直傳動電力機(jī)車的控制系統(tǒng)經(jīng)歷了有接點控制、模擬控制和微機(jī)控制3個發(fā)展階段[1].目前在微機(jī)控制的交直傳動電力機(jī)車家族中已有8種車型：SS8、SS4B、TM1、SS9、DDJ1、春城號動車組、SS7D和SS7E.其中除SS4B型機(jī)車用于貨運外，其余都為客運電力機(jī)車.本文設(shè)計的微機(jī)控制系統(tǒng)具有通用性、靈活性、重現(xiàn)性、可靠性和智能性等特點.微機(jī)控制的硬件是通用于多種交直傳動的機(jī)車，有些功能雖然在某個型號機(jī)車上不需要，但也保留.這樣的優(yōu)點是便于從一種車型移植推廣到另一種車型，而且易于適應(yīng)設(shè)計過程中新增加的控制要求[2].

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

國產(chǎn)電力機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)由處理器、數(shù)字入出、電機(jī)信號、信號調(diào)整、脈沖放大、轉(zhuǎn)換控制、開關(guān)電源、功補控制等8塊插件組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示.其基本工作原理是：數(shù)字入出插件負(fù)責(zé)將110V的開關(guān)信號轉(zhuǎn)換為5V的電平信號.信號調(diào)整插件對司機(jī)給定指令、速度脈沖、原邊網(wǎng)壓等信號進(jìn)行調(diào)整，來自機(jī)車主電路的各傳感器及司機(jī)控制器電位器的電壓型或電流型信號，通過信號調(diào)整插件調(diào)整成微機(jī)適宜的采樣范圍內(nèi)的信號.處理器(CPU)插件則從數(shù)字入出轉(zhuǎn)換的電平信號讀取工況，如牽引、制動、操作端等，從而判定工況的構(gòu)成；從信號調(diào)整插件、電機(jī)信號插件通過處理器插件上的模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換通道讀取各模擬量的值，根據(jù)工況和某種車型的特性計算公式計算出當(dāng)前所需的電樞電流IS_MOD，再經(jīng)過軸重轉(zhuǎn)移補償、最大牽引(制動)電流限制、牽引(制動)限制曲線等環(huán)節(jié)計算出兩架的電流給定值IS1、IS2.再經(jīng)過軟件的防空轉(zhuǎn)/滑行環(huán)節(jié)計算出兩架實際的電樞電流值ISS1、ISS2.然后進(jìn)入牽引(制動)的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，與反饋的電機(jī)電流、電機(jī)電壓、勵磁電流等通過比例積分環(huán)節(jié)計算出兩架的三段橋及勵磁橋的移相電壓值Ue1、Ue2、Ue3、Ue4.CPLD產(chǎn)生的脈沖序列輸出至脈沖放大插件，再由脈沖放大插件進(jìn)行功率放大生成各橋的觸發(fā)脈沖，經(jīng)脈沖放大插件放大后由轉(zhuǎn)換控制插件輸出觸發(fā)脈沖至硅機(jī)組，控制各晶閘管的通斷[3].下面將側(cè)重闡述處理器插件的設(shè)計方法.

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 CAN通信模塊

2 處理器插件的設(shè)計

圖1中，處理器插件分上板和下板，上板、下板通過兩排40針插針進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.上板可分為5個模塊：DSP數(shù)據(jù)采集模塊、CPLD模塊、CAN通信模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、電源調(diào)理模塊.下板可分為7個模塊：DSP數(shù)據(jù)分析模塊、CPLD脈沖形成模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、DSP供電模塊、CAN通信模塊、波形處理模塊、電源調(diào)理模塊.其工作流程是：上板實現(xiàn)32路模擬量的模數(shù)轉(zhuǎn)換，16路TTL數(shù)字量輸入，速度傳感器工作指示，并且與MVB網(wǎng)卡進(jìn)行通訊，將微機(jī)柜的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給中央控制單元(CCU)，并接收中央控制單元發(fā)送來的各種數(shù)據(jù)，同時將所有數(shù)據(jù)寫入雙口RAM，以送入下板進(jìn)行處理.

CAN通信模塊中的CAN收發(fā)器采用TJA1050.TJA1050是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能[4].為了增加系統(tǒng)的抗干擾能力，在DSP的CAN外設(shè)接口和TJA1050之間接有光電耦合器件TLP113以實現(xiàn)電氣隔離[5].CAN通信接口電路如圖2所示.

RS-485通信模塊借助DSP的串口和差動總線收發(fā)器SN75176實現(xiàn)微機(jī)柜與司機(jī)臺上機(jī)車彩屏的串行通信[6].變流控制級完成對正弦波信號的處理得到網(wǎng)壓過零信號、橋釋放信號、網(wǎng)壓積分信號、觸發(fā)信號等.整個控制過程是通過下板來完成的，下板是處理器插件的核心部分，主要功能是從雙口RAM中讀取司機(jī)指令、機(jī)車速度、電機(jī)電流、電機(jī)電壓等參數(shù)[7]；根據(jù)機(jī)車的工況進(jìn)行特性運算、粘著控制、脈沖形成、數(shù)字量輸出、網(wǎng)壓取絕對值、網(wǎng)壓積分等.脈沖的生成采用CPLD元件，簡化了電路，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[8].電路原理如圖3所示.正弦同步信號是由接在機(jī)車主變壓器二次側(cè)的同步變壓器送出的，與網(wǎng)壓同相.峰值8 V對應(yīng)網(wǎng)壓有效值25 kV.正弦同步信號經(jīng)過一個由運算放大器、電阻、電容組成的50Hz帶通濾波器，濾除紋波后，再經(jīng)過一個遲滯比較器，變換成峰值為5 V，頻率為50 Hz的方波同步信號，從CPU的一個高速輸入通道輸入，作為CPU判斷網(wǎng)壓過零點的基準(zhǔn).CPU在過零點發(fā)出網(wǎng)壓積分信號和過零點封鎖信號.網(wǎng)壓積分控制信號除了本級使用，還傳至性能控制級SBC，作為該級對電機(jī)參數(shù)如電樞電流、勵磁電流等反饋信號進(jìn)行采樣和保持的同步基準(zhǔn)[9].正弦同步信號的另一路產(chǎn)生網(wǎng)壓積分信號.網(wǎng)壓積分峰值UF經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS774轉(zhuǎn)換輸至CPU，同時網(wǎng)壓積分還與CPU產(chǎn)生的觸發(fā)角控制量Ue相比較產(chǎn)生對CPU的外部中斷請求，而外部中斷的任務(wù)之一就是發(fā)強(qiáng)出發(fā)脈沖，因此網(wǎng)壓積分與Ue相比較后實際上就確定了觸發(fā)脈沖開試點，即確定了控制角α.其實際測試波形如圖4所示.

圖3 波形處理模塊

100 Hz正弦半波 峰-峰值5 V，50 Hz方波同步信號 50 Hz PWM橋釋放信號 網(wǎng)壓積分信號

圖5 制動流程圖

處理器插件中的核心處理器采用2片TI公司的DSP芯片TMS320F2812，建立一個快速、功能強(qiáng)大和通用性能好的雙DSP數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)[10].

3 微機(jī)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計

在軟件上板主要完成機(jī)車的四大功能，特性控制功能、防空轉(zhuǎn)/滑行功能、軸重轉(zhuǎn)移功能以及自動過分相功能.脈沖的生成采用CPLD元件，簡化了電路，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性.處理器下板的軟件由主程序、初始化程序、牽引勵磁程序、制動程序、CAN通信中斷程序、串行通信中斷程序等子程序組成.其中初始化程序主要完成相關(guān)外圍器件的初始值和工作方式的設(shè)置；CAN通信中斷程序主要完成工況信息的收發(fā).串行通信中斷程序完成微機(jī)柜與機(jī)車彩顯串行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收任務(wù).主程序主要實現(xiàn)電力機(jī)車的特性控制、防空轉(zhuǎn)/滑行等.由于程序較多，在此只拿出制動程序為例給出相應(yīng)流程圖如圖5所示.

4 結(jié)束語

電力機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)合了現(xiàn)代控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、EDA技術(shù)及貼片技術(shù)，并廣泛采用大規(guī)模集成電路、可編程器件，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、便于升級改造、成本低廉等突出優(yōu)點，適合在國產(chǎn)各類型電力機(jī)車上推廣使用[10].實踐應(yīng)用證明，該電力機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)容易向其他車型移植，因此具有廣闊的市場前景.

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