王治國, 張穎輝, 梁寶明

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一種電力推進變頻器控制器的硬件設計

王治國, 張穎輝, 梁寶明

（武漢船用電力推進裝置研究所, 武漢 430064）

文章提出了一種電力推進變頻器的控制器的數(shù)字化解決方案，介紹了控制對象對接口設計的要求，詳細闡述了控制器的結構組成方案、模塊化的板卡設計、獨特的電源輸入電路和多級硬件故障保護電路設計，該方案提高了控制器運行的維修性、安全性和可靠性。

推進變頻器 控制器硬件設計 多級硬件故障保護

0 引言

隨著發(fā)電系統(tǒng)和變頻傳動技術的快速發(fā)展，電力推進在各種船舶及近海設備中得到成功應用。以高功率密度電機、新型電力電子裝置、吊艙技術等高新技術為核心的全新驅動設計大大提高了艦船的可靠性和使用周期，并呈現(xiàn)出低成本、低維護費用等趨勢，已成為2l世紀海洋船舶技術裝備的重要發(fā)展方向。

控制器設計作為新型電力電子裝置的關鍵技術之一，成為艦船電力推進系統(tǒng)的一個研發(fā)熱點。本文提出一種模塊化的電力推進變頻器控制器硬件設計方案，將控制器按照推進變頻器的的接口要求設計為獨立功能板卡，通過底板連線實現(xiàn)各功能板卡間的相互協(xié)調，實現(xiàn)對推進變頻器的整體控制，獨特的電源電路設計和多級故障保護設計，使得該控制器硬件運行更加穩(wěn)定可靠。

1 接口要求

電力推進變頻器要求控制器具有豐富的接口資源，主要要求如下：

控制器需提供多路模擬量采樣通道，對推進變頻器的直流母線電壓、輸出電流進行實時的采集；控制器需提供多路光纖傳輸?shù)腜WM驅動脈沖，同時，提供多路的光纖反饋通道，對各個功率器件的故障信號進行實時采集，通過硬件和軟件的動作快速保護系統(tǒng)內部設備；控制器需提供多路數(shù)字量輸入通道，對變頻器內柜門、熔斷器信號、底層控制器故障等進行采集；同時，提供多路數(shù)字量輸出通道，對變頻器外圍設備的閉合實時控制；控制器需提供速度采樣通道，對轉速傳感器的輸出進行整形濾波后送到主處理器參與軟件控制的計算過程；控制器需提供RS485/RS232/CAN等通訊方式，RS485用于上傳實時狀態(tài)信息和故障狀態(tài)到PLC，同時從PLC下載控制指令，CAN完成與周邊從控制器的信息交互和協(xié)調控制，RS232與顯示屏互聯(lián)，為技術人員提供現(xiàn)場調試和狀態(tài)觀測界面。

2 控制器結構組成

控制器采用標準3U封閉式機箱方案，機箱前面板設置有指示燈和外部接線端子，機箱內部可插10塊電路板，通過底板交換信號，底板可擴展，板間信號通過底板互聯(lián)，結構緊湊，便于安裝、調試和后期維護，同時，兼具良好的電磁兼容特性。

控制機箱內電路板按功能劃分為6種類型，分別為電源板、數(shù)字信號處理板、模擬信號調理板、開關信號輸入輸出板、光纖輸入輸出板和通訊轉接板。

各板卡功能如下：電源板將外部輸入的+24 VDC經DC/DC變換為各電路板所需的+15 VDC、-15 VDC、+5 VDC電源，通過底板為各功能電路板提供電源；數(shù)字信號處理板可實現(xiàn)矢量控制和直接轉矩控制等復雜的控制算法運算、生成PWM信號、信號采集、系統(tǒng)保護、通信等功能；模擬信號調理板完成電壓、電流信號的檢測、故障判斷及報警功能，將調理后的數(shù)據(jù)送至CPU板的外部ADC進行采樣，并通過SPI總線將故障信息傳送至CPU板；開關量信號輸入輸出板通過SPI總線與CPU板連接，完成開關量狀態(tài)的檢測及輸出斷路器的控制，同時實現(xiàn)增量式編碼器的轉速測量；光纖輸入輸出板主要實現(xiàn)PWM驅動信號的光電轉換、IGBT反饋信號的檢測與判斷等功能；通訊轉接板將數(shù)字信號處理板上的RS485、RS232、CAN信號經底板單獨引出，擴展外部接口，便于安裝和調試?？刂破髟O計框圖見圖1。

3 控制器硬件設計

1) 電源電路設計

電源是控制器設計中最基礎、最重要的一環(huán)，電源的穩(wěn)定性與質量高低直接影響整個控制器乃至整個推進變頻系統(tǒng)運行的可靠性與性能指標的實現(xiàn)。本設計采用以下方式提高電源的穩(wěn)定性和質量：

a）由電源輸入端串入的干擾一般包括共模干擾和差模干擾。設計中采用濾波電容濾除線路上的差模干擾，采用傳輸線對地電容和共模扼流圈濾除線路上的共模干擾。b）浪涌是一種上升速度快、持續(xù)時間短的尖峰脈沖，它會導致電子產品損壞，使電子產品中的半導體器件(包括二極管、晶體管、可控硅和集成電路等)被燒毀或擊穿。本設計中采用混合型浪涌抑制結構，金屬氧化物壓敏電阻和瞬變電壓抑制器(TVS管)混合使用。多級的金屬氧化物壓敏電阻可以提供大過流容量，提高浪涌電流的導通能力，TVS管反應快并具鉗位電壓低的特性，可提供最低的平穩(wěn)鉗位電壓。c）控制器設計功率為48 W，額定運行電流2 A，選則3 A的表貼式熔斷器在短路時保護板卡上的元器件。d）在正向輸入端反接二極管，可以在人為反接電源線時保護板卡上的元器件。+24 V電源輸入電路詳見圖2。

2) 多級硬件故障保護電路的設計

控制器采用多級硬件故障保護，在故障時將輸出驅動脈沖從控制器源端、傳輸過程和終端封鎖，可靠的保護功率開關，提高系統(tǒng)運行的安全性。多級硬件故障保護示意圖見圖2。

各功能板卡的故障，包括電源板的24 V電源掉電故障、數(shù)字信號處理板的3.3 V電源掉電、模擬信號調理板的超限故障、光纖板總故障，通過底板送到數(shù)字信號處理板上的CPLD，CPLD內邏輯綜合后產生總故障信號DSP_XINT1?？偣收闲盘朌SP_XINT1作為中斷信號送至DSP的PDPINTA，DSP響應該中斷后封鎖源端PWM信號。

總故障信號DSP_XINT1送至總線收發(fā)器74ALVC16245，在故障發(fā)生瞬間對發(fā)至光纖輸入輸出板的PWM信號進行傳輸過程中的封鎖，保護開關器件。

光纖輸入輸出板檢測的故障包括PWM信號直通、死區(qū)過小、驅動板光纖反饋故障等，當上述故障發(fā)生時，將合成的光纖輸入輸出板總故障信號發(fā)送給數(shù)字信號處理板進行源端和傳輸過程中的保護，同時，作為控制器PWM信號的輸出終端，光纖輸入輸出板在本板上對故障做出迅速處理，通過本板上的CPLD對PWM光信號輸出進行封鎖。

4 結論

該設計方案各板卡功能明確，拆裝靈活，模塊化的設計便于按照不同的系統(tǒng)要求進行硬件配置，可快速定位硬件調試和推進變頻器系統(tǒng)聯(lián)合調試中出現(xiàn)的各種故障，增強了系統(tǒng)可維修性。同時，獨特的電源電路設計和多級硬件故障保護電路的設計，提高了控制器的抗干擾能力和故障保護冗余，增強了整個推進變頻器運行的穩(wěn)定可靠性。

[1] 王劍宇，蘇穎. 高速電路設計實踐．電子工業(yè)出版社．

[2] 張衛(wèi)寧. TMS320C28x系列DSP的CPU與外設. 清華大學出版社, 2003．

[3] 胡漢才. 單片機原理及其接口技術[M]. 北京：清華大學出版社, 1995．

Hardware Design of Controller in Electric Propulsion Converters

Wang Zhiguo，Zhang Yinghui，Liang Baomin

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064，China )

TM461

A

1003-4862（2014）09-0012-02

2014-07-15

國家科技支撐計劃項目（2012BAG03B01）

王治國(1982-)，男，工程師。研究方向：嵌入式控制系統(tǒng)。