李雪江 呂陽 董平

摘 ? 要：基于旋轉(zhuǎn)變壓器（RDC）的永磁電機(jī)速度采集對(duì)電磁環(huán)境比較敏感，測(cè)量發(fā)現(xiàn)高鐵永磁牽引變流器四象限模塊投入工作時(shí)刻，即使在信號(hào)線屏蔽接地情況下其內(nèi)部復(fù)雜的電磁環(huán)境對(duì)速度信號(hào)的干擾也十分劇烈，導(dǎo)致既有采集裝置會(huì)工作異常，無法完成電機(jī)控制功能?；诙喾答伆吞匚炙褂性茨M低通濾波器（BWF）技術(shù)研制的改進(jìn)型永磁電機(jī)速度采集裝置解決了此問題。該裝置具備測(cè)量精度高，抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)驗(yàn)證效果良好。

關(guān)鍵詞：高鐵 ?永磁電機(jī) ?速度采集裝置 ?旋轉(zhuǎn)變壓器（RDC）

中圖分類號(hào)：TM 351 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）01（a）-0087-02

伴隨著電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，永磁同步電機(jī)以其突出的優(yōu)異性能開始在軌道交通牽引領(lǐng)域日趨廣泛應(yīng)用。為了保證永磁電機(jī)發(fā)揮良好的牽引制動(dòng)特性，電機(jī)速度采集的穩(wěn)定性和精確度非常重要。目前永磁電機(jī)主流測(cè)速方案是采集和解碼來自RDC輸出的正余弦模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)。但在大功率高鐵永磁場(chǎng)合其工作時(shí)內(nèi)部的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，試驗(yàn)測(cè)量過分相工況后四象限模塊投入工作時(shí)刻對(duì)RDC傳遞的模擬信號(hào)干擾劇烈，導(dǎo)致基于既有永磁采集裝置的信息解碼異常，無法使用電機(jī)的速度和位置信息建立正常牽引控制。因此需要研制適用于復(fù)雜電磁環(huán)境下的高鐵永磁電機(jī)速度采集裝置。本文介紹了基于多反饋巴特沃斯有源低通模擬濾波器技術(shù)的永磁電機(jī)速度采集裝置，相比既有裝置具備測(cè)量精度高，抗干擾性強(qiáng)，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 ?技術(shù)方案

高鐵的電機(jī)控制是根據(jù)多傳感器反饋的車輛工況信息按照特定的算法完成的，對(duì)數(shù)據(jù)采集提出了高實(shí)時(shí)性、高可靠性的要求。鑒于電機(jī)的速度和位置信息對(duì)于永磁電機(jī)控制的dq坐標(biāo)系以及Id和Iq的閉環(huán)控制的重要性[1]，需保證高鐵永磁在復(fù)雜電磁環(huán)境下RDC解碼信息的正確性、穩(wěn)定性和可靠性。由于RDC的激勵(lì)以及反饋信號(hào)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，單純的使用軟件FIR濾波器處理反饋信號(hào)效果并不明顯，需在硬件前端加強(qiáng)濾波器設(shè)計(jì)，保證模擬信號(hào)的純凈。充分考慮幾種有源濾波器的頻響特性[2]，最終選擇多階巴特沃斯低通濾波器實(shí)現(xiàn)激勵(lì)和正、余弦反饋信號(hào)的EMC抗干擾設(shè)計(jì)。采用專用集成芯片實(shí)現(xiàn)RDC解碼[3]，DSP+FPGA控制架構(gòu)實(shí)現(xiàn)采集計(jì)算、邏輯管理和診斷控制功能。

2 ?設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件框圖

本采集裝置充分吸取和借鑒TEC3000平臺(tái)的設(shè)計(jì)及項(xiàng)目的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，采用4DSP+FPGA的全新控制架構(gòu)，裝置的硬件框圖如圖1所示。

2.1.2 硬件組成及功能

本裝置由電源、控制、通信、數(shù)據(jù)采集部分組成。硬件均采用了工業(yè)級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)的器件。主要部分硬件的具體設(shè)計(jì)如下。

（1）電源部分：裝置由專用的電源板供電，模擬部分±15V電源經(jīng)過EMC濾波后直接使用，控制部分電源采用TI的高可靠性EP類電源產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，由DC/DC電源和LDO電源由5V降壓生成，分別為FPGA和DSP提供3.3V IO電源、1.2V CORE電源、2.5V輔助電源?？刂齐娫淳哂械綦姳Ｗo(hù)功能，當(dāng)FPGA檢測(cè)到外部電源掉電后，內(nèi)部電源能夠確保保護(hù)邏輯執(zhí)行和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的保存。

（2）控制部分：以4片TI公司的C6000系列浮點(diǎn)DSP加1片Xilinx公司的Spartan6系列大容量FPGA為架構(gòu)來進(jìn)行搭建。該部分主要完成裝置的實(shí)時(shí)控制、粘著控制、逆變控制。主要包括時(shí)鐘電路、復(fù)位及電源監(jiān)視電路、數(shù)據(jù)緩存及存儲(chǔ)電路。每片DSP使用一片SDRAM實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的緩沖，一片NORFLASH用于存儲(chǔ)啟動(dòng)配置程序。FPGA配置程序從外部FLASH加載。

（3）通信部分：作為整個(gè)裝置數(shù)據(jù)交換的接口，對(duì)外采用以太網(wǎng)接口，選用集成了CSMA/CD 協(xié)議的媒體訪問控制層MAC和物理層PHY的LAN91C111芯片來設(shè)計(jì)，便于C6000的DSP的EMIF接口擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)可自適應(yīng)工作于100/10Mbit/s和全雙工/半雙工的模式?？刂茊卧獌?nèi)部采用AMS總線實(shí)現(xiàn)與其他裝置的數(shù)據(jù)交互。

（4）數(shù)據(jù)采集部分：主要包含電壓/電流、電機(jī)速度信號(hào)。電壓/電流信號(hào)采用ADI公司的AD7606芯片來實(shí)現(xiàn)。速度采集部分是本裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，采用ADI公司專為RDC解碼設(shè)計(jì)的AD2S1210芯片，F(xiàn)PGA為解碼芯片提供驅(qū)動(dòng)，同時(shí)采集解碼數(shù)據(jù)信息上傳給DSP控制使用?；诩扔醒b置的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)重點(diǎn)采取三方面來提高采集系統(tǒng)的抗干擾性。

①增益變換電路，該電路可以兼容不同變比的RDC，在RDC耐受的范圍內(nèi)提高激勵(lì)信號(hào)的幅值，降低了正/余弦調(diào)理電路的幅值。提高了信號(hào)在傳輸通道上的信噪比。

②激勵(lì)和正余弦反饋電路采用基于多反饋巴特沃斯有源低通濾波器技術(shù)濾除復(fù)雜電磁環(huán)境下的對(duì)模擬信號(hào)干擾。其中激勵(lì)驅(qū)動(dòng)頻率10kHz，截止頻率fc=30kHz。

③增加主動(dòng)EMC器件，進(jìn)一步保證RDC與裝置接口電路的ESD和浪涌防護(hù)性能。

本裝置相對(duì)于既有裝置的其它重要改進(jìn)如下：

（1）采用大容量FPGA器件，利用內(nèi)部存儲(chǔ)容量開辟緩存空間，基于成熟可靠的軟件實(shí)現(xiàn)DPRAM的數(shù)據(jù)交互功能，取消實(shí)體DPRAM芯片，降低成本，提高可靠性。

（2）RDC激勵(lì)部分由三極管搭建的推挽電路修改為專用的集成電流放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少PCB布局空間。電路設(shè)計(jì)更加靈活，通過不同的BOM配比可以適用多品牌的旋轉(zhuǎn)變壓器規(guī)格。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)本裝置功能，軟件主要包含2部分：運(yùn)行于FPGA的邏輯控制和解碼芯片驅(qū)動(dòng)程序以及運(yùn)行于DSP 的電壓/電流、速度計(jì)算和電機(jī)控制程序。

2.2.1 FPGA程序

FPGA芯片采用Xilinx公司的Spartan6系列大容量高性能產(chǎn)品，采用Verilog 語言編程。主要完成供電監(jiān)視及硬件喂狗信號(hào)輸出、LED指示燈控制、網(wǎng)絡(luò)控制芯片的邏輯控制、ADC 芯片、RDC解碼芯片的地址分配以及驅(qū)動(dòng)、FLASH 的地址分配、內(nèi)部多DSP的EMIF總線交互和外部AMS總線通信的邏輯控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2.2.2 DSP程序

DSP程序采用C語言進(jìn)行編程，主要實(shí)現(xiàn)電壓/電流、速度計(jì)算以及電機(jī)控制功能，它包括如下幾個(gè)功能塊：驅(qū)動(dòng)初始化、數(shù)據(jù)緩存與記錄存儲(chǔ)、以太網(wǎng)通信、AMS通訊、EMIF通訊、電壓/電流模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)計(jì)算、速度計(jì)算及診斷、電機(jī)實(shí)時(shí)控制等。速度計(jì)算和診斷軟件基本流程如圖2所示。

3 ?試驗(yàn)驗(yàn)證

改進(jìn)型高鐵永磁速度采集裝置做了如下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：

（1）通過了GB/T 25119-2010規(guī)定的電子裝置各項(xiàng)檢驗(yàn)，完成型式試驗(yàn)認(rèn)證。

（2）通過了中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心高壓試驗(yàn)，驗(yàn)證了復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾性能，裝置對(duì)比效果如圖3所示，表明本裝置采集效果良好，具備較強(qiáng)的抗干擾能力。即使在旋變信號(hào)線不屏蔽的情況下裝置的信號(hào)采集和電機(jī)控制功能依然正常。

另通過表1的速度采集對(duì)比數(shù)據(jù)看，本裝置采集轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小，精度更高。

（3）通過了溫度可靠性試驗(yàn)，經(jīng)過低溫啟動(dòng)及運(yùn)行、高溫啟動(dòng)及運(yùn)行、溫度循環(huán)試驗(yàn)的考核[4]，產(chǎn)品的溫度工作極限在-45℃～95℃，完全滿足現(xiàn)行軌道交通電子裝置的運(yùn)行環(huán)境溫度要求。

4 ?結(jié)語

通過重點(diǎn)改進(jìn)裝置控制數(shù)據(jù)交互鏈路、RDC激勵(lì)驅(qū)動(dòng)以及數(shù)據(jù)采集電路的方案設(shè)計(jì)，新研制的高鐵永磁速度采集裝置抗干擾性能顯著提高，數(shù)據(jù)采集精度相對(duì)提高5rpm/min左右，能夠完全滿足在復(fù)雜電磁環(huán)境下電機(jī)控制算法對(duì)速度采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性的要求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)既有永磁采集裝置的兼容升級(jí)替代。該采集裝置的成功研制，進(jìn)一步豐富了TEC3000平臺(tái)的產(chǎn)品譜系。目前已經(jīng)成功擴(kuò)展應(yīng)用在多個(gè)永磁牽引項(xiàng)目上，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具備進(jìn)一步批量推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭漢鋒，許峻峰，張朝陽，等.永磁同步電機(jī)高速弱磁控制比較分析[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2016（3）：5-8.

[2] 童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].5版.北京：高等教育出版社，2015.

[3] Precision Resolverto-Digital Converter Measures Angular Position and Velocity [EB/OL].2014.

[4] 呂陽，劉莉娜，鄭良廣，等.KZ4A型機(jī)車用傳動(dòng)控制單元改進(jìn)型故障存儲(chǔ)裝置[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2015（3）：53-55.