辅助逆变器控制单元硬件系统设计

（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安市，710300）王古森

1 引言

随着国内经济的快速发展，机动车数量增加造成的交通拥堵已变成日益严峻的社会问题，各式各样的公共交通和出行方式也应运而生，其中地下铁道（简称地铁）以其运输量大、准时、速度快、无污染等特点备受政府部门和上班族的喜爱。

辅助逆变器作为地铁车辆的重要核心部件之一，其主要功能是将弓网的直流1 500V高压转换为三相交流电，给地铁上的空调、照明、空气压缩机、电加热器及监控系统等设备供电。但早期由于技术受限，该设备只能从国外引进。国际上从事相关系统设计制造的公司主要集中在欧洲和日本，在欧洲主要以法国的阿尔斯通、加拿大的庞巴迪、德国的西门子为代表，日本则是以日立、三菱、东芝等著名企业为代表。阿尔斯通在世界轨道交通行业拥有超过18%的市场份额，其在技术创新和环保方面已成为全球轨道交通行业的领头羊。法国的巴黎地铁14号线，被誉为“21世纪地铁”，它的列车控制系统是当今世界最先进的列车运行控制系统之一。日本具有完备的轨道交通装备制造体系，其中，日立公司在轨道车辆和电气设备生产和设计方面居于世界领先地位。我国在购买这些企业设备的同时也进行了技术引进，经过不断实验和优化升级，逐步走上了辅助逆变器国产化自主研发的道路，并已经大量应用于地铁上。

随着应用环境、控制方式、轻量化、小型化、电磁兼容等各方面的要求，辅助逆变器及其内部部件，都在不断的优化升级。从轻量化、小型化方面去优化辅助控制单元的硬件设计，在保证各功能模块和接口不变的情况下，尽量多预留多兼容适用于其它控制模式的平台。同时拟采用底板加小板的架构完成相应功能的设计，将模拟采样、数字信号输入输出、门极驱动以及相应的保护和检测电路集成在底板上，将通讯板、核心控制板通过板间插针与底板连接，并通过螺柱、螺母与底板固定。该方案无需通过背板进行板间通信，有效防止了信号之间的串扰，简化了电路设计，提高了模拟采样的精度和电路的稳定性。同时省去了各电路板的面板设计和制造，使得控制箱的体积和成本也得到一定程度的缩减。

2 硬件电路系统设计

该控制单元以DSP+FPGA的架构完成模拟信号、数字信号的采集、门极驱动的脉冲输出、数字信号的输出、通讯、故障存储、保护等功能。FPGA和DSP共用双向RAM，通过总线的形式对RAM进行操作，SPANTAN6上电后可自己从外部程序存储FLASH引导程序，也可通过DSP进行串行引导。RS232通讯主要给日常软件调试和连接上位机时使用。CAN通讯主要用于车上调试预留。系统外部输入电源为DC110V，经过EMC滤波以及浪涌抑制管等保护装置，通过DC-DC电源模块转换为板内所需的各种电压类型。

3 各功能模块技术方案

3.1 模拟信号输入

模拟信号输入主要采集主电路上的交流测电压、交流测电流、中间直流电压、逆变器输出三相电流、接地电压等信号。从外部传感器采集到的电压、电流等模拟量通过差分运算放大器进行信号调理之后，送至模数转换电路，最后将该数字信号送至FPGA进行数据采集。由于该电路对采样精度有较高要求，采样电阻精度选择1%，模数转换器选择12bit精度的ADC。

3.2 数字信号输入

数字信号主要为主回路开关状态反馈的输入，包括熔断器触点、主断反馈触点、放电接触反馈触点、工作接触器反馈触点、预充电接触器反馈等。对于控制单元来说，外界触点反馈输入的电压为DC77-DC137.5V，该电压较高，需要在电路中做降压和限幅处理，同时采用光耦进行隔离，以防不测，烧毁后级电路。最后经过光耦和后级电路处理得到的3V3信号送至FPGA。

3.3 数字信号输出

数字信号输出主要对主回路中的开关进行动作命令，包括工作接触器、预充电接触器、放电接触器等。首先由FPGA发出动作指令，通过光耦隔离，使得继电器线圈得电，开关闭合，发出开关动作指令，输出电压范围DC77-DC137.5,电流1A-3A。

3.4 门极驱动输出

由FPGA来控制缓冲器的发脉冲和封脉冲的使能端，当检测到内部电源异常或者外电路故障时，FPGA会立刻发出封脉冲的指令，通过驱动板立刻停止对IGBT的驱动。正常情况下，会通过MOSFET驱动器产生一个15V的电压型PWM脉冲。

3.5 门极驱动反馈

当IGBT接收到PWM脉冲后，驱动板会给辅助控制单元一个门极驱动反馈，输入的反馈电压仍然为15V，通过稳压管、光耦隔离，最终将3v3的反馈信号送给FPGA。

3.6 RS-232通信

RS-232是目前应用最广泛的串行通信接口，其结构和传输过程较为简单，适用于短距离低速率的通信模式。本文所搭建的RS-232通信模块电路，主要是为了完成实验室调试和连接上位机用，采用SP232EET芯片搭建成熟电路，最后通过D-SUB9连接器完成DSP与外界的通信。

3.7 CAN通讯

CAN（Controller Area Network，控制器局域网）通讯具有传输距离远，传输速率快，抗干扰能力强等特点。本文采用包含物理层和数据链路层协议的CAN通讯控制芯片，用于完成软件升级、故障下载、车上调试等功能。

3.8 供电单元

该控制箱外部供电DC110V，浮动范围DC77VDC137.5V，为了保证电路板内元器件的正常工作，需要采用稳压直流电源模块进行DC-DC变换，首先将外部输入的DC110V转换为DC±15V，再由DC+15V通过板内的电源模块衍生出电路板内所需的其它各类型电压。该供电单元模块电路需要配置滤波器、过压抑制管、保险丝等外围电路，在保证将外界干扰降到最小的同时保证电路的安全可靠。

4 语结

本项目不同于传统的3U、6U或9U的电路板卡分模块设计好后装入控制箱，各功能板卡之间的信号传输通过背板完成。采用底板加小板的架构完成相应功能的设计，将模拟采样、数字信号输入输出、门极驱动以及相应的保护和检测电路集成在底板上，将通讯板、核心控制板通过板间插针与底板连接，并通过螺柱、螺母与底板固定。该方案无需通过背板进行板间通信，有效防止了信号之间的串扰，简化了电路设计，提高了模拟采样的精度和电路的稳定性，具有小型化、低成本、集成度高等特点。