趙 震，任晉旗，王蘇敬，王 鵬

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 中國科學院電工研究所，北京100190）

交流傳動系統(tǒng)牽引控制單元的研究與設(shè)計

趙 震1，任晉旗2，王蘇敬1，王 鵬1

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 中國科學院電工研究所，北京100190）

介紹了交流傳動系統(tǒng)牽引控制單元的結(jié)構(gòu)、功能與特點。通過對交流傳動牽引控制系統(tǒng)的功能分析，明確了牽引控制單元的設(shè)計要求。設(shè)計實現(xiàn)了集中式、模塊化的牽引控制單元硬件平臺。介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、各單元板卡的功能及實現(xiàn)方法。

交流傳動；牽引系統(tǒng)；牽引控制單元

隨著人們對交流傳動系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性和可維護性的要求越來越高，作為交流傳動系統(tǒng)的控制核心——牽引控制單元，其功能也越來越強大、結(jié)構(gòu)也越來越復雜。

目前，國內(nèi)外各主要的機車車輛牽引系統(tǒng)集成商都擁有自主品牌的牽引控制單元，如德國西門子公司的SIBAS系統(tǒng)、法國Alstom公司的AGATE系統(tǒng)、加拿大Bombardier公司的MITRAC系統(tǒng)等，從外部結(jié)構(gòu)看，各系統(tǒng)形態(tài)迥異各不相同，但如果深入分析就會發(fā)現(xiàn)，其基本結(jié)構(gòu)和功能卻是大同小異的，均是在滿足網(wǎng)側(cè)整流器和電機側(cè)逆變器控制的基礎(chǔ)上，配以完善的系統(tǒng)監(jiān)控、保護和故障診斷設(shè)備，以滿足牽引系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運行的要求［1］。本文在充分分析牽引系統(tǒng)控制需求的基礎(chǔ)上，搭建了一個基于VME總線的牽引控制單元軟硬件平臺。

1 系統(tǒng)需求分析

以一典型牽引系統(tǒng)作為被控對象，該牽引系統(tǒng)由變壓器、變流器和電機組成［2］，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖中標志了為完成牽引系統(tǒng)控制，TCU需要采集的控制參量以及發(fā)出的控制信號。

圖1 典型牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以看到，TCU（Traction Control Unit：牽引控制單元）的主要功能是通過對牽引變流器的控制，將供電網(wǎng)的單相交流25 k V高壓電經(jīng)主變壓器降壓后再由四象限整流器整流為直流電，然后再通過三相逆變器將整流后的直流電變換為可調(diào)壓調(diào)頻的三相交流電，從而實現(xiàn)對三相交流牽引電機的控制，使其按整車的運行需求發(fā)揮出相應的牽引力和再生制動力。同時TCU還擔負著整個系統(tǒng)的監(jiān)控和保護功能，以使系統(tǒng)安全可靠地運行。由此可見，作為牽引系統(tǒng)的控制核心，在整個控制過程中TCU需要實時地獲取系統(tǒng)的狀態(tài)信息（如電壓、電流、溫度、壓力等），結(jié)合整車控制要求，將這些信息經(jīng)過運算處理后，變?yōu)橄鄳目刂浦噶睿ㄈ玳_關(guān)指令、控制脈沖等）下達給執(zhí)行機構(gòu)。因此，TCU不僅要具有強大的實時運算處理能力，還需要有豐富的外部設(shè)備接口，以實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的監(jiān)視和控制［2-4］。

2 模塊化硬件設(shè)計

從以上對TCU的總體功能分析，可將TCU的結(jié)構(gòu)進行如下劃分［5］：（1）按控制任務不同，劃分為中央控制單元，負責牽引系統(tǒng)內(nèi)各部件之間及牽引系統(tǒng)與整車其他系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制；變流器控制單元，負責四象限整流器和牽引逆變器的控制；（2）按板卡功能的不同，劃分為運算處理及邏輯分析單元，負責變流器算法運算、系統(tǒng)邏輯處理、系統(tǒng)的保護和監(jiān)控等，如中央處理單元（CPU：Central Processor Unit）和數(shù)字信號處理單元（DSP：Digital Signal Processor）；信號接口處理板卡；負責將TCU從外部獲取的信號進行轉(zhuǎn)化和調(diào)整后傳輸給運算處理及邏輯分析單元，由其進行計算處理后發(fā)出相應的控制指令，這些控制指令再由信號接口處理電路進行調(diào)整和轉(zhuǎn)化后發(fā)給相應的被控對象，這類電路包括數(shù)字量I/O、模擬量I/O等。按照以上的功能劃分思路，對TCU進行了模塊化設(shè)計，包括6類共14種板卡，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）系統(tǒng)控制模塊。對應圖2中的CPU模塊配備了高性能的處理器PowerPC，其主頻達到1 000 MHz，具備處理復雜任務的能力。該單元配備了容量為1 MB的NVRAM，用以存儲故障信息，以備系統(tǒng)故障診斷用。同時該單元具備VME總線通信的標準接口，使其與同樣具備VME（Versa Module Eurocard）總線通信的機箱內(nèi)其他板之間建立了高速的數(shù)據(jù)通訊通道，為系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和實時處理能力提供了保障。

（2）變流器控制模塊。對應圖中的信號處理單元SPU1和SPU2模塊。變流器的控制包括網(wǎng)側(cè)四象限整流和電機側(cè)逆變器的控制，這兩大功能分別由兩塊結(jié)構(gòu)相同的高速信號處理單元（SPU：Signal Processor U-nit）完成，SPU板配備了美國TI公司的高性能數(shù)字信號處理器TMS320F28335，其主頻可達到150 MHz，具有32位浮點處理能力，片上256 k×16 Flash，34 k× 16 SARAM。具備高速的數(shù)字信號處理能力。同時SPU還配備了Xilinx公司的可編程邏輯器件FPGA（Field Programmable Gate Arral），負責協(xié)助DSP完成一些系統(tǒng)的邏輯處理和保護功能。

圖2 TCU總體結(jié)構(gòu)

（3）模擬量I/O處理模塊。對應圖中的模擬量輸入輸出板AIO1和AIO2，以及溫度采集板ADTEMP。該模塊主要負責對牽引系統(tǒng)中的模擬量信息進行采集和處理，通過局部總線LOCOBUS或系統(tǒng)總線VME，將其傳輸給系統(tǒng)控制模塊和變流器控制模塊用于系統(tǒng)控制。另外該模塊針對系統(tǒng)關(guān)鍵參量如輸入電流，直流側(cè)電壓、輸出電流等，設(shè)計了瞬時硬件保護功能，模塊一旦檢測到過壓、過流等故障，即可立即通過硬件信號執(zhí)行相應的保護動作，從而能夠?qū)ψ兞髌鞯年P(guān)鍵部件提供快速、可靠的保護。

（4）數(shù)字量IO處理模塊。對應圖中的數(shù)字量輸入板DIN1、DIN2和數(shù)字量輸出板DOUT1、DOUT2。該模塊主要負責對牽引系統(tǒng)中的數(shù)字量信息進行采集和處理，數(shù)字量輸入板由多路隔離輸入信號處理電路組成，用于采集變流器、高壓設(shè)備等外部狀態(tài)。數(shù)字量輸出板由多路隔離輸出信號處理電路組成，用于驅(qū)動斷路器、接觸器等外部設(shè)備。該模塊通過VME總線與CPU板通信，由CPU完成采集、監(jiān)視與控制任務。

（5）PWM（Pulse Width Modulation）脈沖處理模塊。對應圖2中的變流器監(jiān)控板CNVM1、CNVM2和脈沖放大輸出板OPA1、OPA2。該模塊具有對變流器功率模塊的驅(qū)動和保護功能。它接收由DSP板發(fā)出的PWM脈沖，將其功率放大并轉(zhuǎn)換為電流信號后發(fā)送給功率模塊的驅(qū)動板；同時，將從觸發(fā)級接收輸出脈沖的反饋確認信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換后傳輸給模塊的處理器，通過相應的邏輯算法對變流器功率開關(guān)器件進行實時的監(jiān)控和保護。

（6）系統(tǒng)電源管理模塊。對應圖2中的電源監(jiān)控單元PMU（Powel Maxage Unit），各電源板Power5V、Power15V、Power24V等。該模塊負責為系統(tǒng)各板塊提供5 V、±15 V和±24 V等高精度的電源；同時還負責監(jiān)控包括DC 110 V在內(nèi)的整個系統(tǒng)所有電源狀態(tài)，如果某一電源欠壓或過壓，它會向CPU發(fā)出故障信息，同時立即封鎖變流器脈沖，停止系統(tǒng)工作。

（7）系統(tǒng)冷卻模塊。對應圖2中的冷卻風扇單元FAN。車載設(shè)備工作環(huán)境通常較為惡劣，TCU各模塊設(shè)計的允許工作環(huán)境溫度為－40℃～70℃。TCU滿負荷長時間工作時，板卡器件的發(fā)熱量較大，如不進行有效的散熱冷卻處理，快速的溫升會超出器件芯片的允許范圍，造成其無法正常工作甚至損壞。該冷卻風扇單元既負責系統(tǒng)的通風冷卻，它具有最大460 m3/h的通風能力，并且具備隨溫度自動調(diào)節(jié)通風量以及故障后自動報警等功能，有效保證了系統(tǒng)安全可靠運行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

（1）CPU系統(tǒng)控制軟件

CPU系統(tǒng)軟件主要由判斷處理、人機交互、信息采集等模塊組成，判斷處理模塊是核心執(zhí)行程序，接受上位機系統(tǒng)發(fā)來的系統(tǒng)指令，如上電、下電、牽引、制動等（這些指令經(jīng)由以太網(wǎng)接口，由上位機系統(tǒng)通過人機交互方式發(fā)出），對TCU系統(tǒng)本身工況進行判斷與導向安全處理；對網(wǎng)側(cè)供電信號與變流器工作狀態(tài)進行采集判斷，實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況。人機交互模塊是指CPU與操作人員通過網(wǎng)絡、串口等方式進行通信。信息采集模塊通過VME總線通信協(xié)議，與機箱內(nèi)其他掛在VME總線上的板塊進行通信，采集變流器溫度、冷卻系統(tǒng)水流量、壓力以及拖車速度等系統(tǒng)信息，將其輸入給判斷處理模塊進行運算處理。CPU主程序中還包括變流器控制驅(qū)動輸出、四象限整流、逆變側(cè)電機控制相關(guān)指令給定以及系統(tǒng)保護和故障診斷等功能。

圖3 CPU控制軟件構(gòu)架

（2）網(wǎng)側(cè)整流器控制軟件

網(wǎng)側(cè)整流器控制軟件負責牽引變流器中整流側(cè)的四象限運行控制，總體功能由FPGA、DSP程序組成，F(xiàn)PGA程序包括與CPU的VME總線通信接口模塊，與PWM脈沖模塊、模擬量IO模塊和數(shù)字量IO模塊通信的局部總線接口模塊。DSP程序也采用模塊化編程，主要包括直流母線電壓控制，網(wǎng)側(cè)四象限輸入單位功率因數(shù)控制，功率前饋控制以提高系統(tǒng)穩(wěn)動態(tài)特性，PWM優(yōu)化調(diào)制算法以抑制系統(tǒng)諧波，以及其他包括功率降級、開通、關(guān)斷等操作時的系統(tǒng)保護控制等功能模塊。

圖4 四象限整流控制軟件構(gòu)架

（3）電機側(cè)逆變器控制軟件

電機側(cè)逆變器控制軟件負責牽引變流器中逆變器的運行控制，輸出三相可變壓變頻的交流電，驅(qū)動牽引電機，實現(xiàn)精確穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩功率發(fā)揮。總體功能同樣由FPGA、DSP程序組成，F(xiàn)PGA程序的功能與上述網(wǎng)側(cè)整流器控制單元中的FPGA程序基本相同，主要是完成該板卡與其他板卡的通信接口的實現(xiàn)。DSP中的功能模塊主要包括根據(jù)工況進行電機勵磁控制，電流閉環(huán)控制，磁場定向控制，在牽引、制動時的轉(zhuǎn)矩控制以及故障保護等。

圖5 逆變側(cè)電機控制軟件構(gòu)架

4 試驗驗證

為了驗證系統(tǒng)軟硬件各功能模塊的功能及性能，在交流傳動地面系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗臺的2 200 k W功率等級的高速動車組實際機組上進行了地面系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗［3］，對系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能進行了綜合的驗證。

（1）系統(tǒng)試驗簡述

地面系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗在交流傳動試驗臺上進行，系統(tǒng)試驗結(jié)構(gòu)如圖6所示。陪試機組和被試機組通過齒輪箱對軸安裝。系統(tǒng)試驗時，由左側(cè)的陪試機組進行速度控制，提供負載轉(zhuǎn)矩。被試機組進行轉(zhuǎn)矩控制，可工作在牽引或電制動工況。

在進行系統(tǒng)動態(tài)試驗時，如牽引工況下的滿轉(zhuǎn)矩速度掃描試驗，可先啟動陪試機組，速度穩(wěn)定在最小轉(zhuǎn)速，然后將被試機組的控制手柄推至牽引滿級位，隨后控制陪試機組進行升速、恒速和降速運行，這樣就完成了被試機組在牽引工況下的滿轉(zhuǎn)矩速度掃描試驗。制動工況下的滿轉(zhuǎn)矩速度掃描試驗與上述過程相似，只是需將被試機組控制手柄推至電制動滿級位。最后，通過測試數(shù)據(jù)即可分析被試牽引系統(tǒng)的牽引特性和動態(tài)性能。

圖6 地面系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7 牽引工況滿轉(zhuǎn)矩速度掃描試驗

圖8 電制動工況滿轉(zhuǎn)矩速度掃描試驗

（2）試驗結(jié)果

圖7和圖8為牽引、電制動工況下滿轉(zhuǎn)矩速度掃描試驗，從試驗結(jié)果可以看到，在整個速度掃描過程中，牽引變流器能夠控制電機穩(wěn)定的發(fā)揮牽引和制動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩波動范圍和動態(tài)跟蹤效果都較為理想。

圖9 牽引工況下網(wǎng)壓、網(wǎng)流

圖10 制動工況下網(wǎng)壓、網(wǎng)流

圖9和圖10為穩(wěn)態(tài)牽引和電制動工況下的網(wǎng)壓、網(wǎng)流波形，從試驗結(jié)果可以看到，運行過程中系統(tǒng)可將網(wǎng)側(cè)的電壓和電流控制為功率因數(shù)為1或－1，實現(xiàn)能量的雙向流動，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

從牽引系統(tǒng)控制的基本需求出發(fā)，按照模塊化的設(shè)計思路構(gòu)建了如上的牽引控制單元。該控制單元充分的考慮了工程化應用中所要求的系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性問題，為系統(tǒng)的安全運行提供了完善的監(jiān)控和保護功能。因此，從功能的完備性、資源的豐富性、系統(tǒng)的可靠性等方面來說，該控制器已能夠滿足牽引系統(tǒng)的基本需求，為我們自主研制牽引控制單元TCU的軟硬件產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。

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Research and Design of Traction Control Unite for AC Traction System

ZHAO Zhen1，REN Jinqi2，WANG Sujing1，WANG Peng1
（1 Locomotive＆Reseach Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

This paper introduces the structure，functions and features of traction control unite（TCU）for AC traction system.The requirements of the TCU design is cleared by analyzing the functions of the control system for AC traction.A centralized and modular TCU Hardware system is designed and realized.Both the overall system structure，the functions and realization methods for every module are discussed.

AC drive；traction system；TCU

U264.91＋1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.02

1008－7842（2014）03－0005－05

?）男，助理研究員（

2013－12－20）