張全柱，李圓紅，鄧永紅

(華北科技學(xué)院 信息與控制技術(shù)研究所，北京 東燕郊 065201)

基于CAN總線的電力機(jī)車輔助變流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張全柱，李圓紅，鄧永紅

(華北科技學(xué)院 信息與控制技術(shù)研究所，北京 東燕郊 065201)

本文基于CAN總線，對(duì)神朔鐵路SS4機(jī)車的輔變控制管理系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析了輔變系統(tǒng)的工作原理，給出系統(tǒng)的CAN總線方案、硬件電路設(shè)計(jì)、CAN通訊協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、高可靠性通信功能和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。實(shí)驗(yàn)表明，基于CAN總線的輔變系統(tǒng)控制更加方便、操作更加安全，提高了電力機(jī)車的控制性能、使用壽命。

輔變系統(tǒng)；CAN總線；控制；安全

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，CAN總線技術(shù)的運(yùn)用，ss4電力機(jī)車現(xiàn)在的信號(hào)傳輸系統(tǒng)已不能滿足時(shí)代發(fā)展的要求[1]。電力機(jī)車現(xiàn)在的輔助變流器供電有一些缺點(diǎn)：機(jī)車上每個(gè)設(shè)備(變壓器、空調(diào)機(jī)組等等)都要單獨(dú)引一根線來控制這個(gè)設(shè)備的起停、故障等所有信號(hào)的反饋，并傳給操作臺(tái)，并進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)控制。如圖1所示的系統(tǒng)為輔助變流器工作原理圖，各種設(shè)備、接觸器等用琴鍵開關(guān)來控制，這樣不僅接線復(fù)雜，維修不便，最重要是還很容易造成危險(xiǎn)事故。但我們用輔助變流器系統(tǒng)代替現(xiàn)在的系統(tǒng)，再結(jié)合CAN總線技術(shù)，就很方便地實(shí)現(xiàn)了以上控制，既提高了工作效率，同時(shí)系統(tǒng)還兼顧先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，且具有良好的運(yùn)用價(jià)值，有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)[2-3]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示為系統(tǒng)輔助變流器結(jié)構(gòu)框圖，它是由相控整流器、4個(gè)逆變器，還有各個(gè)用電設(shè)備(制動(dòng)風(fēng)機(jī)、牽引機(jī)、壓縮機(jī)、油泵)等組成。并且每一個(gè)設(shè)備都用一個(gè)接觸器控制(還有一個(gè)備用接觸器)。這個(gè)系統(tǒng)首先會(huì)將AC794的電壓經(jīng)過相控整流整成DC540V，然后對(duì)DC540V電壓進(jìn)行逆變，逆變成設(shè)備所需要的AC380V來供給設(shè)備使用，以保證設(shè)備正常運(yùn)行[4]。

圖1 輔助變流器工作原理

結(jié)合圖1，提出基于CAN總線的電力機(jī)車輔變控制系統(tǒng)，如圖2所示，圖中司機(jī)操作臺(tái)上面有各個(gè)設(shè)備的啟動(dòng)停止按鈕，還有顯示屏，可以顯示各設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。在啟動(dòng)之前，司機(jī)操作臺(tái)接收相控整流器，4個(gè)逆變器的故障信號(hào)，如果沒有故障，則首先啟動(dòng)相控整流器，然后根據(jù)需要在開啟各個(gè)逆變器運(yùn)行。

圖2 CAN總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件的設(shè)計(jì)

如圖3所示是CAN電路結(jié)構(gòu)框圖，其中相控整流器，4個(gè)逆變器都分別用一個(gè)STM32F103ZET6芯片來進(jìn)行控制。STM32F103芯片自帶CAN控制器用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。bxCAN就是STM32F1自帶的CAN控制器，它支持CAN協(xié)議2.0A和CAN2.0B。這個(gè)控制器用最小的CPU負(fù)荷來處理大量接收來的報(bào)文，也支持報(bào)文發(fā)送的優(yōu)先級(jí)處理[5]。

圖3 CAN電路結(jié)構(gòu)框圖

2.1 CAN電路設(shè)計(jì)

圖4(a)為單獨(dú)的供電模塊，采用“F0505D-1W”DC-DC轉(zhuǎn)化器，將5V電壓轉(zhuǎn)換成隔離的5V電源，提高總線的抗干擾性，隔離電源供給CAN隔離光耦和收發(fā)器，增加了CAN總線穩(wěn)定和抗干擾能力。

圖4(b)所示為光電隔離電路，我們采用高速光耦6N137，經(jīng)芯片發(fā)送的信號(hào)CANTXD和接收的信號(hào)CANR，用光耦進(jìn)行隔離，這樣CAN的網(wǎng)絡(luò)速度就可以達(dá)到和先前網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的速度一樣，使信號(hào)傳輸更加及時(shí)、穩(wěn)定、可靠，最重要的可以提高抗干擾性。

圖4(c)所示為CAN的收發(fā)電路，運(yùn)用PCA82C50芯片，此芯片可以對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力，并且此芯片使CAN在高速工作模式，使發(fā)送器輸出級(jí)晶體管以盡可能快的速度打開、關(guān)閉，提高CAN的工作效率。電路中芯片接受來自光耦的CANT，CANR信號(hào)，將其變成穩(wěn)定的差分信號(hào)，在經(jīng)過后續(xù)的濾波電路、保護(hù)電路發(fā)送給CAN總線，這樣可以提高信號(hào)的抗干擾能力。

圖4 CAN總線硬件電路

3 CAN通訊協(xié)議

CAN(Controller Area Network)即控制局域網(wǎng)絡(luò)，它是一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，具有高性能、高可靠性、易開發(fā)和低成本的現(xiàn)場(chǎng)總線。它是由CANH和CANL兩條線組成，其傳輸介質(zhì)可以是非屏蔽的雙絞線，電纜和光纖，通訊的速率最高可達(dá)1 Mb/S,并且它的傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 Km[6-9]。

在本系統(tǒng)中，設(shè)定司控臺(tái)，相控整流器，逆變器的各自幀號(hào)。司控臺(tái)發(fā)送給整流器、逆變器的幀號(hào)是0X80的指令幀，接受各個(gè)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并發(fā)送控制命令信號(hào)。相控整流器發(fā)送給司控臺(tái)的幀號(hào)為180H，四個(gè)逆變器發(fā)送給司控臺(tái)的幀號(hào)分別為181H、182H、183H、184H。下表是各個(gè)模塊的字節(jié)定義。

表1 接收：司控臺(tái) ID：80H

表2 發(fā)送：整流器 ID：180H

表3 發(fā)送：逆變器1/2/3/4 ID:181H/182H/183H/184H逆變器1 ID：181H

4 實(shí)驗(yàn)波形

對(duì)于不同的設(shè)備及與他們連接的接觸器，會(huì)進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)監(jiān)控，并對(duì)每個(gè)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。通過測(cè)試，系統(tǒng)可以24小時(shí)連續(xù)不間斷運(yùn)行。下圖是在實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得的CAN總線數(shù)據(jù)波形及CAN總線數(shù)據(jù)幀波形，分別如圖5、6所示。

圖5 CAN總線數(shù)據(jù)波形

經(jīng)過對(duì)操作臺(tái)顯示屏24小時(shí)的不間斷監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)四個(gè)變頻器經(jīng)過CAN總線傳輸?shù)碾妷?、電流、頻率、故障等信息更加及時(shí)有效，而且信息回饋更加穩(wěn)定可靠。

圖6 CAN總線數(shù)據(jù)幀波形

5 結(jié)論

針對(duì)機(jī)車上使用的輔助變流器，本文設(shè)計(jì)了運(yùn)用CAN總線技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊的信息傳送系統(tǒng)。CAN總線系統(tǒng)很好地解決了機(jī)車上用電設(shè)備的運(yùn)行頻率、電流、電壓、故障等信息的傳送問題，并且管理人員可以及時(shí)準(zhǔn)確地通過操作臺(tái)的顯示屏來得到各個(gè)用電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，具有快速準(zhǔn)確、可靠性高的特點(diǎn)。通過在機(jī)車上的安裝調(diào)試和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)的抗震、電磁兼容性、可靠性等方面的設(shè)計(jì)都能滿足實(shí)際運(yùn)用的要求。本論文給CAN總線技術(shù)在機(jī)車上的運(yùn)用提供了一個(gè)可靠的依據(jù)，具有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

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DesignofAuxiliaryConverterControlSystemforElectricLocomotiveBasedonCANBus

ZHANG Quan-zhu, LI Yuan-hong, DENG Yong-hong

(InstituteofInformationandControlTechnology，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

Based on the CAN bus, this paper studies the auxiliary control management system of Shenshuo Railway SS4 locomotive, analyzes the working principle of the auxiliary system, gives the CAN bus scheme, hardware circuit design and CAN communication protocol,and implements long-distance, high-reliability communication function and remote monitoring function. Experiments show that the auxiliary system based on CAN bus controls easier, operates more securely,which improves the control performance and service life of the electric locomotive .

auxiliary system; CAN bus; control; security

2017-06-07

河北省科技支撐項(xiàng)目(16274603，16214408)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142013101,3142016022)

李圓紅(1994-)，男，山西運(yùn)城人，大學(xué)畢業(yè)，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生。E-mail：15732632524@163.com

TP273

A

1672-7169(2017)04-0082-04