隨著我國鐵路電氣化區(qū)域的擴(kuò)大、電力電子技術(shù)的發(fā)展，在新型客車上，DC600V" title="DC600V">DC600V母線供電系統(tǒng)將逐步取代原有的發(fā)電車供電系統(tǒng)，從而使得客車逆變器、充電機(jī)的裝車量不斷增加，生產(chǎn)、調(diào)試和維修的工作量也越來越大。原有的DC600V客車充電機(jī)" title="客車充電機(jī)">客車充電機(jī)控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)手動試驗臺已經(jīng)不能滿足需求。因此，研制基于數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processer，DSP" title="DSP">DSP）及復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPlD" title="CPlD">CPlD）的DC600V客車充電機(jī)控制系統(tǒng)自動試驗臺。本文概述試驗臺研制技術(shù)。
1 工作原理
1．1 充電機(jī)的主電路結(jié)構(gòu)
DC600V空調(diào)客車對充電機(jī)的性能和可靠性提出較高的要求，充電機(jī)除應(yīng)具有本身相應(yīng)的保護(hù)功能外，還應(yīng)對蓄電池具有限流恒壓充電和溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?。充電機(jī)的負(fù)載有本車的120Ah蓄電池組、DCIlOV用電設(shè)備和全列車貫通的DCll0V供電母線。充電機(jī)的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 充電機(jī)主電路結(jié)構(gòu)圖
1．2 充電機(jī)控制系統(tǒng)的作用
充電機(jī)主電路中的各個元器件是在控制系統(tǒng)的控制下發(fā)揮作用的。充電機(jī)控制系統(tǒng)通過電壓傳感器檢測輸入電壓，當(dāng)輸人電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)時，充電接觸器吸合，并通過快速熔斷器和充電電阻給中間環(huán)節(jié)支撐電容充電。當(dāng)中間環(huán)節(jié)電壓上升到設(shè)定的范圍內(nèi)時，短路接觸器閉合，經(jīng)延時后充電機(jī)DC／DC變換器開始軟啟動工作。當(dāng)充電機(jī)出現(xiàn)故障時，斷開輸入接觸器，機(jī)組停機(jī)，中間環(huán)節(jié)電壓通過放電接觸器和放電電阻放電。
充電機(jī)控制系統(tǒng)的主要作用如下。
?。?）數(shù)字量輸人輸出功能。用于控制接觸器的通斷，讀入其反饋信號；控制相關(guān)指示燈，讀人溫度開關(guān)信號等。
?。?）模擬量采集功能。用于讀取各個傳感器的反饋信號。
?。?）脈沖產(chǎn)生及IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管）的保護(hù)功能。用于產(chǎn)生IGBT的脈沖控制信號，同時還通過監(jiān)控IGBT的集電極一射極之間的電壓‰保護(hù)IGBT。
?。?）RS485通訊功能。充電機(jī)通過RS485總線與列車網(wǎng)關(guān)交換信息。
1．3 充電機(jī)控制系統(tǒng)測試需求
根據(jù)充電機(jī)控制系統(tǒng)的主要作用可知，該控制系統(tǒng)的測試系統(tǒng)需具備以下功能。
?。?）數(shù)字量的測試。包括4個輸入開關(guān)量，其中2個高電平為+110 V，2個高電平為+24 V；3路輸出繼電器開關(guān)量，其中2路繼電器閉合時輸出+110 V，1路繼電器閉合時接地。
?。?）模擬傳感器。充電機(jī)主電路中包含了7個模擬傳感器用于測試電壓或電流，輸出的電流量最大為100 mA。為了測試充電機(jī)控制系統(tǒng)，測試系統(tǒng)需要能夠產(chǎn)生可控的0～100 mA電流輸出信號。
?。?）脈沖測試。充電機(jī)控制系統(tǒng)輸出G1，G2，G3和G4共4路脈沖信號，其幅值范圍為一7～+15 V。需要測試這些脈沖的滯后時間d、頻率f及占空比D，這3個脈沖特征值的定義如圖2所示，計算公式如下。
圖2 充電機(jī)控制系統(tǒng)的輸出脈沖
?。?）485通訊測試。需要測試系統(tǒng)能夠模擬網(wǎng)關(guān)的通訊功能，全面測試充電機(jī)控制系統(tǒng)通訊是否正常。
隨著我國鐵路電氣化區(qū)域的擴(kuò)大、電力電子技術(shù)的發(fā)展，在新型客車上，DC600V母線供電系統(tǒng)將逐步取代原有的發(fā)電車供電系統(tǒng)，從而使得客車逆變器、充電機(jī)的裝車量不斷增加，生產(chǎn)、調(diào)試和維修的工作量也越來越大。原有的DC600V客車充電機(jī)控制系統(tǒng)手動試驗臺已經(jīng)不能滿足需求。因此，研制基于數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processer，DSP）及復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPlD）的DC600V客車充電機(jī)控制系統(tǒng)自動試驗臺。本文概述試驗臺研制技術(shù)。
1 工作原理
1．1 充電機(jī)的主電路結(jié)構(gòu)
DC600V空調(diào)客車對充電機(jī)的性能和可靠性提出較高的要求，充電機(jī)除應(yīng)具有本身相應(yīng)的保護(hù)功能外，還應(yīng)對蓄電池具有限流恒壓充電和溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?。充電機(jī)的負(fù)載有本車的120Ah蓄電池組、DCIlOV用電設(shè)備和全列車貫通的DCll0V供電母線。充電機(jī)的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 充電機(jī)主電路結(jié)構(gòu)圖
1．2 充電機(jī)控制系統(tǒng)的作用
充電機(jī)主電路中的各個元器件是在控制系統(tǒng)的控制下發(fā)揮作用的。充電機(jī)控制系統(tǒng)通過電壓傳感器檢測輸入電壓，當(dāng)輸人電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)時，充電接觸器吸合，并通過快速熔斷器和充電電阻給中間環(huán)節(jié)支撐電容充電。當(dāng)中間環(huán)節(jié)電壓上升到設(shè)定的范圍內(nèi)時，短路接觸器閉合，經(jīng)延時后充電機(jī)DC／DC變換器開始軟啟動工作。當(dāng)充電機(jī)出現(xiàn)故障時，斷開輸入接觸器，機(jī)組停機(jī)，中間環(huán)節(jié)電壓通過放電接觸器和放電電阻放電。
充電機(jī)控制系統(tǒng)的主要作用如下。
?。?）數(shù)字量輸人輸出功能。用于控制接觸器的通斷，讀入其反饋信號；控制相關(guān)指示燈，讀人溫度開關(guān)信號等。
?。?）模擬量采集功能。用于讀取各個傳感器的反饋信號。
?。?）脈沖產(chǎn)生及IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管）的保護(hù)功能。用于產(chǎn)生IGBT的脈沖控制信號，同時還通過監(jiān)控IGBT的集電極一射極之間的電壓‰保護(hù)IGBT。
?。?）RS485通訊功能。充電機(jī)通過RS485總線與列車網(wǎng)關(guān)交換信息。
1．3 充電機(jī)控制系統(tǒng)測試需求
根據(jù)充電機(jī)控制系統(tǒng)的主要作用可知，該控制系統(tǒng)的測試系統(tǒng)需具備以下功能。
?。?）數(shù)字量的測試。包括4個輸入開關(guān)量，其中2個高電平為+110 V，2個高電平為+24 V；3路輸出繼電器開關(guān)量，其中2路繼電器閉合時輸出+110 V，1路繼電器閉合時接地。
?。?）模擬傳感器。充電機(jī)主電路中包含了7個模擬傳感器用于測試電壓或電流，輸出的電流量最大為100 mA。為了測試充電機(jī)控制系統(tǒng)，測試系統(tǒng)需要能夠產(chǎn)生可控的0～100 mA電流輸出信號。
?。?）脈沖測試。充電機(jī)控制系統(tǒng)輸出G1，G2，G3和G4共4路脈沖信號，其幅值范圍為一7～+15 V。需要測試這些脈沖的滯后時間d、頻率f及占空比D，這3個脈沖特征值的定義如圖2所示，計算公式如下。
圖2 充電機(jī)控制系統(tǒng)的輸出脈沖
?。?）485通訊測試。需要測試系統(tǒng)能夠模擬網(wǎng)關(guān)的通訊功能，全面測試充電機(jī)控制系統(tǒng)通訊是否正常。
1．4 試驗臺工作原理
基于DSP的DC600V客車充電機(jī)控制系統(tǒng)試驗臺原理框圖如圖3所示。
圖3 充電機(jī)控制系統(tǒng)試驗臺原理框圖
試驗臺電路由2部分組成：DSP核心控制電路、外部顯示與控制電路。
DSP核心控制電路豐要包括兩大功能。一是與被測系統(tǒng)的數(shù)字囂和模擬鼉的接口功能，包括接口電平轉(zhuǎn)換，輸入模擬量的模數(shù)轉(zhuǎn)換，PWM脈沖時間特征值的測量，以及輸出模擬量的數(shù)模轉(zhuǎn)換等。二是通過USB總線與外部顯示與控制電路進(jìn)行信息交互，依據(jù)從USB總線獲得的信息控制不同電平的數(shù)字量及模擬電的輸出，同時將數(shù)字量和模擬量輸入以及脈沖測試的時間特征值通過USB總線反饋給外部顯示與控制電路。
外部濕示與控制電路包括三大功能。一是作為測試系統(tǒng)的核心，控制測試流程和復(fù)雜的測試邏輯，該功能由Visual C++編寫的測試中心程序完成。二是與DSP核心控制電路通過USB總線通訊；與被測系統(tǒng)通過RSA85總線通訊，采集被測系統(tǒng)的輸人作為測試邏輯的輸入，并將測試邏輯的輸出傳遞到被測系統(tǒng)；通過TCP協(xié)議與人機(jī)界面程序通訊，該功能由相應(yīng)的驅(qū)動和通訊線程程序完成。三是提供友好的人機(jī)界面，人機(jī)界面采用Labview Touch Panel模塊編寫，通過TCP協(xié)議與測試中心程序交互。外部顯示與控制電路采用嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE 5．0，便于完成靈活的邏輯設(shè)計和友好的人機(jī)界面。
試驗臺系統(tǒng)提供的仿真環(huán)境包括：7個獨立的數(shù)控恒流源輸出、4路脈沖高速捕獲以及AD采集，16個數(shù)字量輸人、16個數(shù)字量輸出、485通訊接口。
1．5 關(guān)鍵技術(shù)
1．5．1 基于離散采樣的脈沖計算
充電機(jī)控制系統(tǒng)的輸出是具有同定頻率與占空比的PWM脈沖。因此，對脈沖的幅值進(jìn)行測量，可以判斷充電機(jī)控制系統(tǒng)工作是否正常。
在手動測試時，采用萬用表測量PWM脈沖的幅值，數(shù)值在指定的范圍內(nèi)即可。本試驗臺采用A／D采樣電路將PWM脈沖讀人測試系統(tǒng)，采用平均值方法計算PWM脈沖的幅值，計算公式為
1．5．2 脈沖時間特征值的測量
充電機(jī)控制系統(tǒng)輸出脈沖波形的頻率約為18kHz，G2和G4相對于G1和G3的滯后時間約為4μs，而DSP核心控制電路中的AD采樣速度最大僅為25 kHz。顯然，采用AD轉(zhuǎn)換后的脈沖波形，尋找波形的上升沿時刻和下降沿時刻，用以計算脈沖特征值是不可能的。
因此，在本試驗臺中采用DSP TMS320F2812高速捕獲單元（CAPl—CAP5）計算這些特征值。在電路中，G1接CAP4，G2接CAP5。G1的上升沿和下降沿均觸發(fā)捕獲，不觸發(fā)中斷；G2僅下降沿觸發(fā)捕獲，可以觸發(fā)中斷。CAP4和CAP5分別緩存最近捕獲的2個事件發(fā)生時刻。該DSP捕獲單元中斷的原理是當(dāng)接到捕獲信號源發(fā)出的捕獲信號時，之前捕獲的數(shù)據(jù)尚未被讀出，則產(chǎn)生中斷。
按照上述連接方法，在DSP接收到1次中斷請求時，在CAP4和CAP5的捕獲緩存里分別保存了G1和G2的t2，t3，t5和t6時的計數(shù)值。通過這4個值計算3個脈沖特征值d，f和D的方法如下。
將CAP4和CAP5的時鐘源設(shè)置為25 MHz，則可以準(zhǔn)確測囂脈沖特征值。
1．5．3 脈沖穩(wěn)定性的判斷及控制
充電機(jī)控制系統(tǒng)輸出的脈沖通過專用移相控制芯片UC2875產(chǎn)生，設(shè)定脈沖頻率及延遲參數(shù)的部分電路如圖4所示。從圖4中可以看出，脈沖輸出頻率是通過接在UC2875芯片第16管腳FREQSET的R1和C1設(shè)定的，延遲是通過接在第18管腳SLOPE的R2設(shè)定的。
圖4 UC2875電路
在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)占空比D比較大時，經(jīng)常會出現(xiàn)輸出脈沖抖動的現(xiàn)象，即延遲d突然減小。這種抖動會導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此，提出如下檢測參數(shù)及其參數(shù)取值范圍，并通過調(diào)整參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。
?。?）占空比84％～86％。
?。?）頻率17．7～18．4 kHz。
?。?）滯后≥3．9μs。
?。?）滯后均方差
當(dāng)被測充電機(jī)控制系統(tǒng)檢測出有參數(shù)超出上述范圍時，將實際測得的數(shù)據(jù)輸人試驗臺所提供的專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)根據(jù)所累計的歷史數(shù)據(jù)，提供合理的R1，C1和R2的調(diào)整建議。
2 硬件設(shè)計
2．1 DSP核心控制電路
DSP核心控制電路硬件框圖如圖5所示。
圖5 DSP核心控制電路硬件框圖
DSP采用TI公司的32位定點數(shù)字信號處理器TMS320F2812，最高可在150 MHz主頻下工作。TMS320F2812具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，包括通用輸入輸出端口（General Purpose I／O，GPIO）、片上模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（Analog-to-Digital Converter，ADC）、高速捕獲單元（Capture Unit，CAP）和外部存儲擴(kuò)展接口（External Interface，XINTF）等。GPIO模塊作為數(shù)字量的輸入輸出接口，結(jié)合外部電平轉(zhuǎn)換電路可以完成相關(guān)繼電器信號的輸出和反饋采集功能。ADC具有16路A／D采樣輸入口，本電路采用A／D輸入0～5通道作為被測電路脈沖的采樣輸入口，6個通道同時采樣，采樣頻率為125 kHz。CAP用于采集PWM脈沖波形邊沿發(fā)生時刻，計算脈沖的時間特征值。通過XINTF為DSP擴(kuò)展了外部RAM，CPLD電路和USB接口電路。USB接口電路以Philips公司的PDIUSBD12芯片為核心。設(shè)計的一些關(guān)鍵電路如下。
2．1．1 脈沖調(diào)理電路
在實際DC600V客車充電機(jī)的運(yùn)用過程中，充電機(jī)控制系統(tǒng)輸出到主電路的4路PWM脈沖是相互隔離的。在設(shè)計試驗臺的PWM脈沖輸入電路時，應(yīng)先通過電磁繼電器隔離，然后通過控制電磁繼電器分別進(jìn)行采樣。脈沖信號的電壓范圍是一7～+15 V，通過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成0～3 V信號，再通過跟隨電路保持信號穩(wěn)定，最后通過鉗位電路嚴(yán)格保持信號在3．3 V范圍之內(nèi)，處理后的信號輸入到DSP中的A／D采樣電路中。脈沖調(diào)理電路如圖6所示。
圖6 脈沖調(diào)理電路
2．1．2 可控恒流源
DC600V客車充電機(jī)豐電路中的傳感器全部采用電流輸出的模式，為了模擬傳感器的功能，測試系統(tǒng)同樣應(yīng)采用電流輸出的模式。DSP電路產(chǎn)生的數(shù)字信號，經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬信號，再經(jīng)過如圖7所示的可控恒流源電路轉(zhuǎn)換成被測系統(tǒng)所需的傳感器的電流信號，進(jìn)入被測電路板。
圖7 可控恒流源電路
2．1．3 邏輯控制
CPLD的應(yīng)用主要是簡化電路結(jié)構(gòu)，并且可以通過軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的各種復(fù)雜的邏輯功能。在本試驗臺中CPLD主要用于解決D／A的選址、故障燈的指示、RAM和USB的選通等。圖8給出了CPLD的主要程序代碼，采用Verilog HDL編寫。
圖8 CPLD內(nèi)部程序（左側(cè)為外部接口圖，右側(cè)為主要程序代碼）
2．2 外部顯示與控制電路
為了得到友好的人機(jī)顯示界面，試驗臺配備了7寸觸摸顯示屏。顯示屏控制板內(nèi)核采用ARM 9芯片組，工作頻率400 MHz。通過USB主機(jī)接口與DSP控制板建立連接。顯示屏控制板的串口1經(jīng)RS485／RS232接口轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)與被測系統(tǒng)的RS485連接。試驗臺的操作人員通過觸摸液晶面板或鼠標(biāo)點擊，控制系統(tǒng)的工作流程，并輸出測試報告。
3 測試軟件
測試軟件的結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖9 測試軟件的結(jié)構(gòu)圖
測試軟件包括2個部分：DSP測試板程序、顯示屏控制板程序。
DSP測試板程序框圖如圖10所示，DSP按照顯示屏控制板的通訊程序的要求，輸出指定的數(shù)字量和模擬量；輸入相關(guān)的數(shù)字量和采樣模擬輸入，經(jīng)過變換后傳送回顯示屏控制板通訊程序。DSP程序由主進(jìn)程、USB中斷、ADC采樣中斷和CAP5捕獲中斷共3個線程組成。CPLD程序完成地址譯碼工作。
圖10 DSP測試板程序框圖
顯示屏安裝了Windows CE 5．0操作系統(tǒng)，采用Windows CE 5．0軟件編寫PDIUSBD12驅(qū)動程序。顯示屏控制板的通訊程序通過該驅(qū)動程序與DSP板進(jìn)行USB通訊，通過串口1與被測系統(tǒng)進(jìn)行RS485通訊，通過TCP協(xié)議與Lacview交互界面程序通訊。該通訊程序還同時實現(xiàn)了控制中心的功能，所有測試流程的控制由該通訊程序完成。
顯示屏控制板程序框圖如圖11所示，由主進(jìn)程、USB通信線程、COM通信線程和TCP通信線程共3個子線程組成。
圖11 顯示屏控制板程序框圖
4 結(jié)語
在測試過程中，操作人員通過觸摸液晶面板或鼠標(biāo)點擊，控制測試系統(tǒng)的工作流程，在測試結(jié)束后輸出測試報告（如圖12所示），在測試報告中給出了被測試系統(tǒng)的詳細(xì)測量結(jié)果及結(jié)論。
圖12 測試報告
研制的基于DSP的DC600V客車充電機(jī)控制系統(tǒng)試驗臺，實現(xiàn)了對DC600V客車充電機(jī)控制系統(tǒng)的自動測試。