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第1章 绪论1.1研究的内容与意义随着工业现场总线技术与嵌入式控制技术的迅速发展，在现代列车通信中，基于网络的分布式控制系统已经取代了过去的集中型直接数字控制系统。为了实现资源共享、协同工作、分散监测和集中操作等目的，列车分布式控制系统应用多种总线技术互联起来形成一种工业局域网。随着人们生活水平的提高，现代列车已不仅仅是提供单一的运输业务，高速化、自动化、舒适化已经成为现代列车的发展趋势。越来越多的信息需要在各车辆之间进行传输和交换，这些信息的种类和功能各异，主要包括：远程控制信息、状态信息、诊断信息、和旅客服务信息等等41。这些信息的增加使得传统的通信网络无法承担，于是迫切需要一个容量大、实时性高的传输网络进行传输。我国作为铁路运输大国，解决列车安全、高速、舒适等问题显得尤为迫切。相比于西方国家，我国对列车通信网络的基础研究和开发应用相对较晚，目前仍处于初级阶段。因此，采用引进与研发相结合的方式，按照成熟的国际标准来研究和开发列车通信网络及其相关产品，并运用到国内制造的轨道机车车辆上对于制定我国列车通信网络标准具有指导意义。自主研制列车网络控制系统能够带动我国牵引/制动等重要设备、工业控制技术和国产软件的研究和发展；自主研制列车网络控制系统，还将为我国工业控制技术、实时嵌入式操作系统、软件运行开发环境、铁路软件标准等领域的发展做出巨大贡献；自主研制列车网络控制系统，对适应高速铁路未来发展要求和控制生产运行成本具有重要意义。1.2国内外几种主流列车通信网络的比较世界各国铁道机车车辆生产企业在各自发展过程中使用了各种各样的列车通信网络技术。目前广泛使用的列车通信网络有符合IEC标准的TCN网络，符合IEEE标准的列车通信网络以及其他工业控制网络，如应用于TGV高速列车ARGAT控制系统的WorldFIP网络、应用于日本新干线高速列车的ARCENT网络等等。（1）CAN总线CAN总线（controller Area Network，控制器局域网）是国际上应用最广泛的一种现场总线，接触网上的单相工频25kV交流电经受电弓和主断路器输送给牵引变压器，降压后供给整流器，整流器将单相交流电整流成直流电，经中间直流环节把直流电输出给牵引逆变器，逆变器输出电压、电流、频率可控的三相交流电，供牵引电机使用。整流器是交直交系统的网侧变流器，机车牵引时工作在整流状态，再生制动时工作在逆变状态，可以实现牵引工况与制动工况之间的快速转换。机车牵引时，将单相交流电整流成直流电，并保证直流环节电压稳定，机车网侧功率因数接近1，网侧电流波形近似正弦，减少机车谐波对牵引网的影响；当电网电压或者机车负载波动时，能够快速调节中间直流环节电压使其稳定，给牵引逆变器提供良好的直流工作电压。机车再生制动时，将直流侧的直流电逆变成大小和相位满足要求的单相工频交流电，通过牵引变压器回馈给电网。（2）LonWorks总线交直交机车和牵引网都是高速铁路成功运行的关键设备。如果在设计过程中未充分考虑交直交机车控制方式和参数与牵引网参数之间的良好匹配，容易引发车网系统强烈的高次谐波谐振，进而引起牵引变电所55kV母线电压和分区所27.5kV母线电压升高，甚至造成停车事故，严重影响铁路正常运输秩序。我国已经建成的高速铁路和重载铁路部分区段发生过类似问题。随着我国高速铁路建设的快速推进，今后投运的交直交机车会越来越多，如何实现牵引网与交直交机车的良好电气匹配，避免谐波谐振问题的发生，是我国当前亟需解决的技术难题之一。（3）WorldFIP总线谐波谐振问题在许多国家高速铁路建设中都存在，并得到高度重视。日本高新干线实际运营中为了抑制牵引网发生高次谐波谐振，在牵引网末端安装HMCR抑制装置。国内对机车和牵引网之间谐波谐振的研究开展相对较晚，但研究内容和研究方法日益完善，与国外差距越来越小。（4）ARCNET网络上世纪70年代末，我国开始发展交流传动电力机车，90年代初AC4000 型交流传动电力机车试制成功，其后又对中原之星、先锋号、中华之星等车型进行了试验，并取得成功。近年来，通过引进消化吸收国外交流传动技术和自主研发创新，先后研制出HXD1、HXD2、 HXD3、 CRH1、 CRH2 、CRH3、 CRH5等具有国际一流水平的交流传动电力机车和动车组，并已得到成功应用。这些交流传动电力机车和动车组将逐步成为我国高速铁路和重载线路的主力车型28。1.3列车通信网络的发展趋势高速列车的控制网络最基本也是最重要的功能就是要对列车上各类设备进行可靠地控制、检测和故障诊断，这样才能保证旅客乘车的安全与舒适。而伴随着列车舒适化和智能化的发展要求，集中型的直接控制系统已经不能满足列车网络的需求。现场总线技术由于其自身的优点被应用到列车控制网络中。现场总线技术出现于上世纪80年代，是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备（即场地级设备）之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系27。作为一种开放式数字化多点通信的底层控制网络，现场总线技术经过这几十年的发展，已深入到工业控制的各个领域。、针对我国高速电气化铁路普遍采用的AT供电方式、NF供电方式及采用脉宽调制控制技术的交直交机车，研究机车和牵引网联合系统谐波谐振的发生机理、影响参数和抑制对策，提出谐振抑制装置技术方案，以实现车网系统良好的电气匹配；确保牵引供电系统和交直交机车的运行安全，为我国高速电气化铁路建设提供具有自主知识产权的车网匹配技术。本文的研究内容如下：（1）建立交直交机车谐波模型基于机车四象限PWM变流器的工作原理，采用双傅立叶级数和Bessel函数构建其谐波电压计算式；基于机车等效电路计算网侧电流；考察网压与功率对机车网侧电流谐波频谱的影响。（2）建立牵引网谐波模型基于实际的牵引网数据（包括AT供电方式和NF供电方式），将多导体传输线理论用于牵引网建模，计算牵引网多导线串联阻抗矩阵和并联导纳矩阵，建立牵引网多导线等值型谐波模型。（3）高次谐波谐振的频率分布特性和空间分布特性研究建立机车与牵引网联合系统模型，通过计算机仿真获得谐波阻抗频率特性曲线，考察机车处于牵引网不同位置时牵引母线侧和机车网侧的谐波频谱；谐振发生的位置；计算牵引母线侧各频段的谐波电流放大倍数。（4）高次谐波谐振与牵引网参数敏感性研究在牵引网模型基础上，改变牵引网参数（包括线路长度、外部电源阻抗、牵引变压器阻抗、AT阻抗、线路阻抗、线路电容等方面），进行谐波谐振仿真，得出影响谐振的主要因素。随着列车控制网络应用范围的不断扩大，用户对网络的灵活性、开放性，性价比都提出了更高的要求。由于各种控制网络都有两面性，目前没有一种控制网络能够完全满足所有应用的需求。所以，列车网络技术标准不仅仅是一种技术标准，而将是多种网络技术的融合1。列车控制网络技术未来的发展将呈现下列趋势：1.4论文的主要内容与组织结构本文以TCN协议为基础，采用自顶向下的设计方法，提出了基于FPGA+SOPC代替现有的CPU+MVBC的MVB总线管理器设计方案，主要包括编码模块、解码模块以及主控模块的设计，最后采用Altera的DE2开发板测试其基本功能。论文共分为六章，每章的内容安排：第一章介绍了本论文的研究背景及意义，对列车通信网络的发展和各种主流列车通信网络做了简单介绍，对本论文组织结构进行了说明。第二章介绍了列车通信网络的概况，对MVB总线实时协议进行了深入研究，对MVB物理层和数据链路层等通信机制进行了详细的分析。第三章介绍了MVB总线管理器的设计方案，对SOPC技术开发流程进行了详细的描述。第四章详细介绍了MVB四类设备接口的硬件设计。第五章对MVB总线管理器的软件实现部分进行了分析。第六章对系统进行了简单的测试。第2章 MVB通信协议2.1列车通信网络概述2.1.1 TCN拓扑结构TCN属于局域网，它采用分层的拓扑结构，如图2-1所示，上层为连接列车中各车辆的绞线式列车总线（WTB），下层为多功能车辆总线（MVB），用于连接一个车厢或固定车组内部各个可编程终端装置。每个车厢内设置一个通信节点，列车总线与车辆总线通过该节点进行协议的转换。上世纪70年代末，我国开始发展交流传动电力机车，90年代初AC4000 型交流传动电力机车试制成功，其后又对中原之星、先锋号、中华之星等车型进行了试验，并取得成功。近年来，通过引进消化吸收国外交流传动技术和自主研发创新，先后研制出HXD1、HXD2、 HXD3、 CRH1、 CRH2 、CRH3、 CRH5等具有国际一流水平的交流传动电力机车和动车组，并已得到成功应用。这些交流传动电力机车和动车组将逐步成为我国高速铁路和重载线路的主力车型28。交流传动电力机车和动车组普遍采用交直交型主电路结构，又称交直交机车，主要由受电弓、主断路器、牵引变压器、整流器、中间直流环节、牵引逆变器、三相异步交流电机等组成29-30。图2-1 TCN拓扑结构中间直流环节起到很重要的作用。保证整流器和牵引逆变器之间瞬时功率的平衡；向牵引逆变器提供基波无功功率和高次谐波通路；整流器和牵引逆变器的变流能力直接受中间直流电压影响，对其要求较高；变流器的工作质量也取决于直流环节电压质量，如果直流电压脉动过大，其谐波电压可能被调制到机车网侧或者牵引电机电路中，加剧系统谐波电压或者谐波电流。中间直流电路是保证交直交系统正常工作的一个重要环节31。2.1.2 TCN组态接触网上的单相工频25kV交流电经受电弓和主断路器输送给牵引变压器，降压后供给整流器，整流器将单相交流电整流成直流电，经中间直流环节把直流电输出给牵引逆变器，逆变器输出电压、电流、频率可控的三相交流电，供牵引电机使用。整流器是交直交系统的网侧变流器，机车牵引时工作在整流状态，再生制动时工作在逆变状态，可以实现牵引工况与制动工况之间的快速转换。机车牵引时，将单相交流电整流成直流电，并保证直流环节电压稳定，机车网侧功率因数接近1，网侧电流波形近似正弦，减少机车谐波对牵引网的影响；当电网电压或者机车负载波动时，能够快速调节中间直流环节电压使其稳定，给牵引逆变器提供良好的直流工作电压。机车再生制动时，将直流侧的直流电逆变成大小和相位满足要求的单相工频交流电，通过牵引变压器回馈给电网。中间直流环节起到很重要的作用。保证整流器和牵引逆变器之间瞬时功率的平衡；向牵引逆变器提供基波无功功率和高次谐波通路；整流器和牵引逆变器的变流能力直接受中间直流电压影响，对其要求较高；变流器的工作质量也取决于直流环节电压质量，如果直流电压脉动过大，其谐波电压可能被调制到机车网侧或者牵引电机电路中，加剧系统谐波电压或者谐波电流。中间直流电路是保证交直交系统正常工作的一个重要环节31。2.2 MVB物理层交直交机车的单相四象限变流器，具有高功率因数、低谐波含量、可实现能量的双向流动等优点34。交直交机车四象限变流器普遍脉宽调制技术，即PWM（Pulse Width Modulated）技术。四象限变流器采用PWM控制技术后，能够容易运行在四象限，所以也叫四象限PWM变流器，它能够实现脉宽调制功能，实现有功功率和无功功率的交换，既可以整流也可以逆变。交直交机车的四象限变流器既有两电平结构四象限变流器，也有三电平结构四象限变流器。CRH1机车采用两电平四象限变流器，CRH2机车采用三电平四象限变流器，CRH5机车采用经并联二重化的两电平四象限变流器35。通常情况下，一个MVB结构由一个或者多个总线段构成，总线段可由以上三种介质构成。总线段与总线段之间必须通过耦合器才能连接，该耦合器可以是连接不同介质的中继器或者是将光纤接入总线的星型耦合器。2.3 MVB设备牵引逆变器是交直交系统的牵引电机侧变流器，机车牵引时作为逆变器，机车再生制动时作为整流器，能够实现牵引与制动之间的快速平滑转换。机车牵引时，将中间直流环节的直流电压变换成电压、电流、频率按照牵引特性要求控制的三相交流电，并保证三相电压对称、电流尽量接近正弦，减小谐波及电压不对称对牵引电机的影响。机车制动时，牵引电机处于发电机状态，牵引逆变器将牵引电机输出的三相交流电整流成直流电，向中间直流环节供电。交直交型机车中间直流环节并联有较大的支撑电容和二次谐波谐振回路，整流器输出电压近似为直流，逆变器产生的高次谐波受中间回路的削弱，只有部分反馈到电网中32-33。因此交直交机车网侧谐波电流主要由整流器产生。我国引进消化吸收的交直交机车虽然车型不一，但都是采用单相四象限变流器作为机车整流器。对不同机车的四象限变流器进行分析，就能推出整个机车的谐波特性。2.4 MVB数据链路层2.4.1 MVB数据类型整个列车控制系统中的各个控制单元主要通过列车通信网络来实现信息的流通，以达到控制的统一和资源共享。1）PWM控制PWM控制根据冲量等效原理，把一个正弦波形分成N 个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲波形的幅值按正弦规律变化，但是宽度相等，都等于/N。用幅值相等而宽度不等的矩形脉冲波代替上述脉冲波形，矩形脉冲波和正弦波对应的面积相等，而矩形脉冲波的宽度是随正弦规律变化，就得到和正弦波是等效的PWM波形。上述的脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形也称为SPWM波形。SPWM调制技术通常是把正弦波形作为调制波信号，把等腰三角形波形作为载波信号36。四象限变流器采用了PWM控制技术，消除了很多低次谐波，输出电压只含特定次数谐波，并且PWM控制频率越高，谐波特性越好，输出电压越接近正弦。2）两电平四象限变流器四象限变流器是在PWM控制技术的基础上发展而来的一种电压源型变流器。引入它的目的是为了克服相控整流器对电网的污染和改善系统侧功率因数。单相两电平四象限变流器主电路的功率开关器件采用带反并联二极管的IGBT全控型器件T1、T2、T3、T4构成，主电路结构如图2-2所示。由于这种变流器很容易运行在整流状态或者逆变状态，故又称为四象限变流器。用一个正弦波和一个三角载波进行比较，用正弦波与三角载波的交点来控制IGBT的导通或关断，单相两电平四象限变流器控制原理如图2-3所示。2.4.2 MVB帧MVB有两种类型的帧：一种是仅有总线主设备（简称总线主，总线管理器之一）发布的主帧；另一种则是由从设备响应主帧而发送的从帧。一个典型的MVB主帧格式如图2-2所示。单相三电平四象限变流器中，IGBT承受的反相电压仅为直流侧电压的一半；而在两电平结构中，IGBT承受的反相电压为直流侧电压。单相三电平四象限变流器能输出五种电平Ud、Ud/2、0、-Ud/2、-Ud，输出电压有更多的阶梯来逼近正弦波，使得输出电压波形失真减少，谐波大为减少，并且在同样的开关频率下，三电平结构谐波比两电平结构要低得多。单相两电平四象限变流器是用正弦波和三角载波的交点来控制IGBT的导通或关断。而三电平四象限变流器需要将一个正弦波与两个幅值、频率相等的三角载波进行比较，其调制方式如图2-5所示。为减少单相三电平四象限变流器的谐波畸变，b相载波与a相载波相位相反。图2-2 MVB典型主帧结构目前，高速列车四象限变流器通常采用瞬态直接电流控制策略，以实现控制机车网侧功率因数和稳定直流侧电压的目的。图2-3 主帧和从帧格式瞬态直接电流控制原理为 （2-1）式中Kp，Ki PI调节器的比例积分参数Pd，Ud中间直流侧功率和电压Udr中间直流侧电压给定值K比例放大系数电网角频率图2-4 数据符与非数据符实时检测电网电压和电流值，按式（2-1）组成运算电路，输出电压信号即为调制信号，将其与三角载波进行比较，生成的脉冲信号用来驱动开关器件。由式（2-1）可知，瞬态直接电流控制为电压电流双闭环控制，对于某一参数变动时，控制系统具有自动校正调节功能，最终达到稳态平衡。采用瞬态直接电流控制策略，能够使系统具有直流侧电压稳定快、动态响应好、对系统参数变化能很快做出调整等优点37-39。图2-5 主帧起始分界符图2-6 从帧起始分界符PWM多重化技术是在高压、大容量变换器系统中应用最为广泛的PWM控制技术。PWM多重化技术是将N个结构和参数相同的四象限PWM变流器在网侧通过输入电感并联，而这些四象限变流器的三角载波频率与幅值相等，相位依次相差/N。采用PWM多重化控制技术后，达到了增大变流器输出电流、增加变流器输出容量、提高系统的等效开关频率、减小系统谐波、改善输出电流波形的目的。根据交直交机车四象限PWM变流器的工作原理，采用双傅立叶级数和Bessel函数构建其谐波电压计算式，推导机车网侧谐波电流计算式。单相两电平四象限变流器输出电压为35: （2-2）式中调制比，直流侧电压，调制波角频率，三角载波角频率，调制波相位，三角载波相位， n阶贝塞尔函数，为载波比单相两电平四象限变流器输出电压包括两个部分：1）基波部分：2）交叉调制部分：从输出电压表达式可以看出：单相两电平四象限变流器输出电压基波大小取决于调制比M，谐波成分仅存在于当m为偶数，n为奇数的情况下。由于四象限变流器的两个桥臂的调制波相位总是相反，所以变流器输出电压不存在偶数次谐波。输出电压不含 (2k+1)N+n（k=0,1,2, n=1, 3）次谐波，仅存在2kN+n（k=1,2, n=1, 3）次谐波。2.4.3 MVB报文一个主帧与其对应的从帧组成一个报文。在MVB传输的报文有三种：过程数据报文，消息数据报文以及监视数据报文。主帧的16位数据的最高有效前四位是F_code功能码，论文中多称为F代码，它用来区分主帧的不同功能，其后的12位数据根据根据F代码分为逻辑地址和设备地址，以及所期望的从帧的长度。表2-2显示了功能码及其所对应的报文类型。单相三电平四象限变流器输出电压为35： （2-3）单相三电平四象限变流器输出电压包括两个部分：1）基波部分：2）交叉调制部分： 从输出电压表达式可以看出：单相三电平四象限变流器输出电压基波大小取决于调制比M，谐波成分仅存在于当m为偶数，n为奇数的情况下。由于四象限变流器的两个桥臂的调制波相位总是相反，所以变流器输出电压不存在偶数次谐波。输出电压不含 (2k+1)N+n（k=0,1,2, n=1, 3）次谐波，仅存在2kN+n（k=1,2, n=1, 3）次谐波。图2-7 MVB过程数据报文图2-8 MVB消息数据报文图2-9 MVB监视数据报文2.4.4 MVB端口无论是两电平还是三电平四象限PWM变流器，其网侧总可以等效成如图2-6所示的等效电路。uN为机车网侧电压，iN为机车网侧电流，k为牵引变压器Tr变比， ix为四象限变流器交流侧输入电流，Ls为四象限变流器交流侧滤波电感， uab为四象限变流器输出电压，LN为网侧等效电感。图2-10 通信存储器内部的端口2.5总线管理2.5.1介质访问方式将调制比M和调制波相角带入机车网侧电流计算公式，即可以得到机车基波电流、谐波电流与网压、功率的关系。以上分析了机车的四象限PWM变流器的主电路结构和工作原理，推导出机车网侧谐波电流计算公式。下面将在matlab/simulink下分别搭建CRH2机车和CRH5机车的四象限PWM变流器仿真模型，在不同网压、不同功率下，对机车谐波特性进行仿真研究。CRH2机车采用单相三电平四象限PWM变流器对网侧进行整流。仿真模型如图2-11所示。根据文献35中提到的CRH2机车参数，设置仿真参数如下：牵引变压器额定电压为25kV/1500V，四象限变流器的三角载波频率为fc=1250Hz，采用载波反相层叠PWM调制，直流侧电压Udr=3000V，CRH2机车网侧等效电感LN=0.278H，等效电阻RN=5.55，直流侧支撑电容为C1=C2=22mF，不设二次滤波回路，负载电阻R由机车输入功率确定。如图2-11所示。图2-11 MVB总线基本周期组成2.5.2主权转移从前面对CRH2机车网侧电流谐波分布特性分析可知： CRH2机车的四象限变流器载波比N=1250/50=25，机车网侧电流仅存在50k+n（k=1,2, n=1, 3）次谐波。根据公式（2-12）对CRH2机车网侧电流谐波分布进行理论计算，就可以得到CRH2机车网侧电流谐波频谱理论计算值。图2-12 主权转移示例图2.6 本章小结本章简要介绍了列车通信网络的拓扑结构以及组态方式，详细分析了MVB（多功能车辆总线）协议，包括物理层，MVB帧的结构、数据类型、报文类型以及各种端口都详细的进行了分析，还有介质分配以及主权转移等功能。第3章 MVB总线管理器设计方案3.1结构分析MVB四类设备的硬件结构图如图3-1所示，主要包括应用处理器、总线控制器和存储器组成。MVB总线控制器为总线上的设备提供通信服务，将物理信号转换为数字信号，完成数据链路层的功能，同时为应用层提供各种数据端口，这些端口则通过通信存储器来实现。通信存储器中的端口可以同时被应用层和控制器共享访问36。图3-1 MVB四类设备接口结构图图3-2所示的是Duagon公司一款典型的MVB网卡结构，它具有应用处理器，能够完成过程数据和消息数据的通信，而且可以作为总线主管理总线。因此，该网卡可以作为MVB3类及其以上设备的网络接口单元。MVB网卡的结构主要采用本地CPU+存储器+时序电路+MVB总线控制器（MVBC），器件繁多，硬件结构复杂。而MVBC技术主要由国外所垄断，使得国内MVB技术的推广使用受到阻碍。图3-2 MVB网卡结构3.2设计方案本方案采用FPGA+SOPC技术，借助于Quartus和Nios开发工具，采用自顶向下的设计方法对MVB4类设备接口的功能进行划分。从功能上可以划分为三大部分，一是编码解码模块，作用是发送和接收数据帧并为总线上的设备提供通信接口；二是编解码控制器，主控模块通过它来控制编码模块和解码模块；三是主控模块，通过软件程序实现报文分析、介质分配和主权转移的功能。其中编码和解码模块是用硬件描述语言Verilog HDL语言实现的。主控模块则是通过Nios 软核C语言编程实现。系统的总体硬件结构如图4-3所示。相对于传统的MVB网卡类型，简化了系统结构，降低了设计成本与难度。本论文采用FPGA+SOPC的设计方案比传统的CPU+MVBC的方案具有如下优点：1MVBC专用芯片技术由国外公司所垄断，国内购买价格昂贵。而使用FPGA芯片可以降低成本。2使用传统的网卡方式，器件繁多，采用MVBC的话还需要另外添加元件实现与总线间的转化。如果使用自身具有可编程能力的FPGA芯片，就可以大大减少元件的数量，使整体电路设计得到简化。3MVBC芯片的实现功能和工作方式都是固定的，若要针对MVBC芯片开发，设计变得死板复杂。而FPGA的设计方式比较灵活。4使用FPGA芯片可以集成处理器，可以代替使用MVBC+CPU的方式，简化了系统设计，一个FPGA芯片就可以完成一个简单系统的功能。3.3总体设计将MVB总线管理器按照功能划分为三个模块：编码、解码和主控。编解码模块主要完成MVB总线控制器的功能，编码模块将发送寄存器中的数据添加帧头帧尾以及生成校验序列并组装成帧发送出去；解码模块，接收总线上的帧，提取出数据部分存入接收寄存器，并将对该帧的分析结果报告给主控模块，具体结构如图3-3所示。编解码模块是主控模块的命令执行单元，也是整个网络接口的基础，由HDL语言实现。SOPC系统部分作为主控模块控制编解码模块共同完成过程数据、消息数据通信的功能，更主要的是完成介质分配和主权转移等协议规定的内容。由于该部分的硬件平台Nios II处理器由Altera公司提供，因此在此基础上只需用C语言进行软件部分设计。编码和解码模块通过编码解码控制器与总线相连，编解码控制器内定义各种控制寄存器和数据寄存器，控制帧的收发，该部分也是由HDL语言来实现。图3-3 系统总体硬件结构图3.4 SOPC技术概述我国高速铁路普遍采用以PWM脉宽调制控制技术为核心技术的交直交机车，其谐波特性与传统的交直型电力机车谐波特性有很大差别，虽然消除了主要的低次（3，5，7，9）谐波，降低了总的谐波含量，但谐波的频率分布更广泛，增大了交直交机车与牵引网发生谐振的可能性。外部电源是电气化铁路的能量来源，它负责向电气化铁路提供高压电源，其电压等级为110kV或220kV4。目前我国大多数电气化铁路接入110kV等级电网，高速客运专线则接入220kV等级电网，电网公共连接点的短路容量为1800-4500MVA以上4。外部电源系统谐波阻抗为式中，Uk为系统额定电压，Sk为系统短路容量，n为谐波次数。牵引变电所是将电力系统供给的三相交流电通过牵引变压器变压和配电装置分配后，输出适合电力机车使用的27.5kV单相交流电。牵引变压器是牵引变电所核心设备，牵引变压器种类较多，有YNd11接线变压器，单相Ii接线变压器，V/v接线变压器，V/x接线变压器，Scott平衡变压器和阻抗匹配平衡变压器4。我国高速铁路常用的牵引变压器有单相Ii接线变压器，V/v接线变压器，V/x接线变压器。图3-4 一个典型的SOPC系统实例3.4.1 Nios软核处理器由于交直交机车网侧谐波电流主要由四象限变流器产生，所以在高次谐波谐振仿真模型中，用四象限PWM变流器模型作为交直交机车谐波模型是比较合理的。CRH2机车采用三电平四象限PWM变流器模型，CRH5机车采用经并联二重化的两电平PWM变流器模型。3.4.2 Avalon交换架构分别建立AT-CRH2系统、AT-CRH5系统、NF-CRH2系统、NF-CRH5系统的车网系统谐波谐振仿真模型，通过获得机车在不同位置S时的车网系统谐波阻抗频率特性曲线，机车网侧电流iN、机车网侧电压uN、牵引母线电流is及牵引母线电压us谐波频谱，各频段的谐波电流放大倍数Kn，来研究车网系统的谐波谐振分布特性。分别建立AT-CRH2系统、AT-CRH5系统、NF-CRH2系统、NF-CRH5系统的车网系统谐波谐振仿真模型，通过获得机车在不同位置S时的车网系统谐波阻抗频率特性曲线，机车网侧电流iN、机车网侧电压uN、牵引母线电流is及牵引母线电压us谐波频谱，各频段的谐波电流放大倍数Kn，来研究车网系统的谐波谐振分布特性。3.4.3 SOPC设计流程分别建立AT-CRH2系统、AT-CRH5系统、NF-CRH2系统、NF-CRH5系统的车网系统谐波谐振仿真模型，通过获得机车在不同位置S时的车网系统谐波阻抗频率特性曲线，机车网侧电流iN、机车网侧电压uN、牵引母线电流is及牵引母线电压us谐波频谱，各频段的谐波电流放大倍数Kn，来研究车网系统的谐波谐振分布特性。基本参数设置：系统短路容量Sk=5000MVA，牵引变压器V/x接线，容量ST=（40+40）MVA，牵引变压器绕组短路电压uT%=10.5%，复线AT供电，牵引网供电臂长度L=30km，AT所间隔Lat=15km，AT变压器容量Sat=8.5MVA，AT变压器绕组短路电压uat%=1.8%，牵引网首末端并联，AT处上下行接触网、正馈线、保护线、钢轨并联，钢轨对地泄露电阻R=5/km。CRH2机车输入功率PN=4800kW，四象限变流器的三角载波频率fc=1250Hz，机车网侧等效电感LN=0.278H。3.4.2硬件描述语言分别建立AT-CRH2系统、AT-CRH5系统、NF-CRH2系统、NF-CRH5系统的车网系统谐波谐振仿真模型，通过获得机车在不同位置S时的车网系统谐波阻抗频率特性曲线，机车网侧电流iN、机车网侧电压uN、牵引母线电流is及牵引母线电压us谐波频谱，各频段的谐波电流放大倍数Kn，来研究车网系统的谐波谐振分布特性。从图4-3到图4-8可得以下结论：1） AT-CRH2系统谐波阻抗最大值对应的谐波次数主要集中在31、109次，机车位置对其谐波阻抗大小影响较大。2） CRH2机车网侧电流谐波主要集中在3、43-57次，机车位置对其谐波含有率影响很小。3） 牵引母线电流谐波主要集中在3、31、43-57、109次，机车位置对其谐波含有率有一定影响。4） 牵引母线电流谐波频谱与机车网侧电流谐波频谱有较大差异，存在谐波电流放大现象。其中31、109次谐波电流放大最为严重，谐波阻抗最大值附近谐波电流放大最为严重。5） 机车网侧电压与牵引母线电压谐波主要集中在31、43-57、109次，机车位置对其谐波含有率有一定的影响。6） 谐波阻抗最大值对应的谐波次数和机车主要特征谐波次数对应的谐波电压较高。虽然CRH2机车31、109次谐波含量很小，但对应的谐波阻抗很高，很小的谐波电流注入呈高阻抗特性的牵引网，会产生很高的谐波电压。虽然43-57次谐波阻抗较低，但这些谐波次数是 CRH2机车的主要特征谐波次数，较高的谐波电流注入呈低阻抗特性的牵引网，也会产生较高的谐波电压。可见谐波电压含有率取决于机车本身的谐波电流特性和系统谐波阻抗频率特性。图3-5 SOPC设计流程第4章 各模块硬件设计4.1编码模块设计编码模块的主要功能就是通过发送控制单元，将发送寄存器中待发送的数据转换为曼彻斯特编码，计算出这些数据对应的CRC校验码，然后附上帧头帧尾，按照MVB帧格式以1.5Mbps的速率串行发送到MVB总线。4.1.1整体结构基本参数设置：系统短路容量Sk=5000MVA，牵引变压器V/x接线，容量ST=（40+40）MVA，牵引变压器绕组短路电压uT%=10.5%，复线AT供电，牵引网供电臂长度L=30km，AT所间隔Lat=15km，AT变压器容量Sat=8.5MVA，AT变压器绕组短路电压uat%=1.8%，牵引网首末端并联，AT处上下行接触网、正馈线、保护线、钢轨并联，钢轨对地泄露电阻R=5/km。CRH5机车输入功率PN=5500kW，四象限变流器的三角载波频率fc=250Hz，机车网侧等效电感LN=0.2H。分界符生成单元、并串转换单元以及CRC校验序列生成单元都要先后通过曼彻斯特编码单元编码，在同一个时刻只能有一个单元发送。所以在设计中添加一个数据选择器。图4-1 编码模块结构图本设计中系统时钟设置为24MHz，发送控制单元分别对系统时钟进行16分频和8分频，对时钟16分频和8分频将分别得到1.5MHz的时钟clk_16div和3MHz的时钟clk_8div。4.1.2曼彻斯特编码单元1） AT-CRH5系统的谐波阻抗最大值对应的谐波次数主要集中在31、109次，机车位置对其谐波阻抗大小影响较大。 2） CRH5机车网侧电流谐波主要集中在3、5、15-25次，机车位置对其谐波含有率影响很小。3） 牵引母线电流谐波主要集中在3、5、15-25、31次，机车位置对其谐波含有率有一定影响。4） 牵引母线电流谐波频谱与机车网侧电流谐波频谱有较大差异，存在谐波电流放大现象。其中31、109次谐波电流放大最为严重，谐波阻抗最大值附近谐波电流放大最为严重。5） 机车网侧电压与牵引母线电压谐波主要集中在15-37、109次，机车位置对其谐波含有率有一定的影响。6） 谐波阻抗最大值对应的谐波次数和机车主要特征谐波次数对应的谐波电压较高。虽然CRH5机车31次谐波电流含量很小，但对应的谐波阻抗很高，很小的谐波电流注入呈高阻抗特性的牵引网，会产生很高的谐波电压。虽然15-35次谐波阻抗较低，但这些谐波次数是 CRH5机车的主要特征谐波次数，较高的谐波电流注入呈低阻抗特性的牵引网，也会产生较高的谐波电压。可见谐波电压含有率取决于机车本身的谐波电流特性和系统谐波阻抗频率特性。图4-2 曼彻斯特编码原理图4-3 曼彻斯特编码单元硬件图4.1.3分界符生成单元基本参数设置：系统短路容量Sk=5000MVA，牵引变压器V/v接线，容量ST=（40+40）MVA，牵引变压器绕组短路电压uT%=10.5%，复线NF供电，牵引网供电臂长度L=30km，加强导线和接触网每隔5km连接一次，回流线和钢轨每隔5km连接一次。牵引网首末端并联，每隔15km上下行接触网、加强导线、回流线、钢轨并联, 钢轨对地泄露电阻R=5/km。CRH2机车输入功率PN=4800kW，四象限变流器的三角载波频率fc=1250Hz，机车网侧等效电感LN=0.278H。其中分界符的每个bit如下表示：数据符：“1”用“11”表示，“0”用“00”表示非数据符：“NH”用“10”表示，“NL”用“01”表示图4-4 起始分界符生成原理根据如上方案就可以得到编码前应该输入的分界符序列：主起始分界符对应的序列是：“111001001001000000”。从起始分界符对应的序列为：“111111110110110110”。终止分界符序列为“01”或者“01”“10”（由传输介质决定）。图4-5 分界符生成单元硬件图4.1.4校验序列生成单元校验序列生成单元可以生成输入串行数据所对应的校验码，然后通过曼彻斯特编码单元编码。MVB总线上的校验序列是由7位CRC校验码和一位偶校验扩展而成得到的八位校验序列。CRC校验码的计算方式可以采用串行方式，虽然CRH5机车31-35次谐波电流含量很小，但对应的谐波阻抗很高，很小的谐波电流注入呈高阻抗特性的牵引网，会产生很高的谐波电压。虽然15-25次谐波阻抗较低，但这些谐波次数是 CRH5机车的主要特征谐波次数，较高的谐波电流注入呈低阻抗特性的牵引网，也会产生较高的谐波电压。可见谐波电压含有率取决于机车本身的谐波电流特性和系统谐波阻抗频率特性。建立车网系统仿真模型，研究了AT-CRH2系统、AT-CRH5系统、NF-CRH2系统、NF-CRH5系统的谐波阻抗频率特性及其谐波谐振分布特性，并对牵引网参数变化对车网系统谐波谐振的影响进行研究。图4-6 CRC生成原理图4-7 校验序列生成单元硬件图4.1.5发送控制单元发送控制单元主要由一个有限状态机和三个计数器组成。该状态机包括9个状态，状态转换图如图4-8所示。建立机车和牵引网联合系统仿真模型，研究了AT-CRH2系统、AT-CRH5系统、NF-CRH2系统、NF-CRH5系统谐波阻抗频率特性及其谐波谐振分布特性，最后就牵引网参数变化对车网系统谐波谐振的影响进行了研究。由于本人知识和思维的局限性，有一些地方需要进一步改进。本文将牵引网和机车在机车与牵引网联合系统下进行仿真研究，使得谐波谐振研究更符合实际情况。对于谐波谐振抑制还未研究，对车网系统谐波模型需要进一步完善。同时，需要加强同其他高校、研究机构以及铁路局加强交流，对车网系统谐波谐振现象进行实测验证，不断改进车网系统谐波谐振研究方法。图4-8 发送控制单元流程图针对我国高速电气化铁路采用的AT供电方式、NF供电方式以及采用脉宽调制控制技术的交直交机车，研究机车与牵引网联合系统谐波谐振特性。基于交直交机车四象限PWM变流器的工作原理，采用双傅立叶级数和Bessel函数构建其谐波电压计算式，建立机车网侧等效电路模型，推导出机车网侧谐波电流计算式，在matlab/simulink下，分别对CRH2机车和CRH5机车谐波特性进行仿真研究。 分析了适合高速铁路运行的AT供电方式和NF供电方式牵引网的网络结构，根据实际牵引网的结构和机车的位置对牵引网进行自然切割，得到由平行多导线传输线和纵向元件构成的链式网络。将多导体传输线理论用于牵引网建模，利用经典Carson理论对牵引网串联阻抗矩阵和并联导纳矩阵进行计算，根据牵引网纵向连接情况进行多导线等值合并，利用相模理论构建牵引网多导线等值型模型。图4-9 发送控制单元硬件图4.2解码模块设计接收模块的作用主要是接收总线上的帧并对其进行译码得到相应的数据，并将这些串行数据转换为并行数据后存储在接收寄存器中，以供上层使用。将要设计的译码模块的主要功能划分为两个部分：译码和错误检测。4.2.1整体结构解码模块主要有起始位检测单元、分界符检测单元、曼彻斯特解码单元、校验序列检测单元、串并转换单元以及接收控制单元组成，结构图如图4-10所示。该模块电路不断检测总线，当检测到下降沿时意味着一帧的开始。4.2.2起始位检测单元起始位检测单元用来检测接收到帧的起始位。单元内部定义一个计数器，计数频率为系统频率24MHz。车网系统主要由外部电源、牵引变电所、牵引网及交直交电力机车组成，对其各个组成部分的分别进行建模，就可以得到车网联合系统的模型。图4-10 解码模块结构图毕。外部电源是电气化铁路的能量来源，它负责向电气化铁路提供高压电源，其电压等级为110kV或220kV4。目前我国大多数电气化铁路接入110kV等级电网，高速客运专线则接入220kV等级电网，电网公共连接点的短路容量为1800-4500MVA以上4。4.2.3分界符检测单元分界符检测包括起始分界符和终止分界符的检测，和编码模块原理相同，经过解码后分界符检测单元将接收到的帧头与寄存器中存储的两种标准帧头进行比较，将结果反馈给接收控制单元。如果是主帧，根据主帧的格式可知该帧的数据组成16位数据和8位校验序列。反之，若为从帧，则数据部分是由发出主帧中的F_code来决定的。如果结果与这两种标准帧头不符，则报告帧头错误给控制单元。4.2.4曼彻斯特解码单元牵引变电所是将电力系统供给的三相交流电通过牵引变压器变压和配电装置分配后，输出适合电力机车使用的27.5kV单相交流电。牵引变压器是牵引变电所核心设备，牵引变压器种类较多，有YNd11接线变压器，单相Ii接线变压器，V/v接线变压器，V/x接线变压器，Scott平衡变压器和阻抗匹配平衡变压器4。我国高速铁路常用的牵引变压器有单相Ii接线变压器，V/v接线变压器，V/x接线变压器。高速铁路牵引网一般采用NF供电方式或者AT供电方式。为了简化分析，可根据实际的牵引网结构进行等值简化。图4-11 曼彻斯特解码原理图曼彻斯特码的数据符的位中都有一次跳变，也就是前半周期和后半周期的电平相异，但是由于帧的传输过程中可能收到电磁干扰等影响，跳变的位置会发生偏移，但是不能偏移太远，由于交直交机车网侧谐波电流主要由四象限变流器产生，所以在高次谐波谐振仿真模型中，用四象限PWM变流器模型作为交直交机车谐波模型是比较合理的。CRH2机车采用三电平四象限PWM变流器模型，CRH5机车采用经并联二重化的两电平PWM变流器模型。4.2.5接收控制单元起始位检测单元检测到一个有效帧时，接收控制单元用来控制起始位检测、分界符检测、数据译码单元以及校验序列检测何时开始何时结束。与发送控制类似，接收控制单元也采用有限状态机来实现，其状态转换图如图4-12所示。当检测到起始位的下降沿，代表一个帧数据的开始。IDLE状态下开始接收起始分界符，设置一个计数频率为3MHz的计数器bit_counter用来计算起始分界符的半位数，接收完毕后即可判断帧的类型并将相应的输出为置1，状态转到SEND_DATA；在SEND_DATA下每接收16位数据计数器word_counter加1，在SDATA_JUMP状态下将word_counter的值和帧长度值比较来确定下个状态；SEND_CRC：在该状态下，控制接收校验序列并将其与重新生成的校验序列进行对比，若两者相异，则报校验错误；SEND_ED：接收终止分界符，若在终止分界符接收状态下，接收到的电平序列与终止分界符不相符，则报帧分界符错误。图4-12 接收控制单元流程图图4-13 接收控制单元4.3编解码控制器设计4.3.1编码控制器设计设计出的编码模块和解码模块是NIOS 处理器的自定义外设，如果想将其应用到SOPC系统中，就要通过自定义组件定制，机车与牵引网联合系统谐波模型如图4-2所示。usn为牵引母线侧谐波电压，Zsn为系统侧等效谐波阻抗，Z1n、Y1n、Z2n、Y2n分别为牵引网谐波等值参数，in为机车网侧谐波电流，un为机车网侧谐波电压， Zpn=Rpn+jXpn是从机车向牵引网看去的牵引网等效谐波阻抗，Zn是车网系统等效谐波阻抗，iabn机车诺顿等效谐波电流源，取决于机车网侧电感LN、网压UN及输入功率PN，而与牵引网图4-14 典型组件的硬件结构寄存器设计主要采用硬件描述语言Verilog HDL编写实现。在设计中，编码控制器中共设置17个16位寄存器，包括16个数据寄存器encode_data015（发送寄存器）和一个控制寄存器encode_control。分别建立AT-CRH2系统、AT-CRH5系统、NF-CRH2系统、NF-CRH5系统的车网系统谐波谐振仿真模型，通过获得机车在不同位置S时的车网系统谐波阻抗频率特性曲线，机车网侧电流iN、机车网侧电压uN、牵引母线电流is及牵引母线电压us谐波频谱，各频段的谐波电流放大倍数Kn，来研究车网系统的谐波谐振分布特性。编码控制寄存器位代表的含义定义如表4-1所示。图4-15 编码寄存器设置表4-1 编码控制寄存器位定义位状态功能描述0SEB发送使能：向该位写1，编码模块读数据并组成帧发送出去14DBN有效数据的字数5SMF发送主帧位6SSF发送从帧位（SMF与SSF位不能同时为1）系统短路容量Sk=5000MVA，牵引变压器V/x接线，容量ST=（40+40）MVA，牵引变压器绕组短路电压uT%=10.5%，复线AT供电，牵引网供电臂长度L=30km，AT所间隔Lat=15km，AT变压器容量Sat=8.5MVA，AT变压器绕组短路电压uat%=1.8%，牵引网首末端并联，AT处上下行接触网、正馈线、保护线、钢轨并联，钢轨对地泄露电阻R=5/km。CRH2机车输入功率PN=4800kW，四象限变流器的三角载波频率fc=1250Hz，机车网侧等效电感LN=0.278H。表4-2 Avalon从端口信号信号类型宽度方向描述clk1输入Avalon从接口的同步时钟。所有信号与clk同步reset1输入