CN102916640A - 一种内燃机车相控励磁控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃机车相控励磁控制装置及其方法，相控励磁控制装置与辅助发电机的输出端相连，再控制主发电机的励磁电流。MVB子板将机车上的信号传输至相控控制板，并将相控励磁控制装置的反馈信号回送给机车上的控制设备。相控驱动板驱动输出至三相整流桥的脉冲角信号。相控控制板接收来自相控驱动板的三相整流桥三相交流电压电流输入信号，产生同步信号基准，并生成移相触发脉冲，经过相控驱动板进行脉冲放大触发三相整流桥中的晶闸管，通过控制脉冲角的大小实现对三相整流桥输出电压的控制，从而调节主发电机的励磁电流。本发明克服了现有技术控制速度慢，软件现场调试困难的技术缺陷，通过采用一级励磁方式，简化控制环节，提高了控制效果。

Description

一种内燃机车相控励磁控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种机车控制装置及其方法，尤其是涉及一种应用于新型内燃机车的相控励磁控制装置及其方法。

背景技术

目前国内的交流传动内燃机车励磁控制方式主要是二级无刷励磁方式，无刷励磁发电机主要由主发电机、旋转整流模块、交流励磁机三部分组成。微机控制交流励磁机的励磁电流，交流励磁机发出的三相交流电经旋转整流模块整流后送给主发电机的励磁绕组，主发电机的输出功率根据系统需求来控制微机的PWM输出。该励磁方式存在的主要缺点是：控制速度慢，由于励磁需经过二级方式，具有控制滞后性，因此导致现场调试容易出现欠励或过励现象，高转速和转速变化时中间电压波动大，微机软件编制也比较困难，需要运行智能控制方式以及反复调节PID（Proportional Integral Derivative，比例微分积分）参数才能达到控制要求。

如附图1所示，长期以来内燃机车上主发电机励磁输出控制都是采用二级励磁方式。现有技术的内燃机车相控励磁控制装置包括：整流器13、柴油机组14、微机励磁装置15，以及由励磁发电机、主发电机和整流装置组成的电机系统10。首先由微机PWM斩波控制励磁发电机的励磁电流，励磁发电机输出电压再给牵引发电机提供励磁，微机采集主发电机输出电压和电流，通过计算再控制主发电机的输出电压。

发明内容

本发明的目的是提供一种内燃机车相控励磁控制装置及其方法，该装置及其方法克服了目前内燃机车励磁控制方式导致控制速度慢，软件现场调试困难的技术缺陷，通过采用一级励磁方式，简化控制环节，提高了控制效果。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种内燃机车相控励磁控制装置的技术实现方案，一种内燃机车相控励磁控制装置，包括：相控控制板、相控驱动板、MVB子板和三相整流桥。相控励磁控制装置与辅助发电机的输出端相连，再控制主发电机的励磁电流。MVB子板将机车上的信号传输至相控控制板，并将相控励磁控制装置的反馈信号回送给机车上的控制设备。相控驱动板驱动输出至三相整流桥的移相触发脉冲信号。相控控制板接收来自相控驱动板的三相整流桥三相交流电压电流输入信号，该三相交流电压电流输入信号经电压衰减和信号差分处理产生同步信号基准，由相控控制板根据同步信号基准和主发电机的电压反馈值生成移相触发脉冲信号，移相触发脉冲信号经过相控驱动板进行脉冲放大触发三相整流桥的晶闸管，通过控制移相触发脉冲信号实现对三相整流桥输出电压的控制，从而调节主发电机的励磁电流。

作为本发明一种内燃机车相控励磁控制装置技术方案的进一步改进，相控控制板包括处理器最小系统、信号采集处理电路、逻辑处理电路、电源电路和通讯接口电路。信号采集处理电路采集来自相控驱动板的三相整流桥三相交流电流电压输入信号，并输出至处理器最小系统。处理器最小系统根据三相交流电流电压输入信号和主发电机的电压反馈值进行计算得到触发控制角命令，并将触发控制角命令输出至逻辑处理电路。逻辑处理电路根据触发控制角命令形成三相PWM控制脉冲信号，并通过相控驱动板的脉冲触发放大电路输出至三相整流桥。电源电路和通讯接口电路均与处理器最小系统相连。

作为本发明一种内燃机车相控励磁控制装置技术方案的进一步改进，相控控制板的处理器最小系统采集来自辅助发电机的电压反馈信号，以及来自三相整流桥的散热器温度信号和传感器信号，通过计算和控制实现故障检测判断和限制保护功能。

作为本发明一种内燃机车相控励磁控制装置技术方案的进一步改进，相控控制板的处理器最小系统采用基于DSP的处理器；相控控制板的逻辑处理电路基于CPLD。

作为本发明一种内燃机车相控励磁控制装置技术方案的进一步改进，相控驱动板包括驱动MOS（场效应）管芯片、脉冲变压器、限流电阻、输出二极管和阻容吸收电路。相控控制板的逻辑处理电路产生的脉冲触发信号经过MOS管驱动芯片对脉冲变压器原边进行驱动，将脉冲触发信号进行电压放大。脉冲触发信号通过脉冲变压器实现高压电路和低压控制电路之间的隔离，脉冲触发信号再经过脉冲变压器的输出绕组、限流电阻，输出二极管和阻容吸收电路进入三相整流桥的晶闸管触发接点。

作为本发明一种内燃机车相控励磁控制装置技术方案的进一步改进，MVB子板包括总线控制器、收发器A、收发器B、第一连接器和第二连接器。总线控制器分别与收发器A和收发器B相连，收发器A与第一连接器相连，收发器B与第二连接器相连，第一连接器与第一线缆相连，第二连接器与第二线缆相连，实现线路A和线路B两路信号的数据冗余。

作为本发明一种内燃机车相控励磁控制装置技术方案的进一步改进，机车上的蓄电池输入电压输出至所述电源电路的输入滤波电路进行滤波后输出至正激变换电路；经过正激变换电路变换后得到的24V和-17V直流电压，-17V直流电压经过-15V电压调节器输出-15V电压信号；24V直流电压经过24V转5V电压调节器输出5V电压信号，并经过24V转15V电压调节器输出15V电压信号；辅助供电电路为正激变换电路正常工作进行供电；输入电压检测电路监测输入电压情况，当出现过、欠电压时，关断正激变换电路，待输入正常后，恢复电路工作；输出电压反馈与过电压检测电路监测输出电压的变化，通过控制、驱动电路增大或减小开关管的占空比来保持输出电压的稳定；24V电路转5V电压调节器和24V电路转15V电压调节器为相控驱动板的脉冲变压器提供驱动电源，+15V和-15V电压信号供给外部传感器和相控控制板；输出5V电压信号再分别经过5V转3.3V电压调节器和5V转1.9V电压调节器输出3.3V和1.9V电压信号供电给相控控制板。

本发明还另外具体提供了一种内燃机车相控励磁控制方法的技术实现方案，一种内燃机车相控励磁控制方法包括以下步骤：

相控控制板接收来自相控驱动板的三相整流桥三相交流电压电流输入信号，通过三相电压输入信号的频率，计算出辅助发电机的转速，然后通过查找主发电机控制特性曲线得出主发电机的控制输出电压目标值，与实际反馈的电压进行比较，然后计算得出相控励磁控制装置的脉冲触发角                                                

，并产生移相触发脉冲，经过相控驱动板进行脉冲放大触发三相整流桥中的晶闸管，通过控制脉冲触发角的大小实现对三相整流桥输出电压的控制，从而调节主发电机的励磁电流，控制主发电机的输出电压。

作为本发明一种内燃机车相控励磁控制方法技术方案的进一步改进，相控控制板的处理器最小系统根据三相交流电流电压输入信号进行计算，并将触发控制角命令输出至逻辑处理电路。相控控制板的逻辑处理电路根据触发控制角命令形成三相PWM控制脉冲信号，并通过相控驱动板的脉冲触发放大电路输出至三相整流桥。

作为本发明一种内燃机车相控励磁控制方法技术方案的进一步改进，

当辅助发电机启机时，主发电机不工作；

当辅助发电机的转速到时，主发电机输出电压的目标值控制在，确保主发电机输出后的系统正常工作的最低电压值；

当辅助发电机的转速升高到

时，辅助发电机的转速由

增大至

时，主发电机的输出电压目标值成正比例增大；

当辅助发电机的转速达到

时，已控制主发电机的输出电压为最高值，辅助发电机增大到最高转速

，此时保持主发电机的输出电压不变；

当辅助发电机的转速超速时，控制主发电机的输出电压进行保护，辅助发电机的转速下降至0。

通过实施上述本发明一种内燃机车相控励磁控制装置及其方法的技术方案，具有以下技术效果：

（1）本发明不仅能够满足内燃机车励磁控制功能要求，同时结构设计紧凑合理、体积较少，安装方便、易于拆装；

（2）本发明模块化的设计思路使功能模块化和集成化，操作简单，系统稳定，使机车维护和检修简单方便。

（3）本发明相控励磁控制装置的控制效果好、网络通信稳定可靠、调试方便、通用性强，简化了硬件设计，提高了数据采集的速度、精度，提高了励磁控制装置响应的实时性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术内燃机车相控励磁控制装置的系统结构框图；

图2是本发明内燃机车相控励磁控制装置一种具体实施方式的系统结构框图；

图3是本发明内燃机车相控励磁控制装置一种具体实施方式的结构组成框图；

图4是是本发明内燃机车相控励磁控制方法一种具体实施方式的控制结构框图；

图5是本发明内燃机车相控励磁控制方法一种具体实施方式的控制曲线图；

图6是本发明内燃机车相控励磁控制装置一种具体实施方式三相整流桥的电路原理图；

图7是本发明内燃机车相控励磁控制装置一种具体实施方式相控控制板电源电路的电路结构框图；

图8是本发明内燃机车相控励磁控制装置一种具体实施方式相控控制板的电路原理框图；

图9是本发明内燃机车相控励磁控制装置一种具体实施方式MVB子板的连接结构示意图；

图10是本发明内燃机车相控励磁控制装置一种具体实施方式相控驱动板的结构原理框图；

图11是本发明内燃机车相控励磁控制装置一种具体实施方式三相整流桥的电路拓扑结构图；

图12是本发明内燃机车相控励磁控制装置一种具体实施方式三相整流桥输出至主发电机的三相交流电压波形图；

图13是本发明内燃机车相控励磁控制装置一种具体实施方式主发电机输出电压波形图；

图14是本发明内燃机车相控励磁控制装置一种具体实施方式三相整流桥移相触发脉冲的波形图1；

图15是本发明内燃机车相控励磁控制装置一种具体实施方式三相整流桥移相触发脉冲的波形图2；

图16是本发明内燃机车相控励磁控制装置一种具体实施方式同步信号产生部分的电路原理图；

图中：1-相控控制板，2-相控驱动板，3-MVB子板，4-三相整流桥，5-三相电压衰减电路，10-电机系统，11-辅助发电机，12-主发电机，13-整流器，14-柴油机组，15-微机励磁装置，101-处理器最小系统，102-信号采集处理电路，103-逻辑处理电路，104-电源电路，105-通讯接口电路，21-驱动MOS管芯片，22-脉冲变压器，23-限流电阻，24-输出二极管，25-阻容吸收电路，31-总线控制器，321-收发器A，322-收发器B，331-第一连接器，332-第二连接器。 

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图2至附图15所示，给出了本发明一种内燃机车相控励磁控制装置及其方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图2所示的一种内燃机车相控励磁控制装置的具体实施方式，包括：相控控制板1、相控驱动板2、MVB子板3和三相整流桥4。相控励磁控制装置与辅助发电机11的输出端相连，再控制主发电机12的励磁电流。MVB子板3将机车上的信号传输至相控控制板1，并将相控励磁控制装置的反馈信号回送给机车上的控制设备。相控驱动板2驱动输出至三相整流桥4的移相触发脉冲信号，即移相触发角信号。相控控制板1接收来自相控驱动板2的三相整流桥4三相交流电压电流输入信号，该三相交流电压电流输入信号经过如附图16所示的同步信号产生部分进行电压衰减和信号差分处理产生同步信号基准，再由相控控制板1的处理器最小系统101的DSP芯片根据同步信号基准和主发电机12的电压反馈值生成移相触发脉冲信号，该移相触发脉冲信号与同步信号的角度以同步信号基准为变量，即移相触发角。如附图16所示的内燃机车相控励磁控制装置的同步信号产生部分包括三相电压衰减电路5和信号采集处理电路102。产生的移相触发脉冲信号再经过相控驱动板2进行脉冲放大触发三相整流桥4的晶闸管，通过控制移相触发角的大小实现对三相整流桥4输出电压的控制，从而调节主发电机12的励磁电流。本发明相控励磁控制装置安装在内燃机车上，将辅助发电机11的输出电压转换为直流电流，直接控制主发电机12的励磁，从而实现一级励磁控制，使控制速度快，控制效果好，软件编制也变得容易。具有很高的性价比，适合于在内燃机车市场推广。辅助发电机11和主发电机12可以进一步集成为主辅一体化发电机，满足内燃机车辅助发电机11和主发电机12功率的需要。一级励磁方式控制较为简单，只要从辅助发电机11的输出中直接接入励磁控制器，再控制主发电机12的励磁电流，从而实现一级励磁。本发明将作为辅助发电机11的柴油机的交流输出经过相控励磁装置转变为直流电流，直接输出给作为主发电机12的牵引发电机的励磁绕组，使得控制方式简便，现场调试和维修简单和可靠。同步信号产生部分由相控驱动板2上的三相电压衰减电路5和相控控制板1上的信号采集处理电路102组成。三相整流桥4的输入电压经过相控驱动板2上的三相电压衰减电路5和相控控制板1上的信号采集处理电路102，信号采集处理电路102将三相输入电压的每相电压均转换成互差120°的同步方波信号，方波信号的电平跳变信号即为同步信号的基准。DSP芯片通过对同步信号基准进行相序识别，根据主发电机12的电压反馈值计算需要的触发角度，产生相应的触发脉冲移相角信号。这种方式对三相输入电源的相序无要求，简化了三相整流桥4的安装调试过程，具有电路设计简单的优点。

如附图3和附图8所示，相控控制板1进一步包括处理器最小系统101、信号采集处理电路102、逻辑处理电路103、电源电路104和通讯接口电路105。相控控制板1还可以进一步包括存储器、硬件watchdog（看门狗）电路，以及RS232程序下载电路和总线接口电路。信号采集处理电路102采集来自相控驱动板2的三相整流桥4三相交流电流电压输入信号，并输出至处理器最小系统101。处理器最小系统101根据三相交流电流电压输入信号进行计算，并将触发控制角命令输出至逻辑处理电路103。同时，相控控制板1的处理器最小系统101还将根据现场输入的操作和状态信号进行逻辑判断，实现各种运行励磁调节、限制保护和检测判断故障功能。当三相电压信号采集后，提取同步信号进入TMS320F28335，利用DSP芯片的定时器产生移相触发脉冲，此脉冲经相控驱动板2触发三相整流桥4的晶闸管，达到通过控制三相整流桥4输出电压的目的。同时，逻辑处理电路103根据触发控制角命令形成三相PWM控制脉冲信号，并通过相控驱动板2的脉冲触发放大电路输出至三相整流桥4。电源电路104和通讯接口电路105均与处理器最小系统101相连。相控控制板1的处理器最小系统101采集来自辅助发电机11的电压反馈信号，以及来自三相整流桥4的散热器温度信号和传感器信号，通过计算和控制实现故障检测判断和限制保护功能。三相整流桥4的晶闸管和散热器采用一体化设计方式。6个晶闸管模块直接安装在散热器上，然后散热器又通过绝缘板固定到柜体中，使散热器能在风道中散热。相控控制板1的处理器最小系统101采用基于DSP的处理器，相控控制板1的逻辑处理电路13基于CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）。其中，相控控制板1采用DSP和CPLD等器件作为控制芯片，相控驱动板2采用脉冲变压器22作为驱动，通过采集辅助发电机11的输出电压，作为主发电机12的励磁输入，同时也作为控制用的同步信号，驱动三相整流桥4的脉冲角，通过控制脉冲角的大小来调节主发电机12的励磁电流。

处理器最小系统101采用基于TI公司的32位的DSP芯片TMS320F28335作为处理器，逻辑处理电路103采用基于Altera公司的新型FPGA构造的MAXII系列的MAX1270 CPLD芯片。处理器最小系统101和逻辑处理电路103是整个励磁控制装置的核心处理单元，主要完成模拟量信号调理、开出处理、信号采集以及控制算法等功能。DSP芯片采用DSP23885芯片作为处理器，控制快速，交流采样和直流采样可以同时进行，有利于数据冗余和故障自诊断分析，实现完善的保护功能。同时，DSP芯片的片上资源丰富，具有256K×16的Flash存储器，34K×16的SARAM存储器，1K×16 OTPROM 和8K×16的Boot ROM。其中Flash，OTPROM，16K×16的SARAM均受密码保护。铁电存储器将一些关键参数和故障记录存储起来。CPLD芯片MAX1270，内部资源丰富，操作简单，响应速度快，能够实现包括测频、产生三相PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）信号和逻辑控制等功能。脉冲形成、测频与相位检测、逻辑编码、开入、开出等功能集成在CPLD中，简化了外围接口电路，提高了装置整体的可靠性。DSP除了运算外仅仅是将控制命令以及相关信息给CPLD，这样既发挥DSP与CPLD本身的优势外还大大的节省了DSP的运算时间，提高了系统的实时性。在最重要的脉冲触发环节，DSP与CPLD是相互独立的，DSP仅仅是将触发控制角送给CPLD，控制由CPLD完成，当DSP受到干扰复位时，CPLD依然能正常工作，从而保证了整个系统的稳定性与可靠性。DSP芯片TMS320F28335通过MVB（Multifunction Vehicle Bus，列车通信网TCN的一部分，TCN 网络由多功能车辆总线MVB+绞线式列车总线WTB构成控制器局域网络）和其他控制设备进行数据交换。通过RS232接口可以实时调试程序和下载程序。同时采用TPS3305-33D作为监控复位芯片。

三相整流桥4进一步采用三相全控桥式整流电路。如附图11至15所示，附图11为三相全控型整流桥的拓扑结构图，附图12为主发电机12的励磁绕组三相输出波形图，附图13为主发电机12的输出电压

波形图，附图14和15为三相整流桥4的晶闸管对应触发脉冲波形图。当改变不同的触发角时，可以改变不同的输出电压值，从而改变电流大小来控制主发电机12的输出电压，实现控制要求。辅助发电机11发出的三相交流电，经过6个晶闸管输出可控直流电压和电流。相控驱动板2根据电流电压反馈信号来控制晶闸管的导通角

（自然换相点到施加触发脉冲之间的电角度）。如附图13所示为触发角为

时的主发电机12励磁输出电压，该电压值为。如下表1所示为晶闸管触发环流顺序脉冲列表。

表1 SCR触发环流顺序脉冲列表

如附图10所示，相控驱动板2进一步包括驱动MOS管芯片21、脉冲变压器22、限流电阻23、输出二极管24和阻容吸收电路25。相控控制板1的逻辑处理电路13DSP产生的脉冲触发信号经过MOS管驱动芯片21对脉冲变压器22原边进行驱动，将脉冲触发信号进行电压放大。脉冲触发信号通过脉冲变压器22实现高压电路和低压控制电路之间的隔离，脉冲触发信号再经过脉冲变压器22的输出绕组、限流电阻23、输出二极管24和阻容吸收电路25进入三相整流桥4的晶闸管触发接点。

装置对外通信可采取MVB子板3进行通信，其内部原理图如附图9所示。MVB子板3进一步包括总线控制器31、收发器A 321、收发器B 322、第一连接器331和第二连接器332。总线控制器31分别与收发器A 321和收发器B 322相连，收发器A 321与第一连接器331相连，收发器B 322与第二连接器332相连，第一连接器331与第一线缆341相连，第二连接器332与第二线缆342相连，实现线路A和线路B两路信号的数据冗余。MVB子板3完成信号通信，将机车上的各种信号传送给相控励磁控制装置，同时将相控励磁控制装置的反馈信号回送至机车上其他控制设备。连接在MVB子板3上的设备按性能可分为5类，本发明中的MVB子板3完成MVB一类设备功能，具有设备状态性能和过程数据性能检测功能，完成与外围设备的MVB通讯。MVB物理层和链路层需要实现冗余设计，其中链路层的冗余将通过MVB子板3上的MVB控制器来实现。

如附图7所示，机车上的蓄电池74V（或110V）输入电压输出至电源电路104的输入滤波电路进行滤波后输出至正激变换电路。经过正激变换电路变换后得到的24V和-17V直流电压，-17V直流电压经过-15V电压调节器输出-15V电压信号。24V直流电压经过24V转5V电压调节器输出5V电压信号，并经过24V转15V电压调节器输出15V电压信号。正激变换电路工作后，单端变压器上的一个绕组送出方波电压至辅助供电电路，为正激变换电路正常工作进行供电。输入电压检测电路监测输入电压情况，当出现过、欠电压时，通过关断开关管使正激变换电路停止工作，待输入正常后，恢复电路工作。输出电压反馈与过电压检测电路监测输出电压的变化，通过控制、驱动电路增大或减小开关管的占空比来保持输出电压的稳定。24V电路转5V电压调节器和24V电路转15V电压调节器为相控驱动板2的脉冲变压器22提供驱动电源，+15V和-15V电压信号供给外部传感器和相控控制板1。输出5V电压信号再分别经过5V转3.3V电压调节器和5V转1.9V电压调节器输出3.3V和1.9V电压信号供电给相控控制板1的DSP芯片及其接口电路。

本发明采用专用的2芯和25芯连接器进行插件间的连接，其中控制装置的电源电路通过2芯的连接器输入，其余的控制信号如传感器和数字输入等信号通过25芯连接器，实现不同电压等级、不同信号类型的有效分区，增强抗电磁干扰性能。

如附图4所示的一种内燃机车相控励磁控制方法的具体实施方式，包括以下步骤：

相控控制板1接收来自相控驱动板2的三相整流桥4三相交流电压电流输入信号，通过三相电压输入信号的频率，计算出辅助发电机101的转速，然后通过查找主发电机102控制特性曲线（曲线由内燃机车主机厂提供，根据柴油机输出功率能力与负载要求得出）得出主发电机102的控制输出电压目标值，与实际反馈的电压进行比较，然后计算得出相控励磁控制装置的脉冲触发角

，并产生移相触发脉冲信号，经过相控驱动板2进行脉冲放大触发三相整流桥4中的晶闸管，通过控制脉冲触发角的大小实现对三相整流桥4输出电压的控制，从而调节主发电机102的励磁电流，控制主发电机102的输出电压。

相控控制板1的处理器最小系统101根据三相交流电流电压输入信号进行计算，并将触发控制角命令输出至逻辑处理电路103。相控控制板1的逻辑处理电路103根据触发控制角命令形成三相PWM控制脉冲信号，并通过相控驱动板2的脉冲触发放大电路输出至三相整流桥4。

本发明内燃机车相控励磁控制装置的特性曲线是根据辅助发电机11的转速，主发电机12的输出功率等要求来设定，控制装置的特性曲线示意图如附图5所示。

当辅助发电机11启机时，主发电机12不工作（AB段）；

当辅助发电机11的转速到

时，主发电机12输出电压

的目标值控制在设定值

，确保主发电机12输出后的系统正常工作的最低电压值（CD段）；

当辅助发电机11的转速升高到

时，辅助发电机11的转速由

增大至

时，主发电机12的输出电压目标值成正比例增大（DE段）；

当辅助发电机11的转速达到

时，已控制主发电机12的输出电压为最高值，辅助发电机11增大到最高转速

，此时保持主发电机12的输出电压不变（EF段）；

当辅助发电机11的转速超速时，控制主发电机12的输出电压进行保护，辅助发电机11的转速下降至0（FG段）。

其中，

为主发电机12的输出电压，n为辅助发电机11的转速。

内燃机车相控励磁控制装置的软件系统利用DSP芯片TMS320F28335自带的操作系统。软件设计采用C语言编程，使软件具有很强的可移植性。系统配备监控调试软件，用于帮助应用系统的调试。即在控制系统运行或调试时，通过监控调试软件，监控系统特定的运行参数，进行控制软件的调试、修改和完善。系统采用程序在线下载技术，使应用程序可在现场进行自动下载，这给系统调试、维护带来了极大的方便。

本发明内燃机车相控励磁控制装置所应用的关键器件都没有寿命敏感型器件，这样减小了产品维护的工作量，延长了产品的使用寿命。DSP芯片采用定点和浮点兼用的TMS320F28335高性能处理芯片，减少了外围处理电路，提高了装置的集成度。

本发明采用了以DSP控制为主的相控励磁装置，将辅助发电机11的交流输出经过相控励磁控制装置转变为直流电流，直接输出给主发电机12的励磁绕组，二级励磁方式改为一级励磁方式，使得控制更加方便简捷，控制效果更好，现场调试和维修简单和可靠。本发明不仅能满足内燃机车励磁控制功能要求，同时结构紧凑、体积较少，安装方便、易于拆装。同时模块化的设计思路使功能模块化和集成化，操作简单，系统稳定，使机车维护和检修简单方便。采用MVB子板3实现MVB通信方式，物理传输介质采用 EMD（用于中距离传输的电介质）方式，通信可靠，能够很好地满足铁路标准和要求。本发明还可以采用专用的界面软件进行程序下载，且通过界面软件直接观测检测到的数据，现场调试非常方便，修改参数非常容易。同时通过设置LED（发光二极管）指示灯分别指示板载电源电压状态和DSP工作状态及MVB通信状态。本发明选用新型元器件，应用可靠，工作性能稳定，且生命周期长。电源电路设计可靠，具有较高的防电磁干扰性能。DSP对于信号的分析计算功能强大，许多采集的量可以经内部计算，从而简化外部信号转换处理电路，实现故障自动诊断。由于采用DSP芯片作为相控控制板1的核心，简化了硬件装置设计；在数据采集单元信号采集处理电路102中采用直流与交流相结合的采样方式，增加了数据冗余分析，同时简化了硬件开销，减少了控制装置维护的工作量；利用DSP的数据计算和处理能力，提高了数据采集的速度、精度，提高了励磁控制装置响应的实时性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种内燃机车相控励磁控制装置，其特征在于，包括：相控控制板（1）、相控驱动板（2）、MVB子板（3）和三相整流桥（4），相控励磁控制装置与辅助发电机（11）的输出端相连，再控制主发电机（12）的励磁电流；所述MVB子板（3）将机车上的信号传输至相控控制板（1），并将相控励磁控制装置的反馈信号回送给机车上的控制设备；所述相控驱动板（2）驱动输出至三相整流桥（4）的移相触发脉冲信号；所述相控控制板（1）接收来自相控驱动板（2）的三相整流桥（4）三相交流电压电流输入信号，所述三相交流电压电流输入信号经电压衰减和信号差分处理产生同步信号基准，相控控制板（1）根据同步信号基准和主发电机（12）的电压反馈值生成移相触发脉冲信号，移相触发脉冲信号经过相控驱动板（2）进行脉冲放大触发三相整流桥（4）的晶闸管，通过控制移相触发脉冲信号实现对三相整流桥（4）输出电压的控制，从而调节主发电机（12）的励磁电流。

2.根据权利要求1所述的一种内燃机车相控励磁控制装置，其特征在于：所述相控控制板（1）包括处理器最小系统（101）、信号采集处理电路（102）、逻辑处理电路（103）、电源电路（104）和通讯接口电路（105）；所述信号采集处理电路（102）采集来自相控驱动板（2）的三相整流桥（4）三相交流电流电压输入信号，并输出至处理器最小系统（101）；所述处理器最小系统（101）根据三相交流电流电压输入信号和主发电机（12）的电压反馈值进行计算得到触发控制角命令，并将触发控制角命令输出至逻辑处理电路（103）；所述逻辑处理电路（103）根据触发控制角命令形成三相PWM控制脉冲信号，并通过相控驱动板（2）的脉冲触发放大电路输出至三相整流桥（4）；所述电源电路（104）和通讯接口电路（105）均与处理器最小系统（101）相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种内燃机车相控励磁控制装置，其特征在于：所述相控控制板（1）的处理器最小系统（101）采集来自辅助发电机（11）的电压反馈信号，以及来自三相整流桥（4）的散热器温度信号和传感器信号，通过计算和控制实现故障检测判断和限制保护功能。

4.根据权利要求3所述的一种内燃机车相控励磁控制装置，其特征在于：所述相控控制板（1）的处理器最小系统（101）采用基于DSP的处理器；所述相控控制板（1）的逻辑处理电路（13）基于CPLD。

5.根据权利要求1、2、4中任一权利要求所述的一种内燃机车相控励磁控制装置，其特征在于：所述相控驱动板（2）包括驱动MOS管芯片（21）、脉冲变压器（22）、限流电阻（23）、输出二极管（24）和阻容吸收电路（25），所述相控控制板（1）的逻辑处理电路（13）产生的脉冲触发信号经过MOS管驱动芯片（21）对脉冲变压器（22）原边进行驱动，将脉冲触发信号进行电压放大，脉冲触发信号通过脉冲变压器（22）实现高压电路和低压控制电路之间的隔离，脉冲触发信号再经过脉冲变压器（22）的输出绕组、限流电阻（23），输出二极管（24）和阻容吸收电路（25）进入三相整流桥（4）的晶闸管触发接点。

6.根据权利要求5所述的一种内燃机车相控励磁控制装置，其特征在于：所述MVB子板（3）包括总线控制器（31）、收发器A（321）、收发器B（322）、第一连接器（331）和第二连接器（332）；所述总线控制器（31）分别与收发器A（321）和收发器B（322）相连，所述收发器A（321）与第一连接器（331）相连，所述收发器B（322）与第二连接器（332）相连，所述第一连接器（331）与第一线缆（341）相连，所述第二连接器（332）与第二线缆（342）相连，实现线路A和线路B两路信号的数据冗余。

7.根据权利要求2、4、6中任一权利要求所述的一种内燃机车相控励磁控制装置，其特征在于：机车上的蓄电池输入电压输出至所述电源电路（104）的输入滤波电路进行滤波后输出至正激变换电路；经过正激变换电路变换后得到的24V和-17V直流电压，-17V直流电压经过-15V电压调节器输出-15V电压信号；24V直流电压经过24V转5V电压调节器输出5V电压信号，并经过24V转15V电压调节器输出15V电压信号；辅助供电电路为正激变换电路进行供电；输入电压检测电路监测输入电压情况，当出现过、欠电压时，关断正激变换电路，待输入正常后，恢复电路工作；输出电压反馈与过电压检测电路监测输出电压的变化，通过控制、驱动电路增大或减小开关管的占空比来保持输出电压的稳定；24V电路转5V电压调节器和24V电路转15V电压调节器为相控驱动板（2）的脉冲变压器（22）提供驱动电源，+15V和-15V电压信号供给外部传感器和相控控制板（1）；输出5V电压信号再分别经过5V转3.3V电压调节器和5V转1.9V电压调节器输出3.3V和1.9V电压信号供电给相控控制板（1）。

8.一种内燃机车相控励磁控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

相控控制板（1）接收来自相控驱动板（2）的三相整流桥（4）三相交流电压电流输入信号，通过三相电压输入信号的频率，计算出辅助发电机（101）的转速，然后通过查找主发电机（102）控制特性曲线得出主发电机（102）的控制输出电压目标值，与实际反馈的电压进行比较，然后计算得出相控励磁控制装置的脉冲触发角                                                

，并产生移相触发脉冲信号，经过相控驱动板（2）进行脉冲放大触发三相整流桥（4）中的晶闸管，通过控制脉冲触发角的大小实现对三相整流桥（4）输出电压的控制，从而调节主发电机（102）的励磁电流，控制主发电机（102）的输出电压。

9.根据权利要求8所述的一种内燃机车相控励磁控制方法，其特征在于：所述相控控制板（1）的处理器最小系统（101）根据三相交流电流电压输入信号进行计算，并将触发控制角命令输出至逻辑处理电路（103）；相控控制板（1）的逻辑处理电路（103）根据触发控制角命令形成三相PWM控制脉冲信号，并通过相控驱动板（2）的脉冲触发放大电路输出至三相整流桥（4）。

10.根据权利要求8或9所述的一种内燃机车相控励磁控制方法，其特征在于：

当辅助发电机（11）启机时，主发电机（12）不工作；

当辅助发电机（11）的转速到时，主发电机（12）输出电压的目标值控制在

，确保主发电机（12）输出后的系统正常工作的最低电压值；

当辅助发电机（11）的转速升高到

时，辅助发电机（11）的转速由

增大至

时，主发电机（12）的输出电压目标值成正比例增大；

当辅助发电机（11）的转速达到时，已控制主发电机（12）的输出电压为最高值，辅助发电机（11）增大到最高转速

，此时保持主发电机（12）的输出电压不变；

当辅助发电机（11）的转速超速时，封锁励磁，控制主发电机（12）的输出电压下降至0。

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