CN103051163A - 脉宽调制整流器的输出信号转换装置和电力机车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉宽调制整流器的输出信号转换装置和电力机车，该转换装置包括隔离变换模块、整形模块和有源滤波模块，其中，隔离变换模块与脉宽调制整流器相连；整形模块与隔离模块相连；有源滤波模块与整形模块相连。该转换装置尤其适用于电力机车中，可将电力机车中PWM整流器的输出信号转换成模拟电压信号，消除了输出的模拟电压信号中的纹波，而该模拟电压信号中代表的电压值的大小为控制器控制相关设备为列车提供相应的制动力或牵引力的依据，可实现对列车所需牵引力或者制动力的平滑调节，提高列车运行的安全性和稳定性。

Description

脉宽调制整流器的输出信号转换装置和电力机车

技术领域

本发明涉及电力机车控制技术，特别地涉及一种脉宽调制整流器的输出信号转换装置和电力机车。

背景技术

目前，地铁和轻轨等轨道列车中，通常将电力机车作为牵引机车，为轨道列车提供牵引力或制动力，进而通过电力机车牵引各节车列运行。

电力机车的供电系统中，越来越多的使用脉宽调制(Pulse WidthModulation，简称PWM)整流器，将PWM整流器输出的信号作为调节牵引力或者制动力大小的控制信号，将该信号进行处理后发送给电力机车上的控制器，进而，控制器控制相关设备为列车提供所需的牵引力或制动力。

PWM整流器输出的信号通常为一种周期固定，占空比可调的方波信号，图1为现有技术提供的对PWM整流器输出的方波信号进行处理的滤波电路原理图，图2为图1所示电路中方波信号与输出电压的波形图，如图1所示，该滤波电路为RC电路，包括串联的R和电容C。

当该RC电路的时间常数远远大于PWM整流器输出方波信号的周期T时，方波信号Vin经过滤波后输出电压Vout的波形如图2所示。

当处于瞬态时，PWM整流器P输出的方波信号Vin在高电平时向电容C充电，电容C积累电荷，在低电平时电容C放电，电容C释放电荷。电容C积累的电荷数多余释放的电荷数，因此电容C两端的直流电压不断升高，最终达到稳态。在达到稳态后，电容C积累的电荷与释放的电荷数量相等，输出电压Vout会在一个稳定的电压值附近做小幅度的波动。

由上述描述可知，通过该滤波电路可将PWM整流器输出的方波信号转化为模拟电压信号，如果忽略输出电压波形中的纹波，则该方波信号的占空比越大，则电容C两端的输出电压越大，因此，通过调节PWM整流器输出方波信号的占空比可调节输出电压的大小。

然后，可将代表该输出电压大小的模拟电压信号转化成数字信号后发送给控制器，而控制器根据数字信号所代表的电压大小控制相关设备为列车提供所需的牵引力或制动力。

而方波信号的占空比的范围一般从10％～90％，可将占空比为10％时，作为最小牵引力或制动力的控制信号，占空比越大代表牵引力或制动力越大，占空比为90％时，作为最大牵引力或制动力的控制信号，通过调节PWM整流器输出的方波信号的占空比可实现列车所需牵引力或者制动力的调节。

但是上述的这种滤波电路，由于输出电压存在波动，因此，根据该滤波电路将方波信号转化为模拟电压信号后，根据该模拟电压信号得到的数字信号所代表的电压大小作为列车提供相应的制动力或牵引力的依据，会造成一定偏差，因此，影响列车的安全稳定行驶。

发明内容

针对上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种脉宽调制整流器的输出信号转换装置和电力机车。

本发明提供的脉宽调制整流器的输出信号转换装置，包括隔离变换模块、整形模块和有源滤波模块，其中，

所述隔离变换模块与脉宽调制整流器相连，用于将脉宽调制整流器输出的脉冲信号与所述整形模块和有源滤波模块电气隔离并将所述脉冲信号的幅值缩小至设定倍数后输出；

所述整形模块与所述隔离变换模块相连，用于对幅值缩小至设定倍数的脉冲信号进行整形以输出矩形波形式的脉冲信号；

所述有源滤波模块与所述整形模块相连，用于过滤所述脉冲信号中包含的谐波并将所述脉冲信号转换成模拟电压信号，且所述模拟电压信号所代表的电压值与所述脉冲信号的占空比成线性关系。

本发明还提供了一种电力机车，包括脉宽调制整流器，还包括本发明提供的脉宽调制整流器的输出信号转换装置。

本发明提供脉宽调制整流器的输出信号转换装置和电力机车，该转换装置尤其适用于电力机车中，可将电力机车中PWM整流器的输出信号转换成模拟电压信号。通过隔离变换模块将PWM整流器输出的脉冲信号进行隔离变换，将脉冲信号与整形模块和有源滤波模块电气隔离，避免PWM整流器输出的脉冲信号对各模块产生电磁干扰，因而不会影响各模块工作的稳定性，并通过整形模块对脉冲信号整形，通过有源滤波模块滤除脉冲信号中的谐波后将脉冲信号转换成模拟电压信号，提高了最后得到模拟电压信号的质量，消除了模拟电压信号中的纹波，使最后输出的模拟电压信号所代表的电压值与PWM整流器输出的方波信号的占空比为线性关系，而该电压值的大小为控制器控制相关设备为列车提供相应的制动力或牵引力的依据，因此，通过调节PWM整流器输出的脉冲信号的占空比可实现对列车所需牵引力或者制动力的平滑调节，提高列车运行的安全性和稳定性。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的对PWM整流器输出的方波信号进行处理的滤波电路原理图；

图2为图1所示电路中方波信号与输出电压的波形图；

图3为本发明实施例所提供的脉宽调制整流器的输出信号转换装置的方框图；

图4为本发明实施例所提供的脉宽调制整流器的输出信号转换装置中隔离变换模块和整形模块部分的电路图；

图5为本发明实施例所提供的脉宽调制整流器的输出信号转换装置中有源滤波模块的电路图；

图6为本发明实施例所提供的脉宽调制整流器的输出信号转换装置中驱动放大模块的电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

在电力机车的供电系统中，通常设置有PWM整流器，将PWM整流器的输出信号作为调节牵引力或者制动力大小的控制信号，并且，需将PWM整流器的输出信号转换成模拟电压信号，然后再将该模拟电压信号转化成数字信号后发送给控制器，而控制器根据数字信号所代表的电压大小控制相关设备为列车提供所需的牵引力或制动力。

本发明实施例提供了一种脉宽调制整流器的输出信号转换装置，该转换装置用于对PWM整流器的输出信号进行转换，该转换装置尤其适用于电力机车中，可将电力机车中PWM整流器的输出信号转换成模拟电压信号。

图3为本发明实施例所提供的脉宽调制整流器的输出信号转换装置的方框图，如图3所示，该转换装置包括隔离变换模块20、整形模块21和有源滤波模块22。

隔离变换模块20与脉宽调制整流器(图中为示出)相连，用于将脉宽调制整流器输出的脉冲信号与整形模块和有源滤波模块电气隔离并将脉冲信号的幅值缩小至设定倍数后输出。

整形模块21与隔离模块20相连，用于对幅值缩小至设定倍数的脉冲信号进行整形以输出矩形波形式的脉冲信号。

有源滤波模块22与整形模块21相连，用于过滤脉冲信号中包含的谐波并将脉冲信号转换成模拟电压信号，且该模拟电压信号所代表的电压值与脉冲信号的占空比成线性关系。

PWM整流器输出的信号通常为方波形式的冲信号，该脉冲信号的幅值可能为110v或者220v的较高电压的信号，并且通常为高频信号，通过设置隔离变化模块可将PWM整流器输出的脉冲信号与整形模块和有源滤波模块电气隔离，避免该脉冲信号对各模块产生电磁干扰，而影响各模块工作的稳定性，并将该脉冲信号的幅值缩小至设定倍数后输出，该缩小的设定倍数可根据需要设置。

隔离变换模块具体的可采用各种形式的光耦隔离芯片和通过设计相关的外围电路实现。

由于隔离变换模块中通常包含有电容，而电容的充放电需要一个过程，因此，PWM整流器输出的脉冲信号经过隔离变换模块后，该幅值缩小至设定倍数的脉冲信号会发生变形，该脉冲信号的上升沿或下降沿变成平缓上升或下降的形式，整形模块可对该脉冲信号进行整形，以输出边沿陡峭的矩形波形式的脉冲信号。

整形模块可采用反相器或其他的相关电路实现，可利用反相器的电压传输特性将经过隔离变换模块输出的脉冲信号进行整形后可输出边沿陡峭的矩形波形式的脉冲信号。

由于上述的隔离变换模块和整形模块，包括脉宽调制整流器中均免不了包含各种电力电子器件，比如，二极管、三极管和晶闸管等，因此，自脉宽调制整流器输出脉冲信号，再经过隔离变换模块和整形模块后输出，整个信号传输过程中会产生谐波，而谐波的存在会造成信号波形的畸变，影响信号的质量，因此，通过有源滤波模块可将脉冲信号中存在的谐波滤除。

有源滤波模块通常为由RC元件与运算放大器组成的滤波电路，可让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减该频率范围以外的谐波，以得到所需要频率的信号，并通过有源滤波模块可将脉冲信号转换成模拟电压信号，该模拟电压信号即可代表有源滤波模块输出电压值的大小，并且该电压值与脉冲信号的占空比成线性关系。

由上述技术方案，本发明实施例提供的脉宽调制整流器的输出信号转换装置，该转换装置尤其适用于电力机车中，可将电力机车中PWM整流器的输出信号转换成模拟电压信号。通过隔离变换模块将PWM整流器输出的脉冲信号进行隔离变换，将脉冲信号与整形模块和有源滤波模块电气隔离，避免PWM整流器输出的脉冲信号对各模块产生电磁干扰，因而不会影响各模块工作的稳定性，并通过整形模块对脉冲信号整形，通过有源滤波模块滤除脉冲信号中的谐波后将脉冲信号转换成模拟电压信号，提高了最后得到模拟电压信号的质量，消除了模拟电压信号中的纹波，使最后输出的模拟电压信号所代表的电压值与PWM整流器输出的方波信号的占空比为线性关系，而该电压值的大小为控制器控制相关设备为列车提供相应的制动力或牵引力的依据，因此，通过调节PWM整流器输出的脉冲信号的占空比可实现对列车所需牵引力或者制动力的平滑调节，提高列车运行的安全性和稳定性。

在上述实施例的基础上，进一步的，该转换装置中还可以设置驱动放大模块，该驱动放大模块与有源滤波模块相连，用于将模拟电压信号放大至设定倍数。

驱动放大模块可采用各种形式的运算放大器实现，对于放大倍数根据需要设置即可，该放大倍数与将该模拟电压信号转换成数字信号的模数转换装置的采样电压大小有关，放大后的模拟电压信号所代表的电压值不能超过数模转换装置的采样电压的最大值。

通过该驱动放大模块将有源滤波模块输出的模拟电压信号放大后，该模拟电压信号所代表的电压值的取值范围更大，因此，可将该取值范围内的不同点分割成更多的不同电压值，而控制器根据该不同的电压值控制相应设备为列车提供不同牵引力和制动力，因此，电压值的取值范围越大，对应列车各牵引力和制动力的点越多，对列车运行速度的调节越精确，可进一步提高列车运行的稳定性。

上述的隔离变换模块、整形模块、有源滤波模块和驱动放大模块可通过多种形式的电路或硬件实现，下面结合附图介绍本发明实施例提供的实现上述各模块功能的具体电路。

图4为本发明实施例所提供的脉宽调制整流器的输出信号转换装置中隔离变换模块和整形模块部分的电路图，如图4所示，该隔离变换模块20包括光耦隔离器B1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1和第二电容C2。整形模块21为两个串联的第一反相器IC1B和第二反相器IC1C。

光耦隔离器B1包括两个输入端和两个输出端，图4中所示的光耦隔离器B1是型号为HCPL0661的高速光耦隔离芯片，该芯片包括四个输入端和四个输出端，本实施例中利用其中的两个输入端3、4和两个输出端5、6。

光耦隔离器B1的两个输入端3、4分别为发光二极管LED1的负极和正极，两个输出端5、6分别为三极管A1的发射极和集电极。

光耦隔离器B1的第一输入端4经一稳压二极管VZ1和第一电阻R1与脉宽调制整流器相连，且光耦隔离器B1的第二输入端3经一反相器(图中为示出)与脉宽调制整流器相连。

光耦隔离器B1的第一输出端5接地，且该第一输出端5经第一电容C1与直流电源连接，并经第二电容C2与整形模块21相连。

光耦隔离器B1的第二输出端6经第二电阻R2连接至直流电源，并经第三电阻R3与整形模块21相连。

上述电路的工作原理为：

PWM整流器输出的脉冲信号经过稳压二极管VZ1和电阻R1后流入发光二极管LED1的正极，并且该脉冲信号经过一反相器后相位反转180度后流入发光二极管LED1的负极。

当PWM整流器输出的脉冲信号为低电平时，发光二极管LED1的正负极之间的电压差为零，发光二极管LED1不能导通，没有电流通过，三极管A1也截止，没有电流流过R2和R3，此时，9点的电压等于直流电源的电压VCC，该VCC的电压通常为5V，也就是该隔离变换模块20的输出电压为VCC，而电容C1和C2通过直流电源充满电荷后两端的电压大小也为VCC，并且，电容C1起到稳定直流电源的电压VCC的作用，电容C2起到稳压3点电压的作用。

当脉冲信号的电压为高电平时，发光二极管LED1的正负极之间的电压差为脉冲信号高电平电压的两倍，发光二极管LED1导通发光，并产生光电流使发光二极管LED2导通，三极管A1也导通，将有电流流过R2和R3并从三极管A1的集电极流向发射极再流入地，此时，由于电容C2上的电荷将短时间内释放完毕，使9点的电压变为零。

由上述描述可知9点的电压，在PWM整流器输出的脉冲信号为低电平时为VCC的电压，在PWM整流器输出的脉冲信号为高电平时变为零，因此，PWM整流器输出的脉冲信号经过隔离变换模块20后输出的信号也为脉冲信号。但是，由于电容C2放电需要一个短暂的过程，输出的该脉冲信号的下降边沿并非陡峭变化的脉冲信号。

为对经过隔离变换模块输出的该脉冲信号进行整形，本实施例中将串联的第一反相器IC1B和第二反相器IC1C作为整形模块，经过对该脉冲信号的两级反相后可输出边沿陡峭的矩形波脉冲信号。

图5为本发明实施例所提供的脉宽调制整流器的输出信号转换装置中有源滤波模块的电路图，如图5所示，该有源滤波模块包括第一运算放大器U1B、第四电阻R4、第五电阻R5、第三电容C3和第四电容C4。

第一运算放大器U1B的同相输入端10经第四电容C4接地，第一运算放大器U1B的反相输入端11与第一运算放大器U1B的输出端12短接。

第一运算放大器U1B的同相输入端10经第四电阻R4和第五电阻R5与整形模块相连，第四电阻R4和第五电阻R5之间的一连接点VM与第一运算放大器U1B的反相输入端12之间连接第三电容C3。

由图5所示的电路图可知：

$\frac{V_1-V_M}{R_4}=\frac{V_M-V_P}{R_5}+\frac{V_M-V_N}{\frac{1}{{\mathrm{SC}}_3}},$

$\frac{V_M-V_P}{R_5}=\frac{V_P}{\frac{1}{{\mathrm{SC}}_4}},$

V_P＝V_N＝V₂。

上述公式中，V₁表示该有源滤波模块的输入电压值，该输入电压值即为有源滤波模块接收到的整形模块传送的脉冲信号高低电平的电压大小；V_M表示VM点的电压值，V_P代表VP点的电压值，V_N表示VN点的电压值；V₂表示有该源滤波模块的输出电压值，该输出电压值即为模拟电压信号。

R₄表示电阻R4的阻值；R₅表示电阻R5的阻值；C₃表示电容C3的电容值；C₄表示电容C4的电容值；S＝jω，而ω为有源滤波模块接收到的整形模块传送的脉冲信号的频率。

由上述的三个公式可求得该电路中的传递函数为：

$\frac{V_2}{V_1}=\frac{1}{R_4{R}_5{C}_3{C}_4{S}^2+(R_4+R_5)C_{3}S+1}=\frac{\frac{1}{R_4{R}_5{C}_3{C}_4}}{S^2+\frac{R_4+R_5}{R_4{R}_5{C}_3}S+\frac{1}{R_4{R}_5{C}_3{C}_4}}.$

根据上述电路的传递函数的特性，可通过接收到的脉冲信号获得模拟电压信号，并且该模拟电压信号代表的电压值与脉冲信号占空比成线性关系。

上述有源滤波模块为二阶有源滤波电路，通过该电路中各电阻、电容值和输入的脉冲信号的频率ω可确定该电路的截止频率，所谓截止频率是用来说明电路频率特性指标的特殊频率，当保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍，或降至某一特殊额定值时该频率称为截止频率。

因此，通过设定该电路的截止频率，可只让一定频率范围内的脉冲信号通过，而抑制或急剧衰减此频率范围以外的谐波信号，以滤除脉冲信号中的谐波。

但是，截止频率的选取与响应时间成反比，截止频率越高，响应时间越短，反之截止频率越小，响应时间就越长。而截止频率越小，滤波效果就越好，可综合考虑滤波效果和响应时间，根据实际要求选取合适的各电阻和电容的阻值来确定该有源滤波模块的截止频率。

图6为本发明实施例所提供的脉宽调制整流器的输出信号转换装置中驱动放大模块的电路图，如图6所示，该驱动放大模块包括第二运算放大器U2B、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8。

第二运算放大器U2B的反相输入端14经第七电阻R7接地，第二运算放大器U2B的反相输入端13与第二运算放大器U2B的输出端15之间经第八电阻R8连接；

第二运算放大器U2B的同相输入端13经第六电阻R6与有源滤波模块相连。

该电路中的输出电压V3与输入电压V2的关系为：

由该公式可知，通过设置R7和R8的阻值的大小即可设定放大倍数，将模拟电信号放大到需要的倍数后输出，将该模拟电压信号放大后传送给数模转换装置，以将该模拟电压信号转换成数字信号后发送给控制器，控制器根据数字信号所代表电压值的大小控制相关设备为列车提供相应的制动力或牵引力。

本发明实施例还提供了一种电力机车，包括脉宽调制整流器，还包括本发明实施例提供的脉宽调制整流器的输出信号转换装置。

该电力机车可作为地铁和轻轨等轨道列车的牵引机车，为轨道列车提供牵引力或制动力。

该电力机车上设置有本发明实施例提供的转换装置，将PWM整流器输出的脉冲信号转换成模拟电压信号，消除了输出的模拟电压信号中的纹波，使最后输出的模拟电压信号所代表的电压值与PWM整流器输出的方波信号的占空比为线性关系，而该电压值的大小为控制器控制相关设备为列车提供相应的制动力或牵引力的依据，因此，通过调节PWM整流器输出的脉冲信号的占空比可实现对列车所需牵引力或者制动力的平滑调节，提高列车运行的安全性和稳定性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种脉宽调制整流器的输出信号转换装置，其特征在于，包括隔离变换模块、整形模块和有源滤波模块，其中，

所述隔离变换模块与所述脉宽调制整流器相连，用于将脉宽调制整流器输出的脉冲信号与所述整形模块和有源滤波模块电气隔离并将所述脉冲信号的幅值缩小至设定倍数后输出；

所述整形模块与所述隔离变换模块相连，用于对幅值缩小至设定倍数的脉冲信号进行整形以输出矩形波形式的脉冲信号；

所述有源滤波模块与所述整形模块相连，用于过滤所述脉冲信号中包含的谐波并将所述脉冲信号转换成模拟电压信号，且所述模拟电压信号所代表的电压值与所述脉冲信号的占空比成线性关系。

2.根据权利要求1所述的脉宽调制整流器的输出信号转换装置，其特征在于，还包括：

驱动放大模块，与所述有源滤波模块相连，用于将所述模拟电压信号放大至设定倍数。

3.根据权利要求1或2所述的脉宽调制整流器的输出信号转换装置，其特征在于：所述隔离变换模块包括光耦隔离器、第二电阻、第三电阻、第一电容和第二电容，其中，

所述光耦隔离器包括两个输入端和两个输出端，所述光耦隔离器的第一输入端经一稳压二极管和第一电阻与脉宽调制整流器相连，且所述光耦隔离器的第二输入端经一反相器与脉宽调制整流器相连；

所述光耦隔离器的第一输出端接地，且所述光耦隔离器的第一输出端经第一电容与直流电源连接，并经第二电容与所述整形模块相连；

所述光耦隔离器的第二输出端经第二电阻连接至所述直流电源，并经第三电阻与所述整形模块相连。

4.根据权利要求1或2所述的脉宽调制整流器的输出信号转换装置，其特征在于：所述整形模块包括串联的第一反相器和第二反相器。

5.根据权利要求1或2所述的脉宽调制整流器的输出信号转换装置，其特征在于：所述有源滤波模块包括第一运算放大器、第四电阻、第五电阻、第三电容和第四电容，其中，

所述第一运算放大器的同相输入端经所述第四电容接地，所述第一运算放大器的反相输入端与第一运算放大器的输出端短接；

所述第一运算放大器的同相输入端经第四电阻和第五电阻与所述整形模块相连，所述第四电阻和第五电阻之间的一连接点与所述第一运算放大器的反相输入端之间连接所述第三电容。

6.根据权利要求2所述的脉宽调制整流器的输出信号转换装置，其特征在于：所述驱动放大模块包括第二运算放大器、第六电阻、第七电阻和第八电阻，其中，

所述第二运算放大器的反相输入端经所述第七电阻接地，所述第二运算放大器的反相输入端与第二运算放大器的输出端之间经所述第八电阻连接；

所述第二运算放大器的同相输入端经第六电阻与所述有源滤波模块相连。

7.一种电力机车，包括脉宽调制整流器，其特征在于，还包括权利要求1-6任一所述的脉宽调制整流器的输出信号转换装置。

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