动车牵引器控制元件的研究探讨

动车牵引器控制元件的研究探讨

王亮 李亚征 张海滨 曹永利 刘健 韩志跃

中车唐山机车车辆有限公司

摘 要：为了使得当代的动车部件轻量化、小型化以及集成化的要求，通过对动车牵引器的控制元件进行分析，明确了动车的牵引器控制元件应该完成控制、通讯以及信号处理等功能，从而提出了根据控制系统模块和数据处理模块以及监控的模块作为一种综合型的控制单元结构。在硬件设计的过程当中可以采用微控制单元来完成对系统的控制。本文就是基于动车牵引器的控制元件的研究讨论。

关键词：动车牵引器 控制元件

前言：

牵引器当中的一个重要控制部分元件,它是动车牵引器设备装置当中的一个重要核心设备,鼠标接近红色文字,可查看到与分句相似情况它的一种控制技术主要是基于脉冲宽度调制来实现并完成。控制元件牵引器中最重要的一个元件,原理就是通过对供电直流、交换器的输出电压、驱动相的输入电流和功率信号来对牵引器进行监测和控制。随着现代信息科学和技术的不断进步,动车已经向一些零部件的轻量化、小型化以及集成式多功能化的方向前进,这就要求我们需要将传统的控制元件进行改良升级,同时将集成电压电流传感器与变流器控制单元共同做为一个系统中最重要的核心组成部分。

1. 控制元件的需求分析以及基本的结构

在牵引车辆正常运行的整个过程当中,牵引器当中的一些控制部件就是需要针对动车当中的各种信号以及其他相关信息来实现测量和监视,完成了对各种执行机构以及交通系统的控制。经过我们的分析可以看出,我们可以把牵引车当中的一个牵引器控制元件大致概括地定义为:首先接收到上位机或者是列车网络中所给出的一个控制信号,然后经过一个驱动执行机构来直接完成对相关接触器的开关或者是闭合以及启停状态来控制制动斩波装置等牵引系统的操作,执行一个牵引控制算法来产生所要求的脉冲信号,完成了对电力传输机组转矩闭环调节的任务。在电力动车组在高速运转的过程中,应该对系统的电压进行实时监测，并且对控制元件等设备的状态进行实时监测，然后再利用执行软件来进行监测故障和保护。

通常情况下，控制元件的需求可以从功能上面分解成为3个不同的模块来实现其功能，一般可以分为控制系统模块、数据处理和监控模块以及信号处理模块三个不同的模块。

1. 控制系统模块。这个模块当中包括系统级别的控制和逆变器级别的控制两个部分的功能，系统级别的控制通常是与动车总线之间进行通讯，了解到动车的运行方向以及当前的荷载等等情况，然后再结合设计特性的曲线来给出电机的最小输出转矩的正负和大小的值，来对各种操作执行指令进行控制，包括动车接触器当中的开关，逆变器以及制动器的执行指令，顺带完成对故障的检测任务。

2. 数据处理和监控模块。这个模块是将控制系统的模块和信号处理的模块相连接起来的一种模块，能够并行处理并且执行控制系统模块当中发出来的针对于不同的对象进行控制的信号指令，同时对控制系统模块发出的信号进行一并的处理，将其转换成能够识别和执行的指令数据。这样的话，就能够让动车的牵引器控制元件能够识别更多的输入的信号，从而做出相应的反应来实现对整个动车组的控制，有利于保障动车的行车安全和设备质量。

3. 信号处理模块。这个模块大致可以划分为三个不同的组成部分,开关量处理电路、功率型的半导体器件驱动控制以及对反馈运行状态的检测等等,通过触点传感器来检测和控制各种不同类型的断路器以及接触器,模拟量处理电路主要负责对各种模拟量来进行接收和处理,将系统当中所有的模拟量转变成一个可以被控制系统识别的数据,以此方式来完成系统相应计算,同时还使用它可以对一个关键模拟数据起到一个监测和保护的作用。在脉冲输出的工作电路当中,将各个控制脉冲从一个控制系统当中送入到各个驱动元器件当中,驱动各个开关的工作状态,并且通过对这些反馈的状态进行读取和识别来实现对开关的控制。

2. 控制元件的设计

对控制单元当中的各个模块的硬件设计基本上都是采用的底板加扣板的形式，底边直接面向变流器，将各类的信号处理电路和对外的通讯接口集成，对于另外那些功能相对独立的就可作为扣板。一种统一的硬件平台可以节约成本，便于维护和管理。

2.1 控制系统模块

对于系统层次的控制和对逆变器层次的控制所需要求的都是两个不同类型的控制。对于系统层次的控制所需要求的流程处理技术应该具有较强的逻辑处理能力和相应通讯协议的处理能力,并且在设计过程中应该必须具有与此相对应顺序执行的流程架构以及丰富外设,将其广泛地应用到控制系统当中的各个微控制领域当中,来有效地完成对于系统的控制。逆变器等级的控制对于实时数字信号计算技术有着很高的要求,并且应该考虑到使用特殊的乘加结构和专门设计的数字信号处理器,以及一些数字信号处理器。逆变器层次当中的处理器都可以通过 ram 来进行共享,共享RAM和数据的采集处理能够在数据采集以及监控的模块当中同时实现。

考虑到动车的行车安全以及对故障的检测，使用一些非易失性的存储器来储存数据障碍，并且配合MCU储存故障信息。另外，对于视觉处理的芯片类型来讲的话，应该对配套的程序存储器进行考虑。

目前比较流行的 mcu 和 dsp 芯片的接口电压都应该是3. 3v ,内核的电压一般分别是1.2和1. 8v 的两个等级,在进行硬件设计的这个时候就是应该通过使用一个带有检测电压的稳压器来给整个处理器提供电源,在任何的检测到电压或者是发生异常的情况下就是应该通过触发整个系统的复位信号。另外,为了防止通过软件的故障传输到控制系统中而导致的工作受到破坏,所以控制系统中的复位源还是应该由 mcu 和 dsp 两个信号组成。

2.2 数据处理和监控的模块

通常情况下,控制元件都会在系统中面对多种不同的控制对象,控制元件所要面对的每一个控制对象和数据库的种类都是完全不一样的,而且它们互相之间也是比较独立的, mcu 和 dsp 的控制功能相对比较固定,不需要具备进行大规模并行处理的技术能力,所以我们应该考虑采用一种具备丰富的接口、大量储存器以及高速并行处理的能力并且灵活地对硬件的所有功能进行编辑的一个可以被编辑的器件,而且这个器件也需要作为 mcu 和 dsp 的共享处理器,负责所有的外部接口。 fpga 的结构特点也就决定了它在检测时可以通过同步其他输入方式进行。

2.3 信号处理模块

针对不同型号的变流器来进行信号处理，完成控制系统模块的指令输出和系统状态的采集。

1. 开关量处理电路

控制单元面对的电路的开关量主要就是短路、接触器等等。控制器元件通过控制接触器线圈的得电、失电和驱动接触器的主触点的闭合以及断开，同时还要对接触点的状态进行检测。根据使用的不同场景，接触器的电压也有所变化，一般为110V或者是24V，辅助触点的电压为24V。从设计的总思路上面来看的话，主触点和辅助触点的驱动是没有任何区别的，都是首先应该将控制元件的线圈和触点的线圈隔离开来，通常都是使用继电器或者是光耦来实现的。

2. 模拟量的采集和处理电路

变流器的模拟量一般包括电压、电流和速度以及温度等信号。需要根据每种不同的信号的传感器输出的类型以及信号的用途来分别对不同的信号进行处理，并且确定对其进行采样和数模转换的方式。

一般来讲的话，电压和电流的测量是使用霍尔传感器，一般是双极型供电，输出电流信号。使用电流型的传感器测量的模拟量包括网压、中间直流环节电流以及网侧的输入电流，对于这些模拟量的处理可以分为以下几种：①信号采集和调理；②A/D转换；③电压电流的超限保护等等。

结语：

综上所述，本文在动车牵引器当中的控制需求基础之上，分析和讨论了相比于传统的控制元件那种体积更小、模块数量更少的控制元件，并且使用了控制的方法更加简便的方式，实现了对动车牵引器进行控制的控制元件的分析和研究，并且对使用这种控制元件的牵引器完成了与其相关的变流器的试验和研究，使得它的性能符合设计的要求，也能够促进我国的动车行业得到进一步的发展。

参考文献：

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