基于CPCI總線技術(shù)的牽引控制單元硬件設(shè)計(jì)

王立文

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

牽引系統(tǒng)是高速動(dòng)車組上的核心子系統(tǒng)之一。做為牽引系統(tǒng)的核心控制器，牽引控制單元TCU又是對(duì)整車運(yùn)行控制起到至關(guān)重要的作用。目前，國(guó)內(nèi)外主要的牽引系統(tǒng)集成商，都有自己的軟硬件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)TCU。其中，西門子的SIBAS32系統(tǒng)是西門子動(dòng)車組TCU的基礎(chǔ)，是西門子公司自行研制的一種特殊的背板總線，它不同于工業(yè)上常見的ISA、PCI、VME或CPCI等總線，但也是一種可擴(kuò)展的總線系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)不同功能板卡的組合，可以完成輕軌、地鐵、機(jī)車和動(dòng)車組的許多牽引系統(tǒng)，甚至是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的任務(wù)。同樣，龐巴迪公司的MITRAC系統(tǒng)是龐巴迪公司的牽引控制的基礎(chǔ)，它也是由龐巴迪公司自行研制一系列標(biāo)準(zhǔn)和通用的功能模塊所組成，并不是工業(yè)上通用的技術(shù)體系。在充分掌握了動(dòng)車組牽引控制需求的基礎(chǔ)上，搭建了以CPCI技術(shù)為基礎(chǔ)的通用的、開放式的牽引控制單元的硬件平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)TCU的自主設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)需求分析

牽引系統(tǒng)作為牽引控制單元的被控對(duì)象，主要包含牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機(jī)。而牽引變流器又分為四象限4QC變流回路、中間直流回路和逆變器回路。這些被控對(duì)象與TCU之間具有數(shù)字量和模擬量多路信號(hào)的輸入輸出連接，其結(jié)構(gòu)見圖1。由圖1可見牽引系統(tǒng)工作原理是由受電弓將接觸網(wǎng)的25 kV單相工頻交流電輸送給牽引變壓器，經(jīng)變壓器降壓后的單相交流電供給四象限變流器，四象限變流器將單相交流變換為直流電，經(jīng)中間直流回路輸送給PWM逆變器，PWM逆變器輸出電壓、電流、頻率可控的三相交流電供給三相異步牽引電機(jī)，牽引電機(jī)軸輸出的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速通過(guò)變速箱內(nèi)的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給車輪，轉(zhuǎn)換成輪緣牽引力和線速度。而在牽引系統(tǒng)工作的每個(gè)環(huán)節(jié)都少不了TCU的參與，實(shí)現(xiàn)了具有牽引或再生制動(dòng)控制、干擾電流和功率因數(shù)cosφ等參數(shù)控制、中間環(huán)節(jié)電壓的控制、牽引變流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生、牽引電路開關(guān)件的控制、變流器牽引電機(jī)和其他驅(qū)動(dòng)元件的監(jiān)控、車輪空轉(zhuǎn)/滑行控制、提供與牽引相關(guān)的診斷數(shù)據(jù)、通過(guò)車輛總線與其他控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等多任務(wù)功能。

圖1 牽引控制單元TCU和牽引系統(tǒng)被控對(duì)象之間信號(hào)關(guān)系

2 牽引控制單元硬件設(shè)計(jì)

牽引控制單元TCU包含中央處理器CPU板卡、輸入輸出管理IOM板卡、信號(hào)處理單元DSP板卡、MVB通信板卡、輸入輸出模擬IOA板卡、DC 110 V數(shù)字量輸入板卡、DC 110 V數(shù)字量輸出板卡、逆變器監(jiān)控板卡、同步信號(hào)板卡、溫度采集板卡、40 mA輸出脈沖放大器OPA、輸入電壓頻率轉(zhuǎn)換IVF、電源管理板卡、電源板卡DC 5 V、電源板卡DC+/-15 V、電源板卡DC 24 V和風(fēng)扇。其信號(hào)結(jié)構(gòu)見圖2，所設(shè)計(jì)的牽引控制單元實(shí)物見圖3。

圖2 牽引控制單元總成信號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 牽引控制單元TCU實(shí)物

正如圖2所示，TCU采用Compact PCI(Compact Peripheral Component Interconnect)簡(jiǎn)稱CPCI技術(shù)，該技術(shù)是國(guó)際工業(yè)計(jì)算機(jī)制造者聯(lián)合會(huì)(PCI Industrial Computer Manufacturer's Group，簡(jiǎn)稱PICMG)于1994提出來(lái)的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)。最新的PICMG 3.0所規(guī)范的CPCI技術(shù)架構(gòu)在一個(gè)更加開放、標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)上，有利于各類系統(tǒng)集成商、設(shè)備供應(yīng)商提供更加便捷快速的增值服務(wù)，為用戶提供更高性價(jià)比的產(chǎn)品和解決方案。TCU也采用了CPLD(Complex Programmable Logic Device)復(fù)雜可編程邏輯器件，CPLD是從PAL和GAL器件發(fā)展出來(lái)的器件，相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。由于TCU信號(hào)種類、板卡種類和板卡數(shù)量繁多，為了更好的集成，本控制單元在輸入輸出管理IOM板卡上通過(guò)Xilinx的CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)CPCI總線的擴(kuò)展，統(tǒng)一管理外部IO及通信板卡。中央處理器CPU直接通過(guò)CPCI總線上的PCI總線接口訪問DSP板卡。因此按照硬件功能劃分，可以將TCU各板卡劃分為系統(tǒng)控制級(jí)、功能控制級(jí)、輸入輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)、通信功能級(jí)和電源及風(fēng)扇5個(gè)部分。

2.1 系統(tǒng)控制

這部分主要由中央處理器CPU和輸入輸出管理IOM兩個(gè)板塊實(shí)現(xiàn)的。中央處理器CPU采用了Intel Celeron M型x86處理器，工作頻率600 MHz。和輸入輸出管理IOM通過(guò)CPCI總線中的ISA總線接口交互數(shù)據(jù)。通過(guò)輸入輸出管理IOM板卡上的Xilinx CPLD實(shí)現(xiàn)CPCI總線的擴(kuò)展—局部自定義總線，除了包含ISA總線的并行數(shù)據(jù)讀寫功能外，主要還具有設(shè)備管理功能、脈沖信號(hào)采集及輸出功能、模擬量輸入輸出功能和數(shù)字量輸入輸出功能。

2.1.1設(shè)備管理

該功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)于CPCI總線的ISA總線擴(kuò)展—局部自定義總線。局部自定義總線可以同時(shí)管理15個(gè)外部板卡資源，并且具有ISA總線的讀寫控制時(shí)序。除了標(biāo)準(zhǔn)ISA總線協(xié)議外，局部自定義總線還具有的功能包括外部設(shè)備地址分配功能、設(shè)備復(fù)位信號(hào)管理功能、設(shè)備訪問監(jiān)視功能、軟件看門狗功能和電源管理功能。電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 設(shè)備管理功能框圖

2.1.2脈沖信號(hào)采集及輸出

在輸入輸出管理IOM板卡上，有3個(gè)計(jì)數(shù)器芯片(9個(gè)計(jì)數(shù)器)，型號(hào)為82C54，它的控制管腳CLK,GATE以及輸出管腳OUT連接到CPLD。CPLD根據(jù)CPU配置的控制字的內(nèi)容輸出不同的CLK和GATE信號(hào)，靈活配置CPLD的控制字實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的輸入輸出功能，其中就包含了速度測(cè)量的功能。通過(guò)CPLD和計(jì)數(shù)器的電路設(shè)計(jì)，速度測(cè)量可以通過(guò)一個(gè)14位脈沖計(jì)數(shù)器、一個(gè)16位時(shí)間計(jì)數(shù)器和計(jì)數(shù)器的觸發(fā)信號(hào)來(lái)完成，頻率基準(zhǔn)可以通過(guò)軟件對(duì)CPLD寄存器靈活配置。針對(duì)光電編碼器型速度傳感器，速度測(cè)量采用了M/T頻率周期法，其原理見圖5。

圖5 頻率/周期法測(cè)速原理

即在Tb的規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)，檢測(cè)編碼脈沖數(shù)m1的同時(shí)，檢測(cè)基準(zhǔn)高頻脈沖數(shù)m2，則列車轉(zhuǎn)向架車軸轉(zhuǎn)速公式為：

(1)

式中n為車軸轉(zhuǎn)速(r/min)；f0為采樣基準(zhǔn)頻率;

m1規(guī)定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)編碼脈沖數(shù)；m2規(guī)定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)基準(zhǔn)脈沖數(shù)；

p為車軸旋轉(zhuǎn)一周的速度傳感器脈沖數(shù)。

把車軸轉(zhuǎn)速折算到電機(jī)轉(zhuǎn)速：

(2)

其中ZP為齒輪箱大齒數(shù)；

ZI為齒輪箱小齒數(shù)。

除了速度采集功能，CPLD和計(jì)數(shù)器芯片主要完成4個(gè)功能：頻率采集, 脈沖寬度采集, 頻率輸出，脈沖寬度輸出。為此，CPLD實(shí)現(xiàn)的邏輯分別如圖6～圖7所示。

2.1.3模擬量輸入輸出

輸入輸出管理IOM板卡采用四通道12位精度的AD模擬芯片，模擬電路前級(jí)采用AD多路模擬開關(guān)芯片實(shí)現(xiàn)23路模擬量采集。電路框圖8所示。模擬輸出采用了八通道8位精度的AD模擬芯片，主要為了設(shè)置閾值，通過(guò)比較器模擬芯片，與采樣輸入模擬信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生數(shù)字比較信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)例如網(wǎng)流、網(wǎng)壓或者主變壓器接地電流的比較，這樣可以起到保護(hù)限值的功能，這個(gè)功能也是通過(guò)CPLD對(duì)比較信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷和濾波處理后，對(duì)外輸出限值保護(hù)信號(hào)給驅(qū)動(dòng)級(jí)外部板卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的實(shí)時(shí)保護(hù)控制。

圖6 頻率、脈沖寬度信號(hào)采集

圖7 頻率、脈沖寬度信號(hào)輸出

圖8 模擬采集電路框圖

2.1.4數(shù)字量輸入輸出

輸入輸出管理IOM 板卡采用CPLD實(shí)現(xiàn)了5組輸入輸出，每組由8位輸入輸出信號(hào)，總共40個(gè)輸入輸出信號(hào)，這些信號(hào)以5組為單位配置為輸入或者輸出屬性，并且通過(guò)并行數(shù)據(jù)總線訪問這些輸入輸出資源。

2.2 功能控制

功能控制部分主要由2塊信號(hào)處理單元板實(shí)現(xiàn)。這2塊板卡硬件電路相同，選用是TI公司的DSP TMS320X28335，該處理器通過(guò)嵌入于FPGA中的雙口RAM與CPU建立通信，同時(shí)，同樣通過(guò)雙口RAM獲取由外部板卡傳來(lái)的信號(hào)(如電壓、電流、速度等)，并經(jīng)FPGA處理后的信號(hào)直接交由DSP處理器。DSP處理器通過(guò)算法對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行計(jì)算后，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)出控制信號(hào)(如PWM脈沖)對(duì)變流器進(jìn)行控制。從應(yīng)用軟件來(lái)區(qū)分，這2塊板卡，其中一塊是用于牽引變流器中四象限變流和中間回路控制算法的實(shí)現(xiàn)，另一塊是用于牽引變流中逆變器和牽引電機(jī)控制算法的實(shí)現(xiàn)。

2.3 輸入輸出驅(qū)動(dòng)

在輸入輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)主要有逆變器監(jiān)控板卡、40 mA輸出脈沖放大器板卡、同步信號(hào)板塊、模擬量輸入輸出板卡、數(shù)字量輸入輸出板卡、輸入電壓轉(zhuǎn)換頻率板卡和溫度采集板卡組成。

逆變器監(jiān)控板卡是用于監(jiān)視和保護(hù)逆變器的驅(qū)動(dòng)。40 mA輸出脈沖放大器板卡是觸發(fā)功率模塊的驅(qū)動(dòng)電路。輸入電壓轉(zhuǎn)換頻率板卡用于將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，這些信號(hào)最終發(fā)送給數(shù)字信號(hào)處理單元板卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電壓模擬量的采集。同步信號(hào)板卡用于2個(gè)牽引單元之間的同步控制。溫度采集板卡用于采樣PT100傳感器的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于冷卻液和變流器箱體等溫度的采集。模擬輸入輸出板卡也是用于采集電壓、電流互感器的模擬變量。數(shù)字輸入和輸出板卡是為了監(jiān)視和控制繼電器、接觸器和主斷路器等開關(guān)。

2.4 通信功能

通信部分主要是MVB板卡，這個(gè)板卡實(shí)現(xiàn)了列車車輛級(jí)通信協(xié)議MVB，完成了動(dòng)車組上與其他控制單元的數(shù)據(jù)通信功能，實(shí)現(xiàn)了整車同步控制。

2.5 電源及風(fēng)扇

在牽引控制單元中電源部分由電源啟動(dòng)板卡、電源板卡DC 5 V、電源板卡DC+/-15V和電源板卡DC 24 V。電源啟動(dòng)板卡和系統(tǒng)模塊具有接口，用于監(jiān)視和控制電源板卡。并且，在系統(tǒng)控制中的復(fù)位管理功能和軟件看門狗功能中參與監(jiān)視和控制功能。風(fēng)扇是冷卻裝置，為牽引控制單元提供冷卻功能。

3 牽引控制單元軟件實(shí)現(xiàn)

牽引控制單元使用德國(guó)Infoteam公司的openTDC作為軟件開發(fā)環(huán)境，在這個(gè)軟件開發(fā)環(huán)境上進(jìn)行二次定制開發(fā)，實(shí)現(xiàn)專門針對(duì)牽引控制單元控制需求的任務(wù)調(diào)度、硬件驅(qū)動(dòng)和相關(guān)算法程序庫(kù)，集成后形成了牽引控制單元專用的軟件開發(fā)平臺(tái)，封裝了硬件控制細(xì)節(jié)，使得軟件人員直接面向應(yīng)用需求進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)，見圖9。

圖9 定制化的openTDC軟件開發(fā)環(huán)境

牽引控制單元采用QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，滿足控制器實(shí)時(shí)運(yùn)行需求。牽引控制單元軟件實(shí)現(xiàn)如下功能：TCU開啟和關(guān)斷、 牽引控制單元TCU和網(wǎng)絡(luò)控制單元CCU之間通過(guò)MVB總線交換數(shù)據(jù)、牽引設(shè)定值處理、計(jì)算牽引力實(shí)際值、TCU檢查牽引力實(shí)際值是否在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到牽引力設(shè)定值、牽引/制動(dòng)開、閉環(huán)控制、列車縱向沖動(dòng)限制、動(dòng)軸車輪滑動(dòng)/空轉(zhuǎn)保護(hù)、監(jiān)控車速和牽引系統(tǒng)其他變量、準(zhǔn)備/切除牽引、與制動(dòng)控制單元BCU接口管理和驅(qū)動(dòng)部件試驗(yàn)、保護(hù)及診斷。

4 測(cè)試驗(yàn)證

在牽引控制單元研發(fā)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)了硬件底層驅(qū)動(dòng)軟件測(cè)試過(guò)程；之后在基于RT_Lab的半實(shí)物仿真平臺(tái)上也開展了牽引控制單元在CRH3牽引系統(tǒng)仿真環(huán)境下的功能測(cè)試。最后對(duì)于牽引控制單元進(jìn)行了第3方型式試驗(yàn)，包括環(huán)境試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)和電磁兼容試驗(yàn)等。

4.1 硬件驅(qū)動(dòng)軟件測(cè)試

逆變器監(jiān)控板卡根據(jù)信號(hào)處理單元板卡輸出的限壓斬波器BS導(dǎo)通脈沖信號(hào)L_BS，輸出BS制動(dòng)斬波A6的開關(guān)脈沖信號(hào)A_BS給輸入輸出管理板卡的CPLD。A_BS高電平有效，BS開關(guān)管開通；A_BS低電平，BS開關(guān)管關(guān)斷。CPLD計(jì)時(shí)開關(guān)脈沖A_BS的高電平的時(shí)間，通過(guò)CPLD寄存器狀態(tài)位傳遞給CPU，CPU計(jì)算BS開通的占空比，并生成指數(shù)平滑后的BS開通占空比，以此占空比，CPU計(jì)算制動(dòng)電阻的功率。經(jīng)過(guò)測(cè)試所得驗(yàn)證結(jié)果如圖10所示。

4.2 半實(shí)物仿真臺(tái)功能測(cè)試

RT_Lab的半實(shí)物仿真平臺(tái)上重點(diǎn)測(cè)試CRH3型動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)正常工作時(shí)的牽引系統(tǒng)工作結(jié)果和牽引部件故障情況下的牽引系統(tǒng)工作結(jié)果。在牽引系統(tǒng)正常工作下測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)主要有預(yù)充電與四象限啟動(dòng)、0～300 km/h全速域牽引和300～0 km/h全速域制動(dòng)。

圖10 截取兩個(gè)限壓斬波器BS開關(guān)周期的記錄數(shù)據(jù)

圖11是測(cè)試CRH3型動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)正常工作時(shí)預(yù)充電與四象限啟動(dòng)的結(jié)果。四象限變流器啟動(dòng)時(shí)，功率模塊4QC1、4QC2交流側(cè)電壓、電流波形圖，中間直流側(cè)電壓波形圖，以及制動(dòng)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)開關(guān)動(dòng)作波形圖。TCU在170.1 s左右閉合K4，利用4QC1開始不控整流的預(yù)充電，如圖11(a)所示，此時(shí)4QC2處于不工作狀態(tài)，如圖11(b)所示；TCU在171.4 s左右進(jìn)行限壓斬波器BS軟件短路測(cè)試，如圖11(f)所示；到達(dá)大約176.4 s時(shí)，TCU閉合Q1，斷開K4；177 s時(shí)，TCU開始進(jìn)行4QC1與4QC2級(jí)聯(lián)的四象限脈沖整流，如圖11(a)、圖11(b)、圖11(c)所示；直流端電壓被控制在3 000 V，如圖11(d)所示。

圖11 四象限預(yù)充電和啟動(dòng)過(guò)程

4.3 型式試驗(yàn)

牽引控制單元按照GB/T 25119-2010軌道交通機(jī)車車輛電子裝置標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了所有相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)的驗(yàn)證考核，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，牽引控制單元完全滿足各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)，并且獲得了型式試驗(yàn)合格檢驗(yàn)報(bào)告。

5 總 結(jié)

牽引控制單元已經(jīng)在新研制的自主設(shè)計(jì)的某型動(dòng)車組上安裝應(yīng)用，完成了整車動(dòng)靜態(tài)型式試驗(yàn)、各項(xiàng)重聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)和30萬(wàn)km運(yùn)用考核。目前，已經(jīng)批量生產(chǎn)，在京滬線上載客運(yùn)營(yíng)。經(jīng)過(guò)以上各個(gè)階段，已經(jīng)證明了，本產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上完全滿足高速動(dòng)車組的應(yīng)用要求，進(jìn)而，證明了這個(gè)產(chǎn)品所代表的牽引控制單元硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)可靠，滿足各項(xiàng)控制要求。

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