西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 李 鋒

智能排流柜檢測(cè)控制器的研制

西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 李 鋒

本文介紹了單片機(jī)智能排流柜檢測(cè)控制器的工作原理和硬件結(jié)構(gòu)，針對(duì)本系統(tǒng)的抗干擾、PWM控制脈沖生成及驅(qū)動(dòng)電路作詳細(xì)闡述。通過(guò)試驗(yàn)，得出該檢測(cè)控制器具有抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在智能排流柜中發(fā)揮了其應(yīng)有的作用。

檢測(cè)控制器遠(yuǎn)程控制隔離運(yùn)放；PWM；程控放大器

1.前言

隨著城市軌道交通的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的城軌線路越來(lái)越多。排流柜作為城軌交通供電系統(tǒng)中的一個(gè)設(shè)備，對(duì)保障城軌線路的安全運(yùn)行有不可或缺的作用。以下結(jié)合排流柜在地鐵中的應(yīng)用簡(jiǎn)要介紹智能排流柜檢測(cè)控制器的研制。智能排流柜檢測(cè)控制器是構(gòu)成智能排流柜的核心，該控制器采用Intel16位單片機(jī)作為CPU，根據(jù)地鐵運(yùn)營(yíng)實(shí)際工況，運(yùn)用多種器件完成數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算及控制。以下就該系統(tǒng)所要解決的問(wèn)題作簡(jiǎn)單介紹。

2.系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題

該控制器著重解決了以下問(wèn)題：

(1)完成對(duì)排流柜電流、電壓、運(yùn)行狀態(tài)等信號(hào)的采集、處理，并擴(kuò)展RS485通訊接口，與上位機(jī)通信，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制排流。

(2)解決參比電極輸出的毫伏級(jí)信號(hào)在地鐵1500V牽引供電系統(tǒng)中的抗共模干擾的問(wèn)題。

(3)解決IGBT控制脈沖的生成及功率驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。

(4)解決多路電參數(shù)的精確數(shù)據(jù)采集。

3.檢測(cè)控制器原理及各模塊實(shí)現(xiàn)

3.1 檢測(cè)對(duì)象

檢測(cè)對(duì)象為4路參比電極輸出電壓信號(hào)、四路電壓傳感器信號(hào)，4路電流傳感器信號(hào)和一路系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)量，其中4路參比電極輸出電壓信號(hào)為毫伏級(jí)直流信號(hào)，電壓傳感器信號(hào)為0-50mA電流信號(hào)，電流傳感器為為0-5V電壓信號(hào)，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)為電平信號(hào)。

3.2 控制對(duì)象

依據(jù)四路參比電極輸出的信號(hào)及四路電壓傳感器信號(hào)分別控制四支IGBT單管（400A/1200V）的導(dǎo)通占空比，使排流柜主回路實(shí)現(xiàn)斬波調(diào)阻，從而控制排流電流，達(dá)到科學(xué)排流的目的。每一主回路分參比電極與電壓傳感器兩種控制方式，可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)切換。另外，上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)排流柜的遠(yuǎn)程控制。上位機(jī)通過(guò)RS485通信接口對(duì)檢測(cè)控制器發(fā)送指令，控制四路IGBT的完全導(dǎo)通。

3.3 各主要模塊的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)分別采用三塊電路板和兩塊開(kāi)關(guān)電源，以實(shí)現(xiàn)三大功能模塊：參比電極電壓采集模塊、PWM脈沖生成及功率驅(qū)動(dòng)模塊，支路電壓、電流及運(yùn)行狀態(tài)采集及處理模塊。

3.3.1 參比電極電壓采集模塊的實(shí)現(xiàn)

參比電極電壓采集模塊完成對(duì)參比電極輸出電壓的隔離及放大。模塊采用AD202高隔離運(yùn)算放大器，最大共模電壓達(dá)到2000V，線性精度達(dá)±0.025%。該型隔離放大器可應(yīng)用于高共模電壓環(huán)境下的小信號(hào)測(cè)量，對(duì)被測(cè)對(duì)象和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)予以隔離，從而提高共模抑制比，同時(shí)保護(hù)設(shè)備和人身安全。隔離放大器按耦合方式的不同，可以分為變壓器耦合、電容耦合和光電耦合三種。磁耦合隔離方法是最常用的耦合隔離方法。

圖1所示的是AD公司生產(chǎn)的隔離放大器AD202的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，是一個(gè)典型的變壓器耦合二端隔離放大器，采用了調(diào)幅與解調(diào)技術(shù)將直流或交流信號(hào)通過(guò)變壓器耦合到輸出級(jí)，輸入級(jí)內(nèi)置一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放作為信號(hào)預(yù)處理，可以用作輸入的緩沖、提供必要的增益，或者用作濾波器、加法器、I/V轉(zhuǎn)換等等。輸出級(jí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，濾波與放大。內(nèi)置的DC/DC變換器，輸出為±7.5V，可以提供電源給輸入側(cè)的運(yùn)放、調(diào)制器或其它電路。本文應(yīng)用該隔離放大器將參比電極輸出的毫伏級(jí)直流信號(hào)進(jìn)行隔離放大，使控制器內(nèi)部與現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的電氣環(huán)境實(shí)現(xiàn)了隔離，并使有用信號(hào)重現(xiàn)在副邊。

圖2是AD202在系統(tǒng)中的應(yīng)用電路圖，輸入級(jí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行3倍放大，輸出級(jí)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行射極跟隨，供給后續(xù)控制電路。

3.3.2 PWM方波生成及功率驅(qū)動(dòng)模塊

可產(chǎn)生PWM方波的電路很多，本系統(tǒng)采用TL494脈寬調(diào)制器集成電路完成方波發(fā)生功能。TL494是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的PWM發(fā)生器。該系統(tǒng)PWM及其驅(qū)動(dòng)電路的原理圖如下圖3所示。PWM信號(hào)由TL494調(diào)制，TL494輸出PWM脈沖，其占空比由調(diào)節(jié)器輸出模擬信號(hào)的大小來(lái)決定。根據(jù)不同電壓輸入，TL494產(chǎn)生不同占空比的PWM脈沖信號(hào)，TL494輸出脈沖送入到IGBT的驅(qū)動(dòng)電路輸入端，完成脈沖信號(hào)的功率驅(qū)動(dòng)。IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用三菱公司生產(chǎn)的，為驅(qū)動(dòng)N溝道功率IGBT設(shè)計(jì)的厚膜混合集成電路M57962L。其輸入與TTL電平兼容，與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單。M57962L專(zhuān)用于驅(qū)動(dòng)1200V系列，電流容量在400A以下的功率IGBT模塊，內(nèi)部采用2500V光電隔離電路，采用雙電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)，其輸入電壓為＋15V、-10V，其中＋15V作為IGBT的正向驅(qū)動(dòng)電壓，-10V是IGBT關(guān)斷時(shí)加在IGBT的柵極與發(fā)射極之間的反向電壓，使之可靠關(guān)斷。腳13外接TL494輸出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT，腳1通過(guò)一個(gè)快恢復(fù)二極管接到被驅(qū)動(dòng)IGBT的集電極，當(dāng)從引腳1檢測(cè)到被驅(qū)動(dòng)的IGBT集-射極電壓較高時(shí)，該混合集成電路就認(rèn)為負(fù)載短路或過(guò)載、立即降低柵極電壓。不論輸入為何種電平都封鎖被驅(qū)動(dòng)的IGBT的柵極脈沖，保護(hù)電路動(dòng)作輸出故障信號(hào)低電平，并從引腳8輸出故障信號(hào)。當(dāng)經(jīng)過(guò)預(yù)定的1-2ms后，如果保護(hù)電路輸入的是低電平，保護(hù)電路就自行復(fù)位到正常輸出狀態(tài)。由以上可以看出，通過(guò)此控制檢測(cè)短路時(shí)間到輸出脈沖封鎖，IGBT模塊就能及時(shí)地得到可靠的保護(hù)。當(dāng)單片機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)出的全導(dǎo)通指令時(shí)，單片機(jī)P1.0口輸出低電平，控制圖中與非門(mén)輸出，實(shí)現(xiàn)IGBT的完全導(dǎo)通。

圖1 AD202內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖2 AD202應(yīng)用電路

3.3.3 支路電壓、電流采集及處理模塊

對(duì)支路電壓、電流的信號(hào)采集，應(yīng)用霍爾電壓、霍爾電流傳感器分別對(duì)各主回路支路電壓和電流進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集，能保證控制電路和主電路的可靠隔離，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、取樣電流信號(hào)與輸出電流線性度好的特點(diǎn)，能有效克服高壓電路的干擾信號(hào)對(duì)取樣電路的影響。采集的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放處理和模擬多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，送到程控放大器，使輸入的電流、電壓信號(hào)都成為標(biāo)準(zhǔn)的0-5V直流信號(hào)，信號(hào)處理模塊對(duì)0-5V電壓信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并送到MCU；另外有四路快熔故障并聯(lián)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)經(jīng)光耦送入MCU，MCU將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485接口傳送到上位機(jī)。當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)異常時(shí)MCU輸出故障信號(hào)，并在裝置上顯示，以便工作人員能及時(shí)采取措施。對(duì)電流信號(hào)采用程控放大器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由多路開(kāi)關(guān)器件CD4051、CD4052以及測(cè)量放大器AD521組成的程控放大器，對(duì)八路電流信號(hào)進(jìn)行采集。通過(guò)使用程控放大器，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度，降低了系統(tǒng)誤差。

4.結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)型式試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行，該檢測(cè)控制器的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具備了各項(xiàng)功能，現(xiàn)已在上海地鐵9號(hào)線的智能排流柜中得到應(yīng)用，運(yùn)行良好。

圖3 PWM方波生成及功率驅(qū)動(dòng)原理圖

[1]李宏.電力電子設(shè)備用器件與集成電路應(yīng)用指南(第1冊(cè))[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001,8.

[2]李宏.電力電子設(shè)備用器件與集成電路應(yīng)用指南(第2冊(cè))[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.8.

[3]徐愛(ài)卿.Intel16位單片機(jī)(修訂版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社m2002,7.

李鋒（1978－），男，陜西西安人，西安市地下鐵道有限責(zé)任公司工程師，研究方向：電氣設(shè)備研制與應(yīng)用及地鐵供電系統(tǒng)研究。