DSP電力機車微機控制系統(tǒng)的設(shè)計

廖 宇，郭 黎，郭 強

(湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000)

國產(chǎn)交直傳動電力機車的控制系統(tǒng)經(jīng)歷了有接點控制、模擬控制和微機控制3個發(fā)展階段[1].目前在微機控制的交直傳動電力機車家族中已有8種車型：SS8、SS4B、TM1、SS9、DDJ1、春城號動車組、SS7D和SS7E.其中除SS4B型機車用于貨運外，其余都為客運電力機車.本文設(shè)計的微機控制系統(tǒng)具有通用性、靈活性、重現(xiàn)性、可靠性和智能性等特點.微機控制的硬件是通用于多種交直傳動的機車，有些功能雖然在某個型號機車上不需要，但也保留.這樣的優(yōu)點是便于從一種車型移植推廣到另一種車型，而且易于適應設(shè)計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)電力機車微機控制系統(tǒng)由處理器、數(shù)字入出、電機信號、信號調(diào)整、脈沖放大、轉(zhuǎn)換控制、開關(guān)電源、功補控制等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)字入出插件負責將110V的開關(guān)信號轉(zhuǎn)換為5V的電平信號.信號調(diào)整插件對司機給定指令、速度脈沖、原邊網(wǎng)壓等信號進行調(diào)整，來自機車主電路的各傳感器及司機控制器電位器的電壓型或電流型信號，通過信號調(diào)整插件調(diào)整成微機適宜的采樣范圍內(nèi)的信號.處理器(CPU)插件則從數(shù)字入出轉(zhuǎn)換的電平信號讀取工況，如牽引、制動、操作端等，從而判定工況的構(gòu)成；從信號調(diào)整插件、電機信號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算公式計算出當前所需的電樞電流IS_MOD，再經(jīng)過軸重轉(zhuǎn)移補償、最大牽引(制動)電流限制、牽引(制動)限制曲線等環(huán)節(jié)計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)計算出兩架實際的電樞電流值ISS1、ISS2.然后進入牽引(制動)的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，與反饋的電機電流、電機電壓、勵磁電流等通過比例積分環(huán)節(jié)計算出兩架的三段橋及勵磁橋的移相電壓值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

圖1中，處理器插件分上板和下板，上板、下板通過兩排40針插針進行數(shù)據(jù)交換.上板可分為5個模塊：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)卡進行通訊，將微機柜的相關(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)，同時將所有數(shù)據(jù)寫入雙口RAM，以送入下板進行處理.

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的串口和差動總線收發(fā)器SN75176實現(xiàn)微機柜與司機臺上機車彩屏的串行通信[6].變流控制級完成對正弦波信號的處理得到網(wǎng)壓過零信號、橋釋放信號、網(wǎng)壓積分信號、觸發(fā)信號等.整個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中讀取司機指令、機車速度、電機電流、電機電壓等參數(shù)[7]；根據(jù)機車的工況進行特性運算、粘著控制、脈沖形成、數(shù)字量輸出、網(wǎng)壓取絕對值、網(wǎng)壓積分等.脈沖的生成采用CPLD元件，簡化了電路，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[8].電路原理如圖3所示.正弦同步信號是由接在機車主變壓器二次側(cè)的同步變壓器送出的，與網(wǎng)壓同相.峰值8 V對應網(wǎng)壓有效值25 kV.正弦同步信號經(jīng)過一個由運算放大器、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，從CPU的一個高速輸入通道輸入，作為CPU判斷網(wǎng)壓過零點的基準.CPU在過零點發(fā)出網(wǎng)壓積分信號和過零點封鎖信號.網(wǎng)壓積分控制信號除了本級使用，還傳至性能控制級SBC，作為該級對電機參數(shù)如電樞電流、勵磁電流等反饋信號進行采樣和保持的同步基準[9].正弦同步信號的另一路產(chǎn)生網(wǎng)壓積分信號.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CPU的外部中斷請求，而外部中斷的任務之一就是發(fā)強出發(fā)脈沖，因此網(wǎng)壓積分與Ue相比較后實際上就確定了觸發(fā)脈沖開試點，即確定了控制角α.其實際測試波形如圖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 50 Hz PWM橋釋放信號 網(wǎng)壓積分信號

圖5 制動流程圖

處理器插件中的核心處理器采用2片TI公司的DSP芯片TMS320F2812，建立一個快速、功能強大和通用性能好的雙DSP數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)[10].

3 微機控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計

在軟件上板主要完成機車的四大功能，特性控制功能、防空轉(zhuǎn)/滑行功能、軸重轉(zhuǎn)移功能以及自動過分相功能.脈沖的生成采用CPLD元件，簡化了電路，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、牽引勵磁程序、制動程序、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柜與機車彩顯串行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收任務.主程序主要實現(xiàn)電力機車的特性控制、防空轉(zhuǎn)/滑行等.由于程序較多，在此只拿出制動程序為例給出相應流程圖如圖5所示.

4 結(jié)束語

電力機車微機控制系統(tǒng)的設(shè)計結(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、便于升級改造、成本低廉等突出優(yōu)點，適合在國產(chǎn)各類型電力機車上推廣使用[10].實踐應用證明，該電力機車微機控制系統(tǒng)容易向其他車型移植，因此具有廣闊的市場前景.

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