逆变器控制单元硬件系统设计研究

摘要：辅助控制单元ACU（AuxiliaryControlUnit）是辅助逆变器中的重要组成部分，对于地铁辅助逆变器来说，它的主要功能是将弓网的直流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。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。本文旨从轻量化、小型化方面去优化辅助控制单元的硬件设计。主要针对两电平电压型主电路的拓扑结构及地铁上常用的电流电压型传感器，完成ACU的硬件电路设计。

关键词：辅助控制单元；硬件电路设计；轻量化；小型化

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1500V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。

3.6RS-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。

3.7CAN通讯

CAN（ControllerAreaNetwork，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DC77V-DC137.5V，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。

参考文献

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作者：王古森 单位：陕西国防工业职业技术学院