（电力电子与电力传动专业论文）100％低地板车网络传输和故障监测系统研究.pdf

a b s 卫r a c t a b s t r a c t ：t e c h n o l o g yo f1 0 0 l o w f l o o rv e h i c l er e p r e s e n t st h em o s ta d v a n c e d t e c h n o l o g yo ft h ew o r l dl o w f l o o rv e h i c l e t r a c t i o nd r i v ea n dc o n t r o ls y s t e mi s t h e p i v o t a lp a r to f l o w f l o o rv e h i c l es y s t e m i no r d e rt oe n s u r et h eo p e r a t i o ns a f ea n dr e l i a b l e , i t ss i g n i f i c a n tt oc o n t r o la n ds a f e g u a r dt h es y s t e me f f e c t i v e l y o nt h eo t h e rh a n d , i a d u s t x yf i e l db u sc a n tm e e tt h en e o d so f m o d e mi n d u s t r yc o n 打o li nc o m p a t i b i l i t ya n d t r a n s m i s s i o ns p e e d , s ot h e r ei sr e q u i r e m e n tt oc o m r n u n i c a t ew i t ho p e ni n t e r a c t t h et h e s i sd e s i g n san e t w o r ki n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na n df a u l td i a g n o s i ss y s t e m , w h i c hc o m b i n e sf i e l db u sw i t he t h c r n e t t h eh a r do d r eo ft h es y s t e mi sd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 t h es y s t e mi m p l e m e n t sp a r a m e t e rm e a s u r e m e n to f 吮- ：t i o n a n da s s i s t a n tc o n v e r t o rs y s t e m 、r e a l - t i m ef a u l t sd i a g n o s i sa n ds a f e t y 、d i s p l a y i n gs t a t e p a r a m e t e r si nr e a lt i m e , e t c h i g hp r e c i s i o na d c o l l e c t i o nf u n c t i o no f t m s 3 2 0 f 2 8 1 2i n c r e a s e st h ep r e c i s i o no f d i a g n o s i n gf a u l t s a n dp o w e r f u ls i g n a lp r o c e s s i n ga b i l i t yo fd s po b v i o u s l yi n c r e a s e s t h en i c e t yo ff a u l ts i g np i c k - u p f p g ai m p l e m e n t sd u a lr a m , f a u l td i a g n o s i sa n d p r o t e ：c t i o n , h i g h e rl o g i ca n dp r e d s i o n a p p l i c a t i o no fh i g hs p e e dd a t ab u f f e ra n dg r e a t m a s ss t o r a g ea v o i d st h eb o t t l e - n e c ki nd a t ap r o c e s s i n g t h en e t w o r ks y s t e m , w h i c h c o m b i n e sf i e l db u sa n de t h c r n c t , m a k e sb o t t o mp r o c e s sc o n t r o lr e a l - t i m ea n dc a n r a n s m i t sm a s sd a t at ou p p e rs u p o r v i s i n gi n t e f f a c e l a b v i o wi n t e r f a c 2c a nd i s p l a y s y s t e mp a r a m e t e r si nr e a lt i m ea n dp r o v i d ea l a r mf u n t i o m t h et h e s i se x p o u n d st h er e s e a r c hf r o mf o u ra s p e c t s - s y s t e m 捌n k ：t i 】r ed e s i g n , s y s t e m h a r d w a r ea n ds o f i w a r ed e s i g n , m o n i t o rs o r w a r e ，a n ds h o wm yt h o u g h tf o rf i r t h a p e r f e c t a n di m p r o v m e n to f t h en e t w o r kt r a n s m i s s i o na n df a u l td i a g n o s i ss y s t e m k e y w o r d s ：1 0 0 l o w - f l o o rl i g h tr a i lv e h i c l e ；n e t w o r kt r a n s m i s s i o n ； f a u l td i a g n o s i s ；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；l o n g - d i s t a n c 圯m o n i t o r c l a s s n 0 o 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：，锨瓤 导师签名： 弹醐：冲脚习日 泐巩砂、，1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名乓绺缸签字魄洳产堋叫日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘志刚教授的悉心指导下完成的，刘志刚教授实 践经验丰富，治学态度严谨，倡导创新，为人正直。在实验室学习期间，刘志刚 教授不仅在做学问方面给了我很多实践机会和宝贵意见，更在如何做人方面为我 树立了学习的榜样，这一切都将成为我受用终生的财富。本文的理论研究和实验 工作也正是在刘老师一如既往的指导、关心和帮助下完成的，让我的基础知识和 动手能力得到了进一步提高，同时让我在思维的灵活性和创造性方面又有了质的 飞跃。除此之外，刘老师还在生活上给了我莫大的支撑和帮助。借此机会，我谨 向刘志刚老师致以一名学生对恩师最崇高、最真挚的祝福和感谢! 在实验室学习及撰写论文期间，实验室的沈茂盛老师、刁利军、牟富强、李 哲峰、梅樱、王树辉等师兄、师弟和师妹都给了我无私的帮助，使我在实验室里 感受到了家一样的轻松和温暖。这些都是我的学业和毕设得以顺利完成的重要因 素。在此也向他们表示真心的感谢。 借此机会，也向本论文中所引用和参考的文献资料的作者和出版者致以崇高 的敬意和感谢。 最后要感谢我的父母和家人，正是他们的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业。还有我的朋友以及电气学院所有帮助过我的老师和同学们，祝好人 一生平安。 1 引言 1 1课题背景及意义 低地板轻轨交通系统被越来越多的城市所接受，在城市轨道交通系统中填补 了有轨电车( 或公共汽车) 与地铁运量间的空白，可用作中等城市的干线交通和 大城市的支线交通，且轻轨系统的建设费用又远远低于地铁，其造价仅为地铁的 2 0 - 3 0 ，所以得到许多大中城市的重视。 1 0 0 0 , 6 低地板车技术代表了国际低地板轻轨车最先进技术。牵引传动与控制技 术是1 0 0 低地板轨道交通系统的关键技术之一。研制适合我国快速城市交通经济 发展的1 0 0 低地板轻轨车牵引传动系统，进行持续研发，提高自主创新能力，形 成中国特色的低地板轻轨车牵引传动技术，制造拥有完全自主知识产权的1 0 0 低 地板车交流电力牵引传动系统产品，具有重大的战略意义。而网络传输和故障监 测系统对保证牵引传动系统的安全可靠运行起着极其重要的作用。 目前，现场总线技术在工业过程控制中的应用越来越广泛，世界上已经有十 几种现场总线，但由于各种现场总线代表了不同公司的研发投资和市场利益，不 同总线的技术侧重面不同，各有相应的应用领域，所以在激烈的竞争中，一直没 有形成现场总线的国际统一标准，使得不同系统和现场设备的兼容性很差；另外， 现场总线的传输速率不高，以基金会现场总线为例，其低速总线的传输速度为 3 1 2 5 k b p s ，高速总线的传输速度为1 m b p s 或2 5 i b p s ，这在有些场合下仍无法满 足工业控制对实时控制的要求【“。 与此同时，i n t e m e t 技术席卷全球，随着在t c p i p 协议网络上发明的e m a i l 和w w w ( w o r l dw i d ew e b ) 普遍应用，i n t e r n e t 国际互联网被大众所接受。随着 网络技术的飞跃发展，很多领域都在迅速融合，有人提出将工业网络与现在广泛 使用的i n t e m e t 相结合，这样，企业管理人员可以从任何地点及时获取到重要的数 据信息，从而协调生产过程以便获得最大利润和生产率，人们便把注意力转向在 商业网络中获得广泛应用的速率更高的以太网( e t h e m e t ) 。 以太网遵循国际标准规范，是目前世界上应用最为广泛的计算机网络，同时 它灵活的技术可以满足各种底层网络的要求。传输速度的提高淡化了其本身固有 的因碰撞而产生信息传输延时的随机性问题的缺点，传输介质也可以采用非屏蔽 双绞线，或者使用具有更好抗干扰能力的光纤。因此把e t h e r n e t 及t c p i p 技术应 用到控制网络中可以实现企业控制网络与i n t e r n e t 信息网的无缝连接，实现全厂甚 至世界范围内的信息共享，大大提高企业生产效率。 但是以太网不会完全取代现场总线技术，这是由于现场总线所处的特殊环境 及所承担的实时控制任务决定的，工厂现场控制层对通信量的要求较低，但设备 量又很大，现场总线有着自身独特的优势，而且很多现场总线可以实现总线供电， 具有防尘、防暴等很多工业现场必须的安全特性，这是以太网所不能保证的，并 且为每个设备提供以太网接口也会造成资源的浪费，增加维护的困难和成本。因 材，以太网进入工业领域最好的方法就是能与现场总线有机的结合起来。充分发 挥各自的优点，使得现场控制与信息传输都能达到最大的效率。 另外，对于现代生产系统，故障诊断具有极为重要的意义，国内外许多资料 都表明，采用故障诊断技术能够产生巨大的经济效益，具体表现为：能够及时发 现故障并及时排除，延长了不发生故障的正常工作时间，提高机器设备的可靠性， 还可以防止故障扩大，延长机器寿命；增加机器平均无故障即正常工作时问，并 且在检修前，已知放障性质，使停机检修时阃减小，提高规器的利用率。 纵观故障诊断技术发展的历史可见，相关技术的发展促进了故障诊断技术的 发展，而故障诊断产生的巨大经济效益，则是它受到各国产业部门重视的直接原 因。例如，美国每年花在设备维修方面的费用高达几千亿美元；我国电力生产的 成本中，各种电力设备的维修费用也占很大比例。这样巨大的设备维修费用，既 存在巨大的浪费，又不能完全杜绝恶性事故的发生。采用状态监测与故障诊断技 术，不仅可对设备故障实行早期预报，避免恶性事故的巨大经济损失；而且可增 强维修的针对性，实现预知维修，提高设备的有效利用率，减少维修费用。 可见，采用故障诊断技术是提高机器设备的可靠性和利用率的重要手段。牵 引电网的电磁环境异常恶劣，还面临着雷击、不良接触、异常断电等现象，因此 牵引系统的安全至关重要，牵引系统必须具有完善的信息采集处理功能、信息传 输功能、故障保护及自诊断功能，满足低地板轻轨车安全运行控制的要求。在外 部故障发生时，控制系统能够有效地保护设备的安全；在牵引系统内部出现故障 时，控制系统能够进行自诊断，准确快速地提供相关故障信息。 本课题基于以上背景，结合故障诊断最新技术、以太网和现场总线的最新发 展状况，研究了基于工业现场的以太网通信技术，设计完成了集故障诊断、信息 传输于一体的控制网络系统，实现了现场设备的远程监控和现场数据的远距离采 集。本课题设计具有一定的先进性，也符合工业控制系统未来的发展趋势和要求， 在工业领域中有着重要意义。 2 韭 塞 銮 适 太 堂亟堂僮i 幺 塞 i i直 1 2国内外发展现状 低地板轻轨车在欧美得到了飞速的发展，各个大、中、小城市都有轻轨车， 并且每个城市的轻轨线路非常密集，四通八达【2 1 。到目前，据不完全统计，世界上 有2 7 个国家、1 3 0 多个城市已拥有轻轨车，数量在5 0 0 0 辆左右。自于欧洲的低地 板轻轨车的市场非常大，所以各大公司都加大投入开发各种各样的低地板轻轨车 技术，其技术水平相当成熟，在世界上领先。就连地铁水平相当高的日本也从德 国进口1 0 0 低地板车。生产低地板车的主要公司有德国s i e m e n s 、法国a l s t o m 、 奥地利b o m b a r d i e r 和瑞士a b b 等。 b o m b a r d i e r 公司采用标准的控制与通信系统分散式控制系统，该系统可 以应用在所有车辆上，包括电车，地铁，客车，动车组以及高速列车等。分散式 控制系统能够受责所有任务相关韵现代过程控制，尤其是过程控制车辆的逻辑， 过程诊断为预防和纠正维修，过程可视化和通信。系统随时准备执行各种电源电 路相关的测试。在列车的故障检测中这些测试能够快速地找到任何有缺陷的部件， 如短路或接地故障。测试软件还可以应用在车辆运行时的日常测试。 b o m b a r d i e r 公司采用标准的列车通信网络( t r a i nc o m m u a i c a t i o nn e t w o r k ) ， 其构架分成两个网络层次。多功能车辆总线( m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s ) 将过程处 理和分布式输入输出单位互连成一个完整的车辆控制系统：列车总线( w i r et r a i n b u s ) 将所有车辆控制系统互连成一个综和的整体，实现整车的两络通信。 s i e m e n s 公司低地板车中的车辆控制单元配备了一个强大的自我诊断系统，用 于存储故障信息，可以快速查找和分析故障发生部位。当故障发生时，各种物理 及电气方面的重要数据都被存储下来，以便及时的做出故障分析，进行故障维修 工作。s i e m e n s 在低地板车通信网络中加入了c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总 线做为设备级通信网络，完成车辆控制单元和牵引控制单元之间的数据通信，充 分利用了c a n 总线抗干扰性好，通信速度快，实时性强的特点。 a b b 公司也开始进军低地板车领域，其生产的低地板车具有功能强大的诊断 模块，通信网络采用c a n o p e a 总线和工业以太网相结合的网络形式。c a n o t m n 协议是基于c a nb u s 的高层协议，具有公共、开放、通用的特点，而且精练透明、 容易开发。在欧洲c a n o p c n 协议被认为是在基于c a n 的工业系统中占领导地位 的标准：工业以太网的应用在车辆调试阶段大量数据的实时传输上具有明显的优 势。 国外低地板轻轨车辆及其部分关键技术部件已形成了制造企业或运营铁路公 司或所属国铁的专利产品。各种通信网络应用的开发均达到成熟阶段，各大低地 板车厂商已经研制出与其产品相配套的网络控制系统模块。 3 毡塞銮通太堂亟 土 堂焦监塞i l直 低地板在国内处于起步阶段。已有7 6 低地板车辆的城市只有长春和大连。 大连在原有有轨电车线路上进行了改造，研制了两关节三模块的7 0 低地板轻轨 车。其故障诊断系统功能尚不完善；而且国内列车通信网络技术还不成熟，需要 从国外引进，目前国内低地板车通信网络采用c a n 总线，还没有完成c a n o p e n 高层协议的开发。而i o o 低地板轻轨车辆及其关键技术，仍属国内空白。 国家在1 0 0 低地板车的研制方面给予了越来越高的重视，科技部在“十一五” 国家科技支撑计划重点项目“新型城市轨道交通技术”中把“1 0 0 低地板轻轨车研 制”作为一项重要研究课题。要求研制一列五模块铰接的1 0 0 低地板轻轨车样车， 完成运行考核试验，达到商业化运行水平。在此项课题中，我校承担了牵引传动 及控制系统技术研究、牵引传动控制系统综合试验研究等课题的研究任务。 1 3本文的研究工作 在研究了工业控制网络以及低地板车的国内外发展动态后，本人通过查阅大 量相关的技术资科，在本论文中设计完成了基于1 0 ( p 低地板车牵引传动系统的网 络传输和故障监测系统，使得目前工业中广泛应用的c a n 总线、r s 4 8 5 总线技术 与以太网局域网技术能够实现无缝连接，并实现了系统的故障诊断功能。 本系统选用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主处理器，在其上设计实现了嵌入式t c p i p 协议，完成了以太网、c a n 总线以及串口通信总线等多种网络协议的转换和数据 传输，实现了数据的故障诊断和故障存储功能，以及上层网络监控系统的实时监 控和故障报警功能。 本论文共分六章，各章的内容安排如下： 第一章：简述课题的背景、研究意义，介绍了国内外低地板车及其关键技术 的研究情况，并说明论文所做的主要工作； 第二章：讨论了网络传输和故障监测系统的总体结构，对网络控制部分的不 同方案进行了比较； 第三章：详细叙述了系统硬件电路设计，包括数据采集单元、故障存储单元 以及网络传输单元接口电路的硬件设计； 第四章：介绍网络传输和故障监测系统的软件设计，包括故障诊断和故障存 储方法，c a n 总线、以太网和串口通信相关协议及具体实现方法； 第五章：应用i , a b v i e w 完成了上层监控界面，提供了数据实时显示以及故障 报警功能；给出并分析了网络通信数据； 第六章：对已完成工作的总结和提出现有工作的不足。 4 2 系统总体结构 1 0 0 低地板车网络传输和故障监测系统的监测对象是1 0 0 低地板车的牵引 交流系统和辅助交流系统。当牵引变流系统和辅助交流系统迸行整车调试实验时， 通过网络传输单元实时的将各种重要数据上传给监控系统进行在线监测，并在故 障发生时发出报警提示信号。 2 1系统结构设计 1 0 0 0 低地板车网络传输和故障监测系统主要用于整车的调试和故障诊断，可 对运行中的或停车状态下的牵引变流器和辅助变流器系统进行在线检测，能够实 时方便地显示各种模拟量、数字量。在车辆运行的过程中采用多路传感器实时地 采集系统状态参数，在c p u 中进行计算处理、故障诊断后，将牵引变流系统和辅 助变流系统的各种运行数据传输给上层监控系统进行监控显示，同时将数据存入 系统缓存中。如果列车发生了某种故障，将故障发生前后一段时间的运行数据和 环境数据记录到数据存储器中，同时在司控台上发出警告或报警信号，提供故障 发生时故障部位的信息等。系统网络如图2 1 所示： 图2 1 网络传输和故障监测系统结构图 f i g u r e2 1 s t r u c t u r eo f n e t w o r kt r a n s m i s s i o na n df a u l td i a g n o s i ss y s t e m 两络传输和故障监测系统包括数据采集单元、网络传输单元、数据存储单元 和上层监控单元四个部分。 5 韭立銮通太堂速堂僮监塞丕统簋佳结趋 l 、网络传输单元在本系统中起着中枢纽带的作用。牵引变流系统和辅助变流 系统作为底层设备，之间的数据通信需要良好的可靠性和实时性，c a n 总线作为 目前广泛应用的工业现场总线，非常适合底层控制设备之问的数据传输；同时为 了对底层设备进行实时在线监控，并对故障原因做准确的分析，需要将底层设备 大量的重要数据实对准确的上传给监控系统，现场总线很难满足大数据量传输的 实时性要求，而工业以太网具有良好的开放性、较长的通信距离和较高的通信速 率，在信息量大的上层监控网络中能够发挥重要作用；由于1 0 0 低地板车整车采 用c a n o p e n 网络，考虑到系统资源的合理利用，本系统中采用串口通信方式实现 与c a n o p e n 网络的协议转换，并实现系统程序的远程加载功能。 因此，本系统设计采用的是c a n 总线、工业以太网和串口通信相结合的综合 式信息传输网络。 2 、数据采集单元主要负责各种数字量和模拟量的采集，用于系统控制、保护 和在线显示。牵引控制单元和辅助控制单元主要负责采集用于系统控制和保护所 必需的数字量和模拟量数据，网络传输单元负责采集牵引变流系统中需要进行监 控的数据量。 3 、数据存储单元包括采集数据的缓冲区和发生故障之后的故障数据存储区。 为了在故障发生后进行详细准确的故障分析，需要对故障时刻前后一段时间 内的数据进行记录，这就需要有缓冲区对系统数据进行循环存储，本设计采用高 速的静态r a m 作为缓冲区，使得数据处理的延迟时间达到最小，并采用非易失性 存储器f l a s h 长期存储故障数据，可通过以太网接口下载故障数据，进行全面故 障分析。 4 、上层监控单元采用l a b v i e w 设计监控界面，完成与以太瞬通信接口设计， 能够实时的接收以太网上传的状态数据，进行系统运行状态的显示，并提供故障 报警功能。 网络传输和故障监测系统的功能复杂，尤其是网络功能繁重。为了合理分配 系统资源，减少系统开发周期，需要对系统的c p u 控制部分结构作进一步方案讨 论。 2 2c p u 控制部分设计 2 2 1单c p u 控制结构 6 图2 2 单c t u 控制结构图 f i g u r e2 2 s u u c t u r eo f s i n g l ec p uc o n t r o ls y s t e m 一般的变流器控制系统采用单c p u 即可达到控制要求。牵引控制单元的d s p 负责牵引变流系统控制和保护外，同时还要负责一些重要数据的网络传输。c p l d 主要负责以太网控制器、f l a s h 、r a m 和实时时钟芯片( r t c ) 的控制访问时序的 控制。这样，系统d s p 的负担很重。由于主控系统负责p w m 整流器的算法计算、 脉冲发生与相关的保护操作，所以其运行是一定要实时可靠。如果在运行的过程 中还要负责频繁的数据处理和数据通信，则大大提高了系统软件编写的难度，同 时降低了系统的运行实时性和可靠性。单c p u 控制结构如图2 2 所示。 2 2 2双c p u 控制结构 图2 , 3 双d s p 控制结构图 f i g u r e 2 3 s a - u c t u r e o f d o u b l e d s p c o n t r o ls y s t e m 在这种方案中，牵引控制单元主要负责整流器的控制和保护，网络传输单元 7 负责与上位机监控有关的所有数据的处理、部分数据的采集，故障数据的存储等 相关操作。从而使双d s p 之间分布控制、分工明确，有效地降低了牵引控制d s p 的工作负担，使其可以集中处理p w m 整流器的控制等关键操作，网络传输d s p 负责大量数据的处理和传输。双c p u 控制结构如图2 3 所示。 对于牵弓l 交流系统，控制部分除了对变流器进行控制和保护外，还完成网络 传输功能，故选用双d s p 控制方案；而辅助变流系统只需要实现c a n 通信，不 需要实现以太网及和故障存储等功能，单d s p 能够满足控制需要。 对牵引交流控制系统来说，由于采用双d s f 进行控制，d s p 之间如何进行数 据交换也是需要解决的问题。本论文采用f p g a 来完成d s p 之间的数据交换。利 用f p g a 内部的宏单元可以实现双口r a m 的功能，同时使用f p g a 的逻辑处理能 力实现对以太网控制器、h a s h 芯片、r t c 单元和r a m 芯片的读写访问以及故 障保护功能。f p g a 的使用使系统结构更加简单实用。 3 系统硬件设计 前一章确定了网络传输和故障监测系统的结构，牵引变流系统采用双d s p 进行 控制，牵弓l 控制d s p 主要完成重要参数的采集、牵引电机控制策略的实现，网络控 制d s p 主要完成故障参数采集、故障数据存储、网络信息传输等功能；辅助交流系 统采用单d s p 进行控制，除了完成辅助变流器的参数采集、控制策略的实现外，只 需要嵌入c a n 通信节点。 3 1控制芯片 本系统的主控芯片选用1 r i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器，并结合x i l i n x 公司的f p g a j 差行辅助控制。 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t j 公司最新推出的3 2 位定点d s p 控制器，是目前控制领域最先 迸的处理器之一。其频率高达1 5 0 m h z ，大大提高了控制系统的控制精度和芯片处 理能力。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片基于c c + 高效3 2 位t m s 3 2 0 c 2 8 xd s p 内核，并提供浮 点数学函数库，从丽可以在定点处理器上方便地实现浮点运算。在高精度伺服控 制、可变频电源、u p s 电源等领域广泛应用，同时是电机等数字化控制产品升级的 最佳选择【3 1 。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 集成了1 2 8 k b 的闪存，可用于开发及对现场软件进行升级时 的简单再编程。优化过的事件管理器包括脉冲宽度调制( p w m ) 产生器、可编程通 用计时器，以及捕捉译码器接口等；该器件还包括1 2 位模数转换器( a d c ) ，吞吐量 8 韭塞銮通太望亟望僮监窑丕红疆蛙递迁 可达1 6 ，7 m b 的采样，其双采样装置可实现控制环路的同步采样。片上标准通信断 口可为主机、测试设备、显示器及其他组件提供简单的通信端口。 f t g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) 即现场可编程门阵列，它是在p a l 、g a l 、 e p l d 等可编程器件的基础上进步发展的产物。它是作为专用集成电路( a s i c ) 领 域中的一种半定制电路面出现的，既解决了定制电路鲍不足，又克殷了原有可编 程器件门电路数有限的缺点f p g a 的使用非常灵活，同一片f p g a 通过不同的编 程数据可以产生不同的电路功能。f p g a 在通信、数据处理、网络、仪器、工业控 制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用1 4 l s l 。 3 2参数检测及保护单元设计 参数捡溅是系统实旖控制鞍保护豹蘸提，是低建板车交流嚣系统智能亿、蕊 络化的一个重要组成部分。对于牵引交流系统和辅助交流系统来说，虽然系统结 构和控制策略不同，但需要检测的参数大致相同。 3 2 1 牵引变流系统 整个交流传动系统中，牵引变流器为系统的核心部分要将直流电逆变为交 流电驱动交流牵弓l 电动机。龟路的拓扑结构设计要整体考虑牵号f 交流器的工作方 式，数据采集与通信，故障保护，散热设计等方面，才能达到安全可靠，小型化， 轻量化，并满足商业化的要求主要由网侧电路、充放电电路、直流滤波电路、 制动吸收电路、变流器、三撩异步电机等构成，系统结构如下图3 1 所示： 图3 1 牵引变流系统拓扑图 f i g u r e 3 ! t o i m l 9 9 y o f t r a c r i o a c o n v e r t o r s ，s t e m 对于牵引变流系统，需要的检测量主要有：输入侧直流电压、输入侧直流电 9 流、输出侧交流电压、交流电流、各个散热器温度、电机转速以及各种开关信号。 直流电压检测：牵引逆变器输入侧额定电压为7 5 0 v ，允许变化范围在5 2 0 v , - 9 0 0 v ，为了保证系统在正常电压范围内工作，需要对直流侧电压进行检测，用于 过压或欠压保护。直流电压检测采用电压传感器，输出的电流信号通过采样电阻 转化为电压信号，再经过低通滤波、放大，最后通过a d 管脚输入到d s p 中进行 功率计算、矢量控制；同时放大后的电压信号通过比较器与给定的参考电压进行 比较，如果检测直流电压不在允许范围内，则做出相应的保护。牵引工况下，当 网压高于设定值时，首先使斩波器触发，若网压继续升高，则封锁i g b t 触发脉冲、 断开高速断路器和线路接触器、显示并报警。网压下降到规定值自动复位。制动 工况下，当网压高于某设定值，则自动转入电阻制动。若网压持续高于某设定值 则封锁i g b t 脉冲，断开高速断路器和线路接触器。当低于设定值( 5 2 0 v ) 变流 器停机，恢复至设定值( 5 5 0 v ) 交流器自动恢复运行。电路如图3 2 所示。 图3 2 直流电压检测电路 f i g u r e 3 2 m e a s u r e m e n t c i r c u i t f o r o f v o l t s d 交流电压检测：牵引逆变器的三相交流电压采用电压传感器进行采样，电压 传感器输出的采样信号经过采样电阻转化为电压信号，再经过滤波放大、加法电 路后输入到d s p 中进行计算。交流电压的捡测主要用于输出稳压和运行功率的计 算和显示。电路如图3 3 所示。 图3 3 交流电压检测电路 f i g u r e 3 3m e a s u r e m e n t c i r c u i t f o r v o l t s a c 1 0 直流电流检测：牵引交流器输入侧最大电流允许值为5 1 3 a ，为保证变流器正 常工作，需要对直流侧电流进行实时检测。检测电路和直流电压检测电路大致相 同，直流电流采用电流传感器来采样，采样信号经过滤波放大输入到d s p 系统； 同时放大后的电压信号通过比较器与给定的参考电压进行比较，如果检测直流电 流超过允许电流最大值，则做出相应的保护，封锁i g b t 的门极脉冲、断开高速断 路器及线路接触器、显示并报警、规定次数复位。电路如图3 4 所示。 砒2 19 1 2 射1 41 0 5 图3 4 直流电流检测电路 f i g u r e3 am e a s u r e m e n t c i r c u i tf o r c m r e n td c 交流电流检测：同样，牵引逆变器进行矢量控制和输出运行功率的计算需要 检测交流侧电流，采用电流传感器进行采样，电流传感器输出的采样信号经过采 样电阻转化为电压信号，再经过滤波放大后输入到d s p 中进行计算；同时，采样 信号通过三相精密整流电路得到三相交流电流的瞬时峰值，用于过流保护。保护 时，首先改变i g b t 的门极脉冲，若在一定时间间隔内仍过流则封锁i g b t 门极脉 冲、断开线路接触器、显示并报警、规定次数复位电路如图3 5 所示。 图3 5 交流电流检测电路 f i g u r e 3 5 m c a g u - e m e n t c i r c u i t f o r c u r r e a t a c 温度检测：温度检测主要用于系统的过温保护，同时，实时的温度检测是系 统状态检测的需要，系统需要知道各种部件的运行状况。美国b b 公司生产的 x t r l 0 5 是用于温度检测系统中的温度电流变送器，可将电阻温度传感器的电阻 值随温度的变化量转变成电流，从而消除线路电阻产生的误差，并可对铂热电阻 温度进行线性补偿，提高整个系统的稽度。x t r l 0 5 外部连接国如图3 6 所示。电 路供电电压为2 4 v ，输出电流在经过取样电阻r l 后变为电压信号供采样使用。其 大小只与r t d 电阻值有关，而与线路电阻r l 无关。r z 为调零电阻，值为r t d 的下限温度电阻值，调节r z 可使x t r l 0 5 在温度下限时输出4 m a 电流。r 】4 9 向 x i r l 0 5 提供一个共模电压。r 1 4 9 两端并上0 0 1 f 电容，可减小噪声。电阻r g 可 根据设计的测温范围而设定，它决定着放大器的放大倍数。r 1 3 3 提供正反馈，对 r t d 电阻中的二次项进行补偿，它可以使r t d 的非线性大大改善，改善前后的非 线性眈可达4 0 ：1 。 图3 6x t r l 0 5 外部连接图 f i g u r e 3 6e x t e r i o r c o a n e e t i o a o f x t r l 0 5 电机转速检测：电机转速主要用于牵引变流器的矢量控制和速度显示。转速 传感器选用德国l e n o r d & b a u e r 公司的g e l 2 4 7 型传感器，该传感器可应用在 0 1 4 z 下无脉冲丢失魄低速检测，以及至2 5 k h z 的毫速电机速度检测，具有很毫的 可靠性和电磁兼容性。检测到的脉冲经过光耦隔离和反相施密特触发器整形后输 入至d s p 进行计算。电路图如图3 7 所示。 圈3 7 电机转速检测电路 f i g u r e 3 7m e a s u r e m e n tc i r c u i tf o rr o t a t es p c e do f m o t o r 3 2 2辅助变流系统 辅助变流系统包括3 5 k v a 的静止逆变器( s n 9 和8 k w 的d c d c 2 4 v 充电机 ( b c c ) 。$ 1 v 交流电源的作用是提供稳定的交流电( 3 8 0 v 5 0 h 2 ) 给负载供电， 如空调机组及通风装置、空压杌、电加热器等；8 k w 的d c d c 电源的作用是提 供直流电( 2 4 v d c ) 给控制电路、客室照明、磁轨制动供电及给蓄电池充电。系统结 构图如图3 8 所示。 图3 8 辅助变流系统结构图 h g u r e3 8 , s 扛 u e t u r eo f a i s t a n tc o n v m o rs y s t e m 辅助变流系统需要的检测量有：静止逆变器( s ) 输入侧直流电压、输入侧 直流电流、高频变压器原边电流、中间直流电压、三相输出交流电流、输出交流 电压；直流充电机( b c c ) 高频变压器原边电流、输出侧直流电流、直流电压。 直流电压检测：辅助逆变器输入侧额定电压为7 5 0 v ，允许变化范围在4 5 0 v 1 0 5 0 v ，为了保证系统在正常电压范围内工作，需要对直流侧电压进行检测，用 于过压或欠压保护1 9 1 2 输入电压在5 5 0 v - 1 0 5 0 v 之间时，辅助逆变器属于正常工 作区域；当d c 输入电压在4 5 0 v - 5 5 0 v 之间时，辅逆处于降功运行区域，此时保 证三相交流输出恒频降压，输出电压幅值随输入电压线性降低。直流电压检测采 用电压传感器，输出的电流信号通过采样电阻转化为电压信号，再经过r c 低通滤 波、放大，最后通过a d 管脚输入到d s p 中，进行功率计算；同时放大后的电压 信号通过比较器l m 2 9 3 与给定的参考电压进行比较，如果检测直流电压不在允许 范围内，则做出相应的保护。 直流电流检测：辅助变流器输入侧最大电流允许值为8 0 a ，为保证变流器正 常工作，需要对直流侧电压进行实时检测。检测电路和直流电压检测电路大致相 同，直流电流采用电流传感器来采样，采样信号经过滤波放大输入到d s p 系统； 同时放大后的电压信号通过比较器与给定的参考电压进行比较，如果检测直流电 流超过允许电流最大值，则做出相应的保护，封锁i g b t 的门极脉冲、断开高速短 路器及线路接触器、显示并报警、规定次数复位。 高频变压器原边电流检测：高频变压器原边交流电流可用于抑制直流偏磁， 采用电流传感器来采样，采样信号经过滤波放大输入到d s p 系统进行控制计算。 s i v 中间直流电压检测：中间直流电压可用于三相逆变器控制计算，过压保护 等。检测电路与直流电压检测电路大致相同，检测信号输入到d s p 中用于控制， 同时与给定参考电压进行比较，进行相应的保护。 s i v 三相输出交流电流：辅助逆变器控制算法和输出运行功率计算需要检测交 流侧电流，采用电流传感器进行采样，电流传感器输出的采样信号经过采样电阻 转化为电压信号，再经过滤波放大后输入到d s p 中进行计算；同时，采样信号通 过三相精密整流电路得到三相交流电流的瞬时峰值，用于过流保护。 s i v 输出交流电压检测：辅助逆变器的交流电压采用电压传感器进行采样，电 压传感器输出的采样信号经过采样电阻转化为电压信号，再经过滤波放大、加法 电路后输入到d s p 中进行计算。交流电压的检测主要用于过欠压保护和运行功率 的计算和显示。 b c c 输出侧直流电流：直流电流的检测主要用于全桥变换器的移相控制和过 流保护。检测电路上述电流检测电路相同，采样信号输入到d s p 中进行计算，同 时与参考电压进行比较，进行相应的保护。 b c c 输出侧直流电压：直流电压的检测主要用于全桥变换器的移相控制、过 压保护以及输出功率计算。电压传感器采样信号通过分压、滤波、光耦隔离、放 大后输入到d s p 中用于控制和计算，同时与参考电压进行比较，进行输出端过欠 压保护。 由于辅助变流系统的参数检测电路与牵引交流系统的大致相同，这里不再赘 述。同样，牵引变流系统和辅助变流系统中各断路器、熔断器等数字状态也被检 测，通过数字隔离光耦后输入到f p g a 中进行逻辑控制。重要的模拟量和数字量 经过检测电路采集到d s p 和f p g a 里，用于系统控制、功率计算以及故障保护。 3 3数据存储单元设计 数据存储单元包括采集数据的缓冲区和发生故障之后的故障数据存储区，缓 冲区采用高速的静态r a m ( r a n d o m a c c e s sm e m o r y ) ，这样可以使得数据处理的延 迟时间达到最小故障数据的存储采用f l a s h ，f l a s h 属于可擦除性r o m ，掉 电之后仍能够保存数据。f l a s h 的读写速度已经能够达到需求。 1 4 3 3 1静态存储器r a m 控制系统选用的静态r a m 是i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 。i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 是i s s i 公司生产的 高速异步c o m s 静态存储芯片，由3 3 v 供电，提供低功耗模式；其最小存取时间 为8 a s ；端口可与标准1 r r l 电平兼容；完全的静态操作，不需要时钟，不用刷新； 三态输出；高低字节可以分开访问；具有工业级的温度范围；5 1 2k x1 6 位的存储 容量。 大容量的静态r a m 用于循环存储系统状态参数，采用f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 存储方式。牵引变流系统和辅助变流系统具有大量的参数进行采集和计算，教先 制定出固定的存储格式，a d 采样得到的系统参数和通过计算得到的数据在d s p 内按照此格式进行排序，在循环存储到r a m 里。大容量的静态r a m 使得系统的 故障数据的缓存的操作更加的方便。 3 3 2闪速存储器f l a s h 她2 1i 同t , a s h 芯片 本系统采用的是s a m s u n g 公司的n a n d 闪速存储器k 9 f 5 6 0 8 u o a ，它是一 个3 2 m x 8 b i t ( 附带有5 1 2 k x s b i t 的备用区) 的n a n d 闪速存储器。它的n a n d 单 元为固态大容量存储器市场提供了最合适的解决方案。编程操作编程一页 ( 5 2 8 b y t e s ) 的典型时间为2 0 0 蜩，擦除操作在1 6 k b 的块上执行的典型时问是2 m s 。 页中的数据可以每字节5 0 a s 的循环时间读出。i o 引脚作为地址和数据的输入，输 出端口以及命令的输入端口片上的写控制自动化了所有的编程和擦除操作，这 包括编程和擦除所要求的脉冲重复和内部数据的验证和合并即使是写密集型的 系统也能够通过提供e c c ( e r r o rc o r r e