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(dòng)電力機(jī)車的控制系統(tǒng)經(jīng)歷了有接點(diǎn)控制、模擬控制和微機(jī)控制3個(gè)發(fā)展階段[1].目前在微機(jī)控制的交直傳動(dòng)電力機(jī)車家族中已有8種車型：SS8、SS4B、TM1、SS9、DDJ1、春城號(hào)動(dòng)車組、SS7D和SS7E.其中除SS4B型機(jī)車用于貨運(yùn)外，其余都為客運(yùn)電力機(jī)車.本文設(shè)計(jì)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(diǎn).微機(jī)控制的硬件是通用于多種交直傳動(dòng)的機(jī)車，有些功能雖然在某個(gè)型號(hào)機(jī)車上不需要，但也保留.這樣的優(yōu)點(diǎn)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(jì)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(hào)、信號(hào)調(diào)整、脈沖放大、轉(zhuǎn)換控制、開關(guān)電源、功補(bǔ)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(hào)轉(zhuǎn)換為5V的電平信號(hào).信號(hào)調(diào)整插件對(duì)司機(jī)給定指令、速度脈沖、原邊網(wǎng)壓等信號(hào)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(hào)，通過信號(hào)調(diào)整插件調(diào)整成微機(jī)適宜的采樣范圍內(nèi)的信號(hào).處理器(CPU)插件則從數(shù)字入出轉(zhuǎn)換的電平信號(hào)讀取工況，如牽引、制動(dòng)、操作端等，從而判定工況的構(gòu)成；從信號(hào)調(diào)整插件、電機(jī)信號(hào)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(jì)算公式計(jì)算出當(dāng)前所需的電樞電流IS_MOD，再經(jīng)過軸重轉(zhuǎn)移補(bǔ)償、最大牽引(制動(dòng))電流限制、牽引(制動(dòng))限制曲線等環(huán)節(jié)計(jì)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(jì)算出兩架實(shí)際的電樞電流值ISS1、ISS2.然后進(jìn)入牽引(制動(dòng))的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，與反饋的電機(jī)電流、電機(jī)電壓、勵(lì)磁電流等通過比例積分環(huán)節(jié)計(jì)算出兩架的三段橋及勵(lì)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(jì)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(jì)

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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)總線收發(fā)器SN75176實(shí)現(xiàn)微機(jī)柜與司機(jī)臺(tái)上機(jī)車彩屏的串行通信[6].變流控制級(jí)完成對(duì)正弦波信號(hào)的處理得到網(wǎng)壓過零信號(hào)、橋釋放信號(hào)、網(wǎng)壓積分信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)等.整個(gè)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(yùn)算、粘著控制、脈沖形成、數(shù)字量輸出、網(wǎng)壓取絕對(duì)值、網(wǎng)壓積分等.脈沖的生成采用CPLD元件，簡(jiǎn)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(hào)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(duì)應(yīng)網(wǎng)壓有效值25 kV.正弦同步信號(hào)經(jīng)過一個(gè)由運(yùn)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(gè)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(hào)，從CPU的一個(gè)高速輸入通道輸入，作為CPU判斷網(wǎng)壓過零點(diǎn)的基準(zhǔn).CPU在過零點(diǎn)發(fā)出網(wǎng)壓積分信號(hào)和過零點(diǎn)封鎖信號(hào).網(wǎng)壓積分控制信號(hào)除了本級(jí)使用，還傳至性能控制級(jí)SBC，作為該級(jí)對(duì)電機(jī)參數(shù)如電樞電流、勵(lì)磁電流等反饋信號(hào)進(jìn)行采樣和保持的同步基準(zhǔn)[9].正弦同步信號(hào)的另一路產(chǎn)生網(wǎng)壓積分信號(hào).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(shí)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(duì)CPU的外部中斷請(qǐng)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(shí)際上就確定了觸發(fā)脈沖開試點(diǎn)，即確定了控制角α.其實(shí)際測(cè)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(hào) 50 Hz PWM橋釋放信號(hào) 網(wǎng)壓積分信號(hào)

圖5 制動(dòng)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(gè)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(jì)

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(dòng)過分相功能.脈沖的生成采用CPLD元件，簡(jiǎn)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(lì)磁程序、制動(dòng)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(shí)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(dòng)程序?yàn)槔o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(jì)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(jí)改造、成本低廉等突出優(yōu)點(diǎn)，適合在國產(chǎn)各類型電力機(jī)車上推廣使用[10].實(shí)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(chǎng)前景.

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