戴仁德，劉曉柔

（1.湖南中大設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410018；2.長沙學(xué)院審計處，湖南 長沙 410022）

隨著各個時期電子元器件的發(fā)展，以及新技術(shù)、新工藝的出現(xiàn)，韶山系列交直傳動電力機(jī)車控制技術(shù)經(jīng)歷了純模擬電路控制、數(shù)模電路混合控制、引進(jìn)微機(jī)系統(tǒng)控制，以及后來的電子元器件表貼新工藝改進(jìn)四個階段［1］。我國交直傳動電力機(jī)車控制領(lǐng)域存在多種模式的控制裝置，這給產(chǎn)品的生產(chǎn)及運用維護(hù)帶來了諸多不便。而在鐵路跨越式發(fā)展新思路下，鐵道裝備技術(shù)面臨“四化”（即“標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化、信息化”）的新要求，將交直傳動電力機(jī)車控制裝置簡統(tǒng)化為一種通用產(chǎn)品已成為必然趨勢。

TPY 型簡統(tǒng)化微機(jī)柜是研究人員對幾代交直機(jī)車控制系統(tǒng)（包括引進(jìn)的控制系統(tǒng)）進(jìn)行歸納總結(jié)并取長補(bǔ)短后，采用當(dāng)前高性能器件、新的控制技術(shù)自主研發(fā)的交直機(jī)車控制裝置，完全滿足當(dāng)前對鐵道裝備技術(shù)提出的“四化”要求，也能滿足用戶多樣化需求。

1 簡統(tǒng)化微機(jī)柜設(shè)計思路

TPY 簡統(tǒng)化微機(jī)控制柜作為原電子柜與微機(jī)柜的技術(shù)升級產(chǎn)品，其安裝尺寸和原控制柜保持一致，對外接口兼容，保證了整柜的互換性。插件箱模塊做到硬件通用，并采用A、B 兩組完全相同的模塊進(jìn)行冷備份，其配置的資源可以滿足所有交直型電力機(jī)車控制的需要。

TPY 系列簡統(tǒng)化微機(jī)控制柜由機(jī)車控制板、數(shù)字IO 板、脈沖分配板、轉(zhuǎn)換控制板、記錄診斷板、背板等部分組成。其中機(jī)車控制板為核心控制模塊，采用了DSP+ARM 雙CPU 架構(gòu)，由DSP 管理系統(tǒng)總線及機(jī)車控制功能，ARM 處理器管理機(jī)車狀態(tài)信息的記錄、診斷、數(shù)據(jù)通信與轉(zhuǎn)儲等，板內(nèi)邏輯及外圍信號的采集與預(yù)處理由FPGA 控制管理并行完成。而將相對較獨立且僅為部分交直傳動電力機(jī)車所選用的功率因數(shù)補(bǔ)償控制系統(tǒng)歸為可選功能模塊。

TPY 簡統(tǒng)化微機(jī)控制系統(tǒng)如圖1 所示，其系統(tǒng)軟件的設(shè)計采用分層與模塊化的設(shè)計理念，由平臺的底層軟件完成信號的采集與預(yù)處理、系統(tǒng)總線與時序管理等，在此基礎(chǔ)上按具體車型的控制需求開發(fā)相應(yīng)的控制功能模塊，最終構(gòu)成應(yīng)用軟件系統(tǒng)。

圖1 簡統(tǒng)化微機(jī)控制系統(tǒng)

1.1 機(jī)車控制板

機(jī)車控制板選用通用型6U 標(biāo)準(zhǔn)插件，通過AMS 總線與系統(tǒng)連接，是TES06 微機(jī)控制系統(tǒng)平臺的基本硬件之一。機(jī)車控制插件作為一個交直機(jī)車控制系統(tǒng)的核心功能模塊，基于基本的軟硬件平臺，通過訪問本板及系統(tǒng)中外圍資源，可方便實現(xiàn)交直機(jī)車控制系統(tǒng)、LCU 控制系統(tǒng)以及與外部系統(tǒng)通信等功能，主要包括以下部分：

（1）44 路模擬量輸入：其中有1 路用于AD 芯片自檢，1 路用來配合DA 芯片的自檢，輸入幅值為-10～+10V，采用200μs 的采樣周期，即對應(yīng)工頻信號每個周期100 個采樣點。

（2）12 路模擬量輸出：輸出幅值-10～+10V，周期為1ms。

（3）4 路RS485 通信口：以FPGA 實現(xiàn)4 路RS485 串行接口。

（4）1 路CAN 口：ARM 本身提供CAN 總線接口，通過光電隔離后送CAN 接口芯片。

（5）1 路以太網(wǎng)口：符合IEEE802.3/802.U-100Base-Tx/10Base-T 規(guī)范，可作為外部網(wǎng)絡(luò)接口或用于調(diào)試、故障數(shù)據(jù)下載等。

（6）1 路USB 高速從口：符合USB2.0 規(guī)格，并支持USB OTG（On-The-Go）外設(shè)功能，具有OTG 外設(shè)的對話請求協(xié)議（Session Request Protocol，SRP）功能，還可以直接連接到OTG雙重角色設(shè)備上，這種高速的USB 接口可實現(xiàn)與PC 連接，具備高達(dá)480Mbit/s 的傳輸速率，使在線數(shù)據(jù)實現(xiàn)波形監(jiān)測。

（7）1 路USB 全速OTG 口：OTG 控制器完全兼容USB2.0 及OTG Supplement 1.0 協(xié)議，主機(jī)和設(shè)備控制器兼容USB2.0 協(xié)議，并支持12Mbit/s 的全速傳輸和1.5Mbit/s 的低速傳輸，通過U 盤可以從ARM 控制器轉(zhuǎn)儲重要的運行數(shù)據(jù)，同時也可以從U 盤讀取數(shù)據(jù)修改系統(tǒng)運行參數(shù)或加載DSP 的運行程序。

（8）6 路速度信號輸入：峰值為0～10V 的方波，頻率范圍為0～4.244kHz，即0～300km/h，輸出值單位為0.01km/h。（9）IEEE796 多總線接口（電氣）以及較全面的信號指示功能。

1.2 數(shù)字IO 板

數(shù)字IO 插件通過多總線與機(jī)車控制插件交換信息，多總線接口即用于完成這一功能。該部分功能邏輯由可編程邏輯器件CPLD 完成。主要實現(xiàn)功能如下：

（1）機(jī)車控制插件通過總線發(fā)送對應(yīng)地址信號，讀取數(shù)字IO 插件的接口狀態(tài)信號，數(shù)字IO 插件接口邏輯器件CPLD 完成地址譯碼，選中該插件及對應(yīng)通道組合，在讀取等控制信號的配合下取得外部數(shù)字量信號。

（2）機(jī)車控制插件通過總線發(fā)送對應(yīng)地址信號，將數(shù)字信號寫入到數(shù)字IO 插件的外部輸出通道，數(shù)字IO 插件接口邏輯器件CPLD 完成地址譯碼，選中對應(yīng)輸出通道組合，完成寫入及信號調(diào)制等功能。

1.3 轉(zhuǎn)換控制板

轉(zhuǎn)換控制插件是通用型6U 標(biāo)準(zhǔn)插件，主要實現(xiàn)功能如下：

（1）提供14 路信號的轉(zhuǎn)換功能。

（2）具備10 路反饋信號的采樣功能，提供給控制系統(tǒng)調(diào)整及A/D 變換后進(jìn)行控制運算。

（3）具有9 路反饋采樣信號的調(diào)整與取最值功能。

（4）具有電源信號的轉(zhuǎn)換與分配、短路智能保護(hù)等功能。

1.4 脈沖分配板

脈沖分配插件主要包括AD 采樣電路、脈沖驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路、與AMS 總線的接口電路、電源子系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)電路。

脈沖分配插件是通用型6U 標(biāo)準(zhǔn)插件，主要是作為AMS 總線與系統(tǒng)的接口。主要實現(xiàn)功能包括：2 路50Hz、8V 峰值的正弦波網(wǎng)壓；AMS-Bus 中的總線讀、總線寫、多路地址選擇、總線復(fù)位、12 位雙向數(shù)據(jù)總線；10 路并列獨立脈沖輸出；1 路解調(diào)輸入、1 路調(diào)制輸出。

2 簡統(tǒng)化微機(jī)柜設(shè)計技術(shù)要點

簡統(tǒng)化微機(jī)柜在提高系統(tǒng)的可靠性方面進(jìn)行了一些改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)采用完全相同的A、B 兩組進(jìn)行冷備份冗余，提高可靠性

在設(shè)計規(guī)劃時，文章將一些可選功能模塊或擴(kuò)展功能模塊與主傳動系統(tǒng)的控制模塊分開，使A、B兩組控制模塊完全集成在一個插件箱中，系統(tǒng)布置更加緊湊、合理，柜體布線及插件箱布線相比原控制柜減少許多，可靠性提高。

2.2 插件箱布線的工藝改進(jìn)

插件箱插件間連線采用PCB 母板，取消原繞接布線，解決由于機(jī)車提速震動加劇和布線密度增加造成的繞接線破損以及散熱不良導(dǎo)致的故障問題［2］，同時改人工繞接布線提升了機(jī)器的生產(chǎn)效率和減少了出錯率。

2.3 機(jī)車控制核心模塊優(yōu)化設(shè)計提高可靠性

機(jī)車控制插件采用ARM、DSP、FPGA 等最先進(jìn)技術(shù)組成取代原80186 微機(jī)構(gòu)成的MICAS 系統(tǒng)，解決系統(tǒng)陳舊和系統(tǒng)死機(jī)問題，提高可靠性。此外采用FPGA 專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，ARM 處理器負(fù)責(zé)處理記錄、診斷、通信與轉(zhuǎn)儲等工作，使系統(tǒng)真正具備實現(xiàn)信息化的數(shù)字基礎(chǔ)。

2.4 脈沖形成與分配模塊的創(chuàng)新設(shè)計

（1）優(yōu)化程序設(shè)計。完善了上層通信部分程序；修改了同步信號正負(fù)半波檢測程序，加入了濾波環(huán)節(jié)；脈沖輸出加入了濾波環(huán)節(jié)；加入了網(wǎng)壓過零保護(hù)區(qū)域與同步信號正負(fù)半波不同步的區(qū)域保護(hù)。

（2）優(yōu)化了硬件設(shè)計。24V 輸入點加入濾波電容，加強(qiáng)脈沖放大部分抗干擾能力，避免升降弓對脈沖放大部分的影響；修改脈沖放大的部分弱電壓信號走線，并加強(qiáng)了該部分信號的驅(qū)動；修改了脈沖分配部分網(wǎng)壓信號濾波部分電容器件的參數(shù)，減少濾波參數(shù)的分散性。

這樣的設(shè)計簡化了電路，提高了抗干擾性，解決原有系統(tǒng)可能存在的由于誤脈沖輸出導(dǎo)致的機(jī)車竄車等故障［3］。

2.5 對調(diào)制解調(diào)功能模塊進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計

研究用硬件編程的方式實現(xiàn)對調(diào)制解調(diào)功能模塊的優(yōu)化設(shè)計，簡化了電路，并保證了功放管開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中可能出現(xiàn)的功放管同時導(dǎo)通，造成的110V 電源的短路故障。

2.6 防空轉(zhuǎn)、防滑控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

由于主控系統(tǒng)采用了DSP、FPGA 等高性能的核心處理器和可編程邏輯器件，替代原80186微機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)［4］，提高了數(shù)據(jù)處理速度，保證了防空轉(zhuǎn)、防滑控制系統(tǒng)的實時性。結(jié)合原有防空轉(zhuǎn)、防滑控制系統(tǒng)在運用中出現(xiàn)的一些問題，文章從軟件上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，更好地發(fā)揮防空轉(zhuǎn)、防滑控制系統(tǒng)的作用，提升了機(jī)車在復(fù)雜線路條件下的黏著利用。

2.7 新型功率因數(shù)補(bǔ)償控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

新型功率因數(shù)補(bǔ)償控制插件選用了高性能的ARM 微控制器作為核心處理器，對機(jī)車原邊電壓、電流進(jìn)行采樣，通過專用電能計量芯片實現(xiàn)無功含量計算，實現(xiàn)對機(jī)車無功補(bǔ)償?shù)母咚賹崟r、可靠安全控制，并從軟件上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，解決原有的一些問題，同時實現(xiàn)功補(bǔ)裝置的信息化。此外，脈沖放大電路借用了主傳動控制系統(tǒng)的脈沖放大創(chuàng)新電路，可靠性及抗干擾性提高。

2.8 新增或完善的部分功能

研究對系統(tǒng)的部分功能進(jìn)行了新增或完善，具體如下：

（1）完善自檢及部分故障診斷、故障導(dǎo)向等功能，更具有實用性。

（2）從根本上解決現(xiàn)有機(jī)車電子柜/微機(jī)柜運行中出現(xiàn)的一些問題，如竄車、微機(jī)柜電流不平衡、一些故障信號誤顯示、調(diào)制解調(diào)限流電阻易燒損等［5］。

（3）采用完全相同的A、B 兩組冷備份冗余方式進(jìn)行冗余，交叉重聯(lián)問題能得到徹底解決。

（4）增加蓄電池電壓的饋電檢測功能，并在顯示屏進(jìn)行提示。

（5）對原采用模擬型電子柜的機(jī)車，增加司機(jī)室顯示屏，實現(xiàn)對輪徑設(shè)置、信號顯示等功能。

（6）在增加外部信號的情況下，預(yù)留了防逆電、輪沿噴油、蓄電池電壓過壓檢測等功能。

（7）預(yù)留了網(wǎng)絡(luò)車所需要的MVB 模塊接口。

3 簡統(tǒng)化微機(jī)柜特點

3.1 簡統(tǒng)化、模塊化、系列化特點

在簡統(tǒng)化微機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計中，為貫徹好簡統(tǒng)化、模塊化、系列化的設(shè)計思想，文章在設(shè)計中充分總結(jié)了原電子柜/微機(jī)柜的設(shè)計長處，在功能模塊進(jìn)一步合并簡化與通用的基礎(chǔ)上進(jìn)行了規(guī)劃。

控制裝置仍采用柜體結(jié)構(gòu)形式，包含兩個標(biāo)準(zhǔn)的84R 插件箱。在簡統(tǒng)化微機(jī)控制柜設(shè)計開發(fā)之前，所有模式的控制柜均沒有將主傳動系統(tǒng)的控制模塊與其他可選或擴(kuò)展功能模塊（如功率因數(shù)補(bǔ)償控制系統(tǒng)、供電控制模塊等）嚴(yán)格分開［6］。在設(shè)計簡統(tǒng)化微機(jī)控制柜時，對其功能模塊進(jìn)行了重新整合，將兩組主傳動系統(tǒng)控制模塊集成在一個插件箱中，而功能相對獨立的其他可選或擴(kuò)展功能模塊則集成在另一個插件箱中，這樣插件箱模塊做到了硬件完全通用。插件布局如圖2 所示。

圖2 簡統(tǒng)化微機(jī)控制插件布局

在插件模塊方面，除通用的開關(guān)電源模塊以外，數(shù)?；旌峡刂菩偷碾娮庸窆舶?0 多種插件模塊，微機(jī)柜包括14 種模塊［7］，SMT 電子柜包括16 種模塊。而簡統(tǒng)化微機(jī)控制則僅設(shè)計了機(jī)車控制、數(shù)字入出、脈沖分配、轉(zhuǎn)換控制4 個主要模塊，以及功補(bǔ)控制、記錄診斷2 個可選模塊。

在設(shè)計完成各模塊的基礎(chǔ)上，依據(jù)各車型對控制的具體要求，文章開發(fā)了相應(yīng)車型的應(yīng)用軟件，形成了系列通用微機(jī)控制柜（見表1）。

表1 簡統(tǒng)化微機(jī)控制柜系列

續(xù)表

3.2 信息化特點

電力機(jī)車的運行條件惡劣，用戶需要在機(jī)車運行的不同工作狀態(tài)下進(jìn)行參數(shù)配置（包括調(diào)節(jié)機(jī)車的PI 參數(shù)），相當(dāng)不方便。而以往調(diào)節(jié)PI 參數(shù)都是根據(jù)示波器觀察調(diào)節(jié)效果，以此來修改機(jī)車控制程序中PI 參數(shù)值，這意味著每次改動都需要修改控制程序，大大降低了機(jī)車控制裝置的可靠性，參數(shù)調(diào)節(jié)周期較長［8］。

機(jī)車在線運行時，攜帶多臺示波器或者采用數(shù)據(jù)采集觀察監(jiān)測機(jī)車運行狀態(tài)信號的方法基本不可行，雖然司機(jī)室的顯示屏上能夠看到一些利用通信傳輸上來的機(jī)車的狀態(tài)信號和故障條目，但是這些信息只能每隔64ms 傳輸一次，因此數(shù)據(jù)信息的實時性較差，不能準(zhǔn)確反應(yīng)和捕捉機(jī)車的瞬態(tài)隱性故障。

為適應(yīng)鐵路裝備信息化的需求，文章在TPY系列簡統(tǒng)化微機(jī)控制裝置的開發(fā)中，結(jié)合車載信息處理系統(tǒng)的特點，在機(jī)車控制模塊與記錄診斷模塊上，對數(shù)據(jù)通信接口進(jìn)行了豐富。新系統(tǒng)同時具備RS485、USB 主從、MVB、工業(yè)以太網(wǎng)等多種通信接口，拓展信息化的各種功能。

機(jī)車控制插件具備實時狀態(tài)監(jiān)視與數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，不論是機(jī)車的出廠調(diào)試，還是在線運行［9］，都可以方便地通過此系統(tǒng)全面、長時間地監(jiān)測及記錄機(jī)車運行的數(shù)據(jù)信息（包括機(jī)車運行的一些關(guān)鍵中間變量），并利用其存儲的豐富數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)回放方式仔細(xì)分析機(jī)車的瞬態(tài)隱性故障，提升調(diào)試及監(jiān)測水平，提高工作效率。機(jī)車控制插件通過共用數(shù)據(jù)采集模塊，而將控制功能模塊與數(shù)據(jù)傳輸功能模塊分離，能提高機(jī)車運行的安全性、可靠性；并具有在線參數(shù)調(diào)節(jié)功能，能在惡劣的運行環(huán)境下實現(xiàn)在線參數(shù)調(diào)試、監(jiān)視，大大縮短調(diào)試周期，減小工作量。

4 結(jié)語

設(shè)計TPY 新型簡統(tǒng)化微機(jī)控制柜是低成本快速響應(yīng)市場要求的一項有效舉措，這必將減少電力機(jī)車控制裝置設(shè)計生產(chǎn)的周期和備件的數(shù)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，并且方便現(xiàn)場管理、節(jié)約維修成本。在批量推廣后，其必將給生產(chǎn)、檢修和運行管理帶來如備件種類數(shù)量減少、機(jī)車檢修與運行履歷信息管理自動化等諸多便利，因此具有良好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。