CN104765337A - 动车组牵引控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铁路电子领域，具体的说，涉及动车组列车的牵引控制系统，该动车组牵引控制系统的处理器主机通过CPCI总线连接下位机板卡，包括快速运算板、网络模块和调试模块，通过CPCI总线将指令传递给下位机板卡，同时下位机板卡通过CPCI总线将状态信息传递给处理器主机，实现动车组牵引控制系统内部的总体控制。信号采样板与快速运算板通过高速差分LinkPort总线进行双向通讯，实现对逆变器功率模块和四象限功率模块的快速控制，网络板卡通过CAN总线与I/O模块的各板卡进行双向通讯，并将I/O模块的各板卡发出的数字量和模拟量信号经CPCI总线传递给处理器主机，保证动车组牵引控制系统信息传输的稳定性和可靠性。

Description

动车组牵引控制系统
技术领域
本发明涉及铁路电子领域，具体的说，涉及动车组列车的牵引控制系统。
背景技术
动车组牵引控制系统是动车组列车的核心动力控制器。动车组牵引控制系统控制四象限整流器、制动斩波器、牵引逆变器的IGBT开关，以获得满足车辆牵引/制动性能要求的控制。
当前动车组牵引控制系统的主电路结构图见图1。单相高压电由受电弓接收，经过变压器二次侧输出到四象限单元整流，整流后的高压直流电经过中间直流母线输出到逆变器功率模块。经逆变器功率模块逆变后输出到牵引电机，控制牵引电机运行。
现行动车组牵引传动系统控制单元都采用32位处理器主机，西门子采用AMD公司的ElanSC520，主频133MHz；庞巴迪采用Freescale公司MC68360，主频25MHz；ALSTOM采用ST公司的STPC,主频133MHz；株洲所采用MPC5200D,主频533MHz。
控制算法处理器的选择方面，西门子采用了DSP56002，主频100MHz；庞巴迪公司采用了DSP56302，主频100MHz；阿尔斯通公司采用了ADI 21062，主频160MHz；株洲所公司采用了TMS320C6713，主频200MHz。
目前各公司使用的处理器芯片都是相对早期产品，芯片型号较老，系统响应较慢，很多芯片已经停产，且由于芯片停产导致其生产成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种动车组列车的牵引控制系统，可同时实现2组四象限功率模块和2组逆变器功率模块控制。
本发明的技术方案是：动车组牵引控制系统用于控制动车组牵引变流器的逆变器/四象限功率模块工作，主要包括电源模块、逆变/四象限模块、I/O模块、网络模块和调试模块。
所述逆变器/四象限模块主要由快速运算板、信号采样板和脉冲接口板组成。
所述信号采样板主要用于接收外部传感器信号、接收所述脉冲接口板发送的脉冲反馈信号和接收所述快速运算板发送的控制信号，以及向所述脉冲接口板发送脉冲信号、向所述快速运算板发送处理后的采集信号和向所述I/O模块发送继电器控制信号。
所述快速运算板主要用于接收所述信号采样板采集并处理的模拟量和数字量信号、接收所述处理器主机发出的控制信号，以及向所述信号采样板发送控制信号、向所述网络模块发送处理信号。
牵引控制单元通过脉冲接口板可控制2组逆变器功率模块和2组四象限功率模块；
所述脉冲接口板主要用于接收所述逆变器/四象限功率模块发出IGBT状态信号，接收所述信号采样板发出的IGBT控制信号；以及向所述信号采样板发送IGBT状态信号，向所述逆变器/四象限功率模块发出IGBT控制信号。
所述信号采样板与所述快速运算板通过高速差分LinkPort总线进行双向通讯；
所述信号采样板与所述I/O模块通过高速总线进行双向通讯；
所述快速运算板、所述网络模块、所述调试模块和所述处理器主机之间通过CPCI总线进行双向通讯；
所述I/O模块与所述逆变器/四象限模块通过高速总线进行双向通讯；
所述I/O模块与所述网络模块和所述调试模块通过CAN总线进行双向通讯。
所述网络模块由网络板卡构成，所述网络模块接收I/O模块发来的数字量和模拟量信号，并经CPCI总线传递给处理器主机，以及通过CPCI总线接收处理器主机的命令信号，并向所述I/O模块发送命令，控制所述I/O模块输出数字量和模拟量信号，以及控制MVB接口单元与外部MVB总线进行数据交互；同时通过CPCI总线发送MVB数据发送至处理器主机，以及通过CPCI总线将处理器主机需要发送的数据发送至MVB接口单元。
所述调试模块由调试板卡构成，所述调试模块通过CPCI总线接收处理器主机发送的调试命令和调试信号，所述的调试模块通过高速总线接收信号采样板发送的调试信号，所述调试模块通过32路模拟量输出电路输出模拟量调试信号。
所述电源模块为所述逆变/四象限模块、所述I/O模块、所述网络模块和所述调试模块供电，同时所述的电源模块为逆变/四象限功率模块供电，同时所述的电源模块为牵引变流器内部传感器供电。
更进一步的：由于传感器采集的信号有电流量也有电压量，信号采样板包括电流/电压采集单元和时钟管理单元，电流/电压采集单元由相互连接的信号调理电路、ADC采样电路构成；
所述电流/电压采集单元有多路，均连接到信号采样板，时钟管理单元分别与信号采样板和快速运算版相连，所述信号调理电路包括第一电阻，第二电阻、滤波电容和运算放大器，信号调理电路的输入端连接到采样传感器端，信号调理电路的输入端连接到第一电阻的第一端，第一电阻的第二端分别连接到第二电阻的第一端和运算放大器的正向输入端，第二电阻的第二端接地，运算放大器的反向输入端与参考电压端相连，运算放大器的输出端连接到ADC采样电路；信号调理电路的输入端还经滤波电容接地。
更进一步的：脉冲接口板可以实现光电转换功能，脉冲接口板包括PWM电平转换电路、光电转换单元、电光转换单元和背板接口单元，PWM电平转换电路经背板接口单元与信号采样板相接，还包括自诊断单元；
所述自诊断单元包括输入诊断单元和输出诊断单元；
所述光电转换单元和电光转换单元均有多组，所述光电转换单元包括多路选择器、缓冲器和光电转换电路，背板接口单元经缓冲器I与多路选择器相连，多路选择器经缓冲器II与光电转换电路相连；所述电光转换单元包括多路选择器、缓冲器和电光转换电路，电光转换电路经缓冲器III与多路选择器相连，多路选择器经缓冲器IV与背板接口单元相连；
所述输出诊断单元包括多路选择器和输出自诊断电路，每组光电转换单元的缓冲器II的输出端与输出自诊断单元的多路选择器的输入端相连，输出自诊断电路的输入端与缓冲器II2的输出端相连，多路选择器的输出端与背板接口单元相连；所述输入诊断单元包括多路选择器和输入自诊断电路，多路选择器的输入端与背板接口单元相连，输出端分多路，分别连接到每组电光转换单元缓冲器III的输入端。
为实现处理器主机CPU设备和控制板上的MVB设备通过ISA总线接口进行直接通讯，在所述网络模块与处理器主机之间设计一种CPCI总线和ISA总线的协议转换器进行双向通讯，该协议转换器包括CPCI局部总线接口扩展时序模块、ISA总线接口时序模块、CPCI总线匹配ISA总线时序接口模块和时钟管理模块；所述CPCI局部总线接口扩展时序模块通过地址与数据信号AD【31:0】、命令/字节使能信号C/BE【3:0】、从设备准备好信号TRDY、停止数据传送信号STOP、帧周期信号FRAME和主设备准备好信号IRDY与局部CPCI总线进行通讯；所述ISA总线接口时序模块通过数据使能信号S_DATA_VLD、地址使能信号ADDR_VLD、读使能信号barx_rd、写使能信号barx_wr、字节使能信号S_CBE、数据信号D【31:0】和地址信号A【31:0】与所述CPCI局部总线接口扩展时序模块进行通讯；所述ISA总线接口时序模块通过数据信号SD、地址信号SA、读/写IO设备信号IOW/IOR、读/写MEMORY设备信号MEMR/MEMW、地址锁存信号BALE与局部ISA总线进行通讯；所述CPCI总线匹配ISA总线时序接口模块通过打断重连信号USER_STOP与所述CPCI局部总线接口扩展时序模块进行通讯；所述时钟管理模块为所述CPCI局部总线接口扩展时序模块、所述ISA总线接口时序模块和所述CPCI总线匹配ISA总线时序接口模块提供工作时钟。
与标准牵引控制机箱相比，所述动车组牵引控制系统的主机箱采用高强度加固机箱，该加固机箱的两侧机箱面板采用加固面板。
所述动车组牵引控制系统的各类板卡与主机箱板卡卡槽连接处均设有双助拔器，所述双助拔器主要由基板、插针和扳动板组成，所述基板上部连接所述扳动板，所述扳动板为L型板，L型板的左下部与所述基板在铰接部铰接，并可沿铰接部呈一定角度旋转，所述基板上设有扳动板定位卡槽，定位卡槽与L型板的下部相匹配，所述基板下部固定双排插针，所述插针用于与板卡卡槽相连接，所述基板一侧还设有与板卡固定的螺栓孔。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
(1)该动车组牵引控制系统的处理器主机通过CPCI总线连接下位机板卡，包括快速运算板、网络模块和调试模块，通过CPCI总线将指令传递给下位机板卡，同时下位机板卡通过CPCI总线将状态信息传递给处理器主机，实现动车组牵引控制系统内部的总体控制；
(2)信号采样板与快速运算板通过高速差分LinkPort总线进行双向通讯，实现对逆变器功率模块和四象限功率模块的快速控制；
(3)网络板卡通过CAN总线与I/O模块的各板卡进行双向通讯，并将I/O模块的各板卡发出的数字量和模拟量信号经CPCI总线传递给处理器主机，保证动车组牵引控制系统信息传输的稳定性和可靠性；
(4)常用的数据通信协议是CAN等，这些协议与LinkPort相比，数据采集及传输速率低。本发明的实现了信号采样板和快速运算板之间的LinkPort传输，LinkPort是一种LVDS(Low Voltage Differential Signal)即低电压差分信号，具有高速、超低功耗、低噪声和低成本的优良特性。通过LinkPort进行数据传输，较大程度上提高了数据传输速度，数据传输速度可达到400Mbit/s。可实现牵引控制单元的快速控制；
(5)动车组牵引控制系统采用主流控制芯片和先进的设计思路，采用QNX嵌入式实时操作系统。本操作系统资源占用率低，专业性强，适合特殊领域应用，系统精简，安全等级高，实时性高，代码执行效率高，支持多任务。
(6)对动车组牵引控制系统的机箱结构进行了改进。动车组牵引控制系统的主机箱采用高强度加固机箱，各类板卡与主机箱板卡卡槽连接处均设有双助拔器，结构更稳定
图说明
图1为当前动车组牵引控制系统的主电路结构图；
图2为本发明动车组牵引控制系统的结构示意图；
图3为采样板和快速运算板结构示意图；
图4为信号采样板信号调理电路结构示意图；
图5为LinkPort通信原理图；
图6为信号采样板的LinkPort接收数据流程图；
图7为信号采样板的LinkPort发送数据流程图；
图8为脉冲接口板结构示意图；
图9为脉冲接口板远程控制单元电路结构示意图；
图10为脉冲接口板输入自诊断电路结构示意图；
图11为脉冲接口板输出诊断电路结构示意图；
图12为双助拔器的结构示意图；
图13为该协议转换器的结构示意图；
图14为TRDY、STOP、FRAME和IRDY的具体时序图；
图15为该协议转换器IO读访问局部时序图；
图16为该协议转换器访问流程图；
图17动车组牵引控制系统的软件架构；
图18动车组牵引控制系统的流程图。
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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
实施例1
动车组牵引控制系统，可同时控制2组四象限功率模块和2组逆变器功率模块。参见图2，动车组牵引控制系统主要包括电源模块、逆变/四象限模块、I/O模块、网络模块和调试模块。
电源模块由多块电源板组成，包括110V转24V电源板、110V转5V电源板、110V转3.3v电源板和110V转15V电源板。电源模块的主要功能是为逆变/四象限模块、I/O模块、网络模块和调试模块供电，同时为逆变/四象限功率模块供电，为牵引变流器内部传感器供电。
I/O模块提供对外的I/O控制，主要用于状态采集和控制输出。I/O模块主要包括数字量输入板卡、数字量输出板卡和模拟量输入输出板卡。I/O模块与逆变器/四象限模块通过高速总线进行双向通讯，I/O模块与网络模块和调试模块通过CAN总线进行双向通讯。
逆变器/四象限模块的功能是实现牵引变流器的控制和四象限的控制，主要由快速运算板、信号采样板和脉冲接口板组成。快速运算板分为逆变器快速运算板和四象限快速运算板；信号采样板分为逆变器信号采样板和四象限信号采样板；脉冲接口板分为逆变器脉冲接口板和四象限脉冲接口板。
逆变器信号采样板主要用于接收外部传感器信号、接收逆变器脉冲接口板发送的脉冲反馈信号和接收逆变器快速运算板发送的控制信号，以及向逆变器脉冲接口板发送脉冲信号、向逆变器快速运算板发送处理后的采集信号和向I/O模块发送继电器控制信号。
逆变器快速运算板主要用于接收逆变器信号采样板采集并处理的模拟量和数字量信号、接收处理器主机发出的控制信号，以及向逆变器信号采样板发送控制信号、向网络模块发送处理信息。
逆变器脉冲接口板最多与2组逆变器功率模块相连；
逆变器脉冲接口板主要用于接收逆变器功率模块发出IGBT状态信号，接收逆变器信号采样板发出的IGBT控制信号；以及向逆变器信号采样板发送IGBT状态信号，向逆变器功率模块发出IGBT控制信号。
逆变器信号采样板与逆变器快速运算板通过高速差分LinkPort总线进行双向通讯；逆变器信号采样板与I/O模块通过高速总线进行双向通讯；逆变器快速运算板与网络模块和调试模块通过CPCI总线进行双向通讯。
四象限信号采样板主要用于接收外部传感器信号、接收四象限脉冲接口板发送的脉冲反馈信号和接收四象限快速运算板发送的控制信号，以及向四象限脉冲接口板发送脉冲信号、向四象限快速运算板发送处理后的采集信号和向I/O模块发送继电器控制信号。
四象限快速运算板主要用于接收四象限信号采样板采集并处理的模拟量和数字量信号、接收处理器主机发出的控制信号，以及向四象限信号采样板发送控制信号、向网络模块发送处理信息。
四象限脉冲接口板最多与2组四象限功率模块相连；
四象限脉冲接口板主要用于接收四象限功率模块发出IGBT状态信号，接收四象限信号采样板发出的IGBT控制信号；以及向四象限信号采样板发送IGBT状态信号，向四象限功率模块发出IGBT控制信号。
四象限信号采样板与四象限快速运算板通过高速差分LinkPort总线进行双向通讯；四象限信号采样板与I/O模块通过高速总线进行双向通讯；四象限快速运算板与网络模块和调试模块通过CPCI总线进行双向通讯。
网络模块由网络板卡构成，网络模块接收I/O模块发来的数字量和模拟量信号，并经CPCI总线传递给处理器主机，以及通过CPCI总线接收处理器主机的命令信号，并向I/O模块发送命令，控制I/O模块输出数字量和模拟量信号，以及控制MVB接口单元与外部MVB总线进行数据交互；同时通过CPCI总线发送MVB数据发送至处理器主机，以及通过CPCI总线将处理器主机需要发送的数据发送至MVB接口单元。
调试模块主要用于配合网络中其它板卡完成实时调试。调试模块由调试板卡构成，调试模块通过CPCI总线接收处理器主机发送的调试命令和调试信号，调试模块通过高速总线接收信号采样板发送的调试信号，调试模块通过32路模拟量输出电路输出模拟量调试信号。
如图3所示，牵引控制系统的目的是控制变流器内部的IGBT开关来实现交流到直流再到交流的转换。工作时，电路上的传感器采集牵引变流器各电路的电流和电压信号，将信号经由信号采样板反馈到快速运算板，对信号进行分析运算，结合运算结果给出控制信号。由于采样信号包含电流信号和电压信号，本发明设计了电流电压复用采集单元。其中，信号采样板包括电流/电压采集单元和时钟管理单元。电流/电压采集单元由相互连接的信号调理电路和ADC采样电路构成。
电流/电压采集单元有多路，均连接到信号采样板，时钟管理单元分别与信号采样板和快速运算板相连，图4为信号调理电路的结构示意图。信号调理电路包括第一电阻R1，第二电阻R2、滤波电容C和运算放大器OP，信号调理电路的输入端IN连接到信号采集端，信号调理电路的输入端IN连接到第一电阻R1的第一端，第一电阻R1的第二端分别连接到第二电阻R2的第一端和运算放大器OP的正向输入端，第二电阻R2的第二端接地，运算放大器OP的反向输入端与参考电压端V相连，运算放大器的输出端OUT连接到ADC采样电路；信号调理电路的输入端IN还经滤波电容C接地。
信号调理电路的信号采集端为电压信号采集端或电流信号采集端，采集列车上的网压、网流、逆变器电流等数据。当信号调理电路的输入端连接到电压信号采集端，所述第一电阻R1和第二电阻R2均为低功率、大阻值精密电阻；当信号调理电路的输入端连接到电流信号采集端，所述第一电阻R1为高功率、低阻值限流电阻，第二电阻R2为高功率、低阻值采样电阻。最后再经过运算放大器OP，通过配置电阻R3、R4和R5灵活设计比例运放电路的放大系数，达到适用于测量任何大小的输入电流或者电压的目的。
信号调理电路采集电流信号或电压信号，采样信号经ADC采样电路进行模数转换，转换后数据传递到信号采样板。
信号采样板经LinkPort将数据发送到快速运算板进行数据处理，快速运算板经LinkPort将处理后的数据传递到信号采样板端。
图5给出了LinkPort通信原理图。从图5中可以看出，LinkPort通信需要执行芯片单元在时钟上升沿和下降沿均进行数据采集和发送，每次数据采集和发送的数据是4位差分信号。本发明信号采样板发送和接收LinkPort的原理为：使信号采样板在时钟的上升沿和下降沿均进行数据收发处理。
图6和图7分别给出了信号采样板的LinkPort接收数据流程图和信号采样板的LinkPort发送数据流程图。信号采样板内部的FPGA完成数据收发，快速运算板上DSP为与FPGA进行数据交互和数据运算的单元。FPGA自带双口RAM，FPGA经LinkPort向DSP发送数据的过程中，双口RAM的数据存储线作为FPGA数据处理模块，数据待取数据线作为LinkPort通信模块，从图7可见，FPGA经LinkPort向DSP发送数据流程为：
(a)FPGA将从ADC采样电路接收到的采样信号发送到双口RAM的数据存储数据线，即FPGA数据处理模块；
(b)FPGA从双口RAM的数据待取数据线，即LinkPort通信模块中，将相邻单端信号四位为一组进行数据封装；
(c)FPGA将封装后的数据进行单端信号到差分信号的转换；
(d)FPGA在时钟的上升沿和下降沿给出数据发送信号，将转换后的数据发送到DSP。
FPGA经LinkPort从DSP接收数据的过程中，双口RAM的数据存储线作为LinkPort通信模块，数据待取数据线作为FPGA数据处理模块，从图6可见，FPGA经LinkPort从DSP接收数据流程为：
(e)FPGA在时钟的上升沿和下降沿，分别接收DSP发送来的数据；
(f)FPGA对接收到的数据进行差分信号到单端信号转换；
(g)FPGA对转换完成的数据进行数据解析，将四位一组封装的数据解析成单位数据；
(h)FPGA将解析后的数据发送到双口RAM的数据存储数据线，即LinkPort通信模块中；
(i)FPGA将从双口RAM的数据待取数据线，即FPGA数据处理模块中取数，并参与运用。
脉冲接口板在牵引控制系统中主要实现信号转接的作用，用于接收牵引变流器的逆变器/四象限功率模块发出IGBT状态信号，接收信号采样板对牵引变流器的逆变器/四象限功率模块的IGBT控制信号；以及向信号采样板发出牵引变流器的逆变器/四象限功率模块的IGBT状态信号，向牵引变流器的逆变器/四象限功率模块发出IGBT控制信号。
信号采样板接收到快速运算板的运算控制信号后，传递到脉冲接口板，脉冲接口板接收到的为电信号，为避免强电及周围复杂电磁环境对IGBT驱动信号的干扰，脉冲接口板设计为光电转换板。如图8所示，脉冲接口板的结构为：
包括PWM电平转换电路、光电转换单元、电光转换单元和背板接口单元，PWM电平转换电路与背板接口单元相接，还包括自诊断单元，自诊断单元包括输入诊断单元和输出诊断单元，本实施例的图1给出的附图是一组光电转换单元和一组电光转换单元，由于背板接口单元的可扩展性，光电转换单元和电光转换单元均有多组。光电转换单元包括多路选择器10、缓冲器和光电转换电路3，背板接口单元经缓冲器D1与多路选择器10相连，多路选择器10经缓冲器D2与光电转换电路3相连，光电转换电路的输出端连接到列车的牵引控制单元的驱动模块；电光转换单元包括多路选择器2、缓冲器和电光转换电路4，电光转换电路4的输入端与列车牵引控制单元的驱动模块相连，电光转换电路4的输出端经缓冲器D3与多路选择器2相连，多路选择器2经缓冲器D4与背板接口单元相连；输出诊断单元包括多路选择器和输出自诊断电路，每组光电转换单元的缓冲器D2的输出端与输出自诊断单元的多路选择器6的输入端相连，输出自诊断电路的输入端与缓冲器D2的输出端相连，多路选择器6的输出端与背板接口单元相连；输入诊断单元包括多路选择器1和输入自诊断电路，多路选择器1的输入端与背板接口单元相连，输出端分多路，分别连接到每组电光转换单元缓冲器D3的输入端。
图10和图11分别给出了输入自诊断电路和输出诊断电路的结构示意图。
如图10所示，输入自诊断电路包括输入端和测试信号端，测试信号端接收来自多路选择器1的测试信号，输入端连接电光转换模块的输出端，测试信号与输入端的两个信号经异或门5后，作为缓冲器D3的输入。每路电光转换单元均有独立的输入自诊断电路，其测试信号端均连接到多路选择器1。
如图11所示，输出自诊断电路的输出信号端连接到缓冲器D2的输出端，每一路光电转换单元的缓冲器D2的输出端均连接有独立的输出诊断电路，各路输出诊断电路的输出连接到多路选择器6。
由于列车牵引驱动单元一般需要外部独立供电，为提供方便在脉冲接口板中设计了电源输出电路。电源输出单元7的输入端与背板接口单元相连，其输入电压来自背板供电电压，输出端与牵引驱动单元相连。本实施例中的电源输出电路由4路输出，可输出15V电压，供牵引驱动单元使用。还设置了电源检测9电路，检测背板供电电源的状态。
脉冲接口板还包括远程控制单元8，远程控制单元8的输出端分别与光电转换单元和电光转换单元上的多路选择器的使能端相连。图2给出了远程控制单元8的一种实施方式结构示意图，远程控制电路包括远程输入端和板卡输出端图中ENABLE端与多路选择器的使能端相连，多路选择器为低电平使能。可根据需要选择是否进行远程控制。当需要远程控制单元8时，电阻R1不接入电路，将远程输入端IN+与IN-之间施加24V电压光耦，电路导通，远程输入端和板卡输出端经光耦连接，光耦发射极与地相接，光耦集电极经电阻R2与电源相接，R2输出端为ENABLE端，输出低电平，实现远程控制光电板卡工作的功能。当不需要远程控制单元8工作时，切断远程输入端IN+与IN-之间的电压输入，远程控制单元的板卡输出端工作。将R1接入电路，R1输入端与R2相接，输出端接地，ENABLE端固定输出低电平。
根据需要还可以配置状态指示电路，直观反映板卡的工作状态。状态指示单元包括输出状态指示单元和输入状态指示单元，输出状态指示单元的输入端与光电转换电路的输入端相连；输入状态指示电路的输入端与电光转换电路的输出端相连。状态指示单元由多路LED灯组成，每路LED灯与对应的多路选择器的输出端相连。
背板接口单元接收信号采样板的电信号，经过PWM电平转换电路将3.3V TTL信号转换为5V TTL信号后传给光电转换电路，将电信号转换为光信号经光纤传输至列车牵引驱动单元。牵引驱动单元的电信号经电光转换单元进行光信号到电信号的转换，反馈到信号采样板。工作中通过多路选择器10和多路选择器2分别选择信号的通路，通过多路选择器6和多路选择器10选择对某一路光电转换单元或电光转换单元进行自诊断。
动车组牵引控制系统的主机箱采用高强度加固机箱。两侧机箱面板采用加固面板，与传统标准机箱相比，加固机箱具有更好的稳定性、抗震和抗冲击性能。
动车组牵引控制系统的各类板卡与主机箱板卡卡槽连接处均设有双助拔器，双助拔器的结构参见图12。
双助拔器主要由基板11、插针12和扳动板13组成。基板11上部连接扳动板13，扳动板12为L型板，L型板的左下部与基板11在铰接部铰接，并可沿铰接部呈一定角度旋转。基板11上设有扳动板13定位卡槽，该定位卡槽与L型板的下部相匹配。基板11下部固定双排插针12，该插针12用于与板卡卡槽相连接。基板11一侧还设有与板卡固定的螺栓孔。当扳动板沿铰接部旋转至与定位卡槽相吻合时，扳动板13底部与板卡卡槽上部相抵，板卡被拔出。
如上网络板卡通过CAN总线接收I/O模块中的数字量和模拟量信号，并通过CPCI总线与处理器主机之间进行信息交互。由于动车组牵引控制系统的网络板卡上安装有MVB网卡，MVB板卡与网络板卡之间通过ISA总线进行通讯，而网络板卡与处理器主机之间通过Compact PCI连接，两者之间采用CPCI总线进行双向通讯。为解决现有技术中CPU上的CPCI总线和MVB设备上的ISA总线无法直接通讯的问题，设计一种CPCI总线和ISA总线的协议转换器。
该协议转换器主要由4个模块组成，分别为CPCI局部总线接口扩展时序模块、ISA总线接口时序模块、CPCI总线匹配ISA总线时序接口模块和时钟管理模块。
CPCI局部总线接口扩展时序模块主要完成对CPCI总线的访问空间IO/MEMORY进行配置、CPCI总线的读写访问控制、地址译码和命令译码。局部CPCI总线与CPCI局部总线接口扩展时序模块之间的接口连接如图13所示。两者之间的主要信号包括：地址与数据信号AD【31:0】、命令/字节使能信号C/BE【3:0】、从设备准备好信号TRDY、停止数据传送信号STOP、帧周期信号FRAME和主设备准备好信号IRDY。
对于停止数据传送信号STOP：由于CPCI总线是高速设备而ISA总线是慢速设备，且CPCI总线的读/写操作时间是很快的，与CPCI总线直接通讯的MVB设备根本反应不过来，数据包丢失严重。当CPCI总线以IO方式访问时，在CPCI总线读/写操作中插入等待信号S_WAIT，对CPCI总线的从设备准备好信号TRDY进行控制；当CPCI总线以MEMROY方式访问时，在CPCI总线读/写操作中插入停止数据传送信号STOP，在MEMROY设备本次操作未完成之前，CPCI总线一直处于被打断重连的状态，CPCI总线一直请求当前的读/写操作，直到当前一次操作中不插入停止数据传送信号STOP，CPCI总线才会发起下一次读/写访问。停止数据传送信号STOP由从设备发出，当停止数据传送信号STOP有效时表示从设备请求主设备终止当前的数据传送。图14为从设备准备好信号TRDY、停止数据传送信号STOP、帧周期信号FRAME和主设备准备好信号IRDY的具体时序图。
CPCI局部总线接口扩展时序模块与ISA总线接口时序模块的接口连接如图13所示。两者之间的主要信号包括数据使能信号S_DATA_VLD、地址使能信号ADDR_VLD、读使能信号barx_rd、写使能信号barx_wr、字节使能信号S_CBE、数据信号D【31:0】和地址信号A【31:0】。
采用XILINX公司的IP CORE模块对CPCI总线的操作命令进行识别，产生读/写使能信号S_WRDN、地址使能信号ADDR_VLD、数据使能信号S_DATA_VLD、字节使能信号S_CBE和空间译码信号BASE_HIT。
对于数据使能信号S_DATA_VLD，由于CPCI总线和ISA总线的读/写速度不一致，需要建立中间数据缓存区BUFFER，即当CPCI总线的写操作即将发生时，将CPCI总线数据写到数据缓存区BUFFER，再传给ISA总线；当CPCI总线的读操作即将发生时，将ISA总线数据先传给数据缓存区BUFFER，再传给CPCI总线。
读使能信号barx_rd和写使能信号barx_wr的获得方式为：由于当前牵引控制器中基于ISA总线的MVB设备，不同厂商的MVB通讯设备支持的ISA总线的操作方式不一样，可为IO设备、MEMROY设备或两者兼有，应根据实际需求，对CPCI总线访问空间进行配置，再根据CPCI总线提供的地址信号和地址使能信号ADDR_VLD，确定MVB设备的片选信号，进一步结合读/写使能信号S_WRDN和空间译码信号BASE_HIT确定本次操作的空间IO/MEMORY，最终得到实际使用的读使能信号barx_rd和写使能信号barx_wr。其中，读使能信号barx_rd中x代表选择的空间，取值为0、1或2；写使能信号barx_wr中x代表选择的空间，取值为0、1或2。
CPCI总线匹配ISA总线时序接口模块与CPCI局部总线接口扩展时序模块之间的接口连接如图13所示。两者之间的主要信号为打断重连信号USER_STOP，该信号主要用于打断停止数据传送信号STOP，CPCI总线设备发起对ISA总线设备的访问，当以MEMORY方式访问时，CPCI总线匹配ISA总线时序接口模块实时作出打断重连信号USER_STOP来打断停止数据传送信号STOP，以便留给ISA总线设备充裕的时间来完成本次读/写访问，解决CPCI总线和ISA总线读/写操作速度不一致的问题。
ISA总线接口时序模块与局部ISA总线之间的接口连接如图13所示。两者之间的主要信号包括：数据信号SD、地址信号SA、读/写IO设备信号IOW/IOR、读/写MEMORY设备信号MEMR/MEMW、地址锁存信号BALE。
时钟管理模块利用FPGA内部时钟网络和锁相环为CPCI局部总线接口扩展时序模块、ISA总线接口时序模块和CPCI总线匹配ISA总线时序接口模块提供工作时钟。图15为该协议转换器IO读访问局部时序图。
图16为该协议转换器访问流程图。主控CPU设备通过CPCI总线对ISA总线接口的MVB设备的实时访问的过程为：
1)确定CPCI总线访问空间IO/MEMORY，当CPCI总线以MEMROY方式访问插入停止数据传送信号STOP；当CPCI总线以IO方式访问插入等待信号S_WAIT，等待ISA总线设备准备好；
2)利用地址使能信号ADDR_VLD、读使能信号barx_rd、写使能信号barx_wr和字节使能信号S_CBE确定CPCI总线访问ISA总线的实际地址信号SA和访问模式，其中访问模式包括读操作和写操作；
3)作出ISA总线的地址锁存信号BALE；
4)根据字节使能信号S_CBE，判断32位数据中被使能的字节数据，从中间数据缓存区BUFFER中筛选出相应的8位数据或16位数据与MVB设备进行数据交互；
5)根据ISA总线规定的读/写信号脉冲宽度，确定读/写IO设备信号IOW/IOR和读/写MEMORY设备信号MEMR/MEMW，进而完成主控CPU设备通过CPCI总线对ISA总线接口的MVB设备的实时访问。
动车组牵引控制系统是牵引变流器的核心部件，主要对牵引变流器所有的I/O控制、模拟量脉冲量采集、变流器控制、四象限控制、脉冲接口控制、网络通讯控制和逻辑调度控制等。动车组牵引控制系统的功能模块或板卡的控制软件具有相对独立性，且模块或板卡之间有严格的信号接口定义，通过标准总线进行数据交互，保证数据实时有效。
动车组牵引控制系统的软件架构如图17。通过测试软件完成逻辑调度软件、变流器控制软件、四象限控制软件、信号采集/PWM生成软件、脉冲接口控制软件的自检测；通过网络通讯控制软件完成MVB网络与逻辑调度控制软件的通讯；通过四象限控制软件完成四象限脉冲接口板、四象限信号采样板和四象限快速运算板之间以及与其它模块间的通讯；通过逆变器控制软件完成逆变器脉冲接口板、逆变器信号采样板和逆变器快速运算板之间以及与其它模块间的通讯。
动车组牵引控制系统的运行流程如图18：
1)动车组牵引控制系统初始化；
2)系统初始化是否成功，若系统初始化失败，显示错误；若系统初始化成功，启动系统自检测程序；
3)系统自检测是否成功，若系统自检测不成功，显示错误；若系统自检测成功，启动网络通信控制软件；
4)检测网络通信是否成功，若网络通信不成功，返回步骤3)；若网络通讯成功，启动四象限控制软件；
5)检测四象限控制程序是否启动成功，若四象限控制程序启动不成功，启动四象限保护程序，记录故障并显示错误；若四象限控制程序启动成功，启动逆变器控制程序；
6)检测逆变器控制程序是否启动成功，若逆变器控制程序启动不成功，启动逆变器保护程序，记录故障并显示错误；若逆变器控制程序启动成功，返回步骤5)。
综上，动车组牵引控制系统可实现以下功能：
1)实现2组牵引变流器控制；
2)实现2组四象限控制；
3)实现逻辑控制与保护控制；
4)实现与列车网络系统MVB通讯；
5)实现与列车制动系统的电空制动配合；
6)实现电力牵引和电机制动；
7)实现过分相控制；
8)实现防空转控制；
9)故障记录与诊断维护。
本发明采用了目前主流控制芯片和先进的系统构架，符合现有动车组和高铁对于牵引控制系统的功能需求。本发明处理器主机采用了主流的Intel凌动系列处理器,主频达到1.3～1.6GHz；控制算法处理器采用了ADI TS203S，主频250MHz。选用了现行主流处理器芯片，可以大大提升系统性能。通过对CPCI/CAN总线技术、嵌入式实时操作系统(QNX)和DSP技术的成熟应用，在吸收动车组先进设计理念(自测试、自诊断、实时自监测等)基础上，总结了动车组各个电气系统实际应用中的经验和教训，并有效结合到软硬件设计中，经过完全独立、自主设计，开发了动车组牵引控制系统高端软硬件平台。该平台在动车组网络、牵引、辅助系统，以及城轨地铁等产品中得到考核验证，达到了国内外先进水平。
本领域技术人员可理解图只为一个优选的实施例的示意图，图中的工作流程并不一定是实施本发明所必须的。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制，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范围。

Claims (7)

1.动车组牵引控制系统，用于控制动车组牵引变流器的逆变器/四象限功率模块工作，该系统主要包括电源模块、逆变/四象限模块、I/O模块、网络模块和调试模块，其特征在于：
所述逆变器/四象限模块主要由快速运算板、信号采样板和脉冲接口板组成，
所述信号采样板主要用于接收外部传感器信号、接收所述脉冲接口板发送的脉冲反馈信号和接收所述快速运算板发送的控制信号，以及向所述脉冲接口板发送脉冲信号、向所述快速运算板发送处理后的采集信号和向所述I/O模块发送继电器控制信号；
所述快速运算板主要用于接收所述信号采样板采集并处理的模拟量和数字量信号、接收所述处理器主机发出的控制信号，以及向所述信号采样板发送控制信号、向所述网络模块发送处理信号；
脉冲接口板最多与2组逆变器功率模块和2组四象限功率模块相连；
所述脉冲接口板主要用于接收所述逆变器/四象限功率模块发出IGBT状态信号，接收所述信号采样板发出的IGBT控制信号；以及向所述信号采样板发送IGBT状态信号，向所述逆变器/四象限功率模块发出IGBT控制信号；
所述信号采样板与所述快速运算板通过高速差分LinkPort总线进行双向通讯；
所述信号采样板与所述I/O模块通过高速总线进行双向通讯；
所述快速运算板、所述网络模块、所述调试模块和所述处理器主机之间通过CPCI总线进行双向通讯；
所述I/O模块与所述逆变器/四象限模块通过高速总线进行双向通讯；
所述I/O模块与所述网络模块和所述调试模块通过CAN总线进行双向通讯；
所述网络模块由网络板卡构成，所述网络模块接收I/O模块发来的数字量和模拟量信号，并经CPCI总线传递给处理器主机，以及通过CPCI总线接收处理器主机的命令信号，并向所述I/O模块发送命令，控制所述I/O模块输出数字量和模拟量信号，以及控制MVB接口单元与外部MVB总线进行数据交互；同时通过CPCI总线发送MVB数据发送至处理器主机，以及通过CPCI总线将处理器主机需要发送的数据发送至MVB接口单元；
所述调试模块由调试板卡构成，所述调试模块通过CPCI总线接收处理器主机发送的调试命令和调试信号，所述调试模块通过高速总线接收信号采样板发送的调试信号；
所述电源模块为所述逆变/四象限模块、所述I/O模块、所述网络模块和所述调试模块供电。
2.根据权利要求1所述的动车组牵引控制系统，其特征在于：所述信号采样板包括电流/电压采集单元和时钟管理单元，所述电流/电压采集单元包括信号调理电路和与信号调理电路连接的ADC采样电路；所述电流/电压采集单元有多路，均连接到信号采样板，所述信号调理电路包括第一电阻，第二电阻、滤波电容和运算放大器，信号调理电路的输入端连接到采样传感器端，信号调理电路的输入端连接到第一电阻的第一端，第一电阻的第二端分别连接到第二电阻的第一端和运算放大器的正向输入端，第二电阻的第二端接地，运算放大器的反向输入端与参考电压端相连，运算放大器的输出端连接到ADC采样电路；信号调理电路的输入端还经滤波电容接地。
3.根据权利要求1所述的动车组牵引控制系统，其特征在于：所述脉冲接口板包括PWM电平转换电路、光电转换单元、电光转换单元和背板接口单元，PWM电平转换电路经背板接口单元与信号采样板相接，还包括自诊断单元；
所述自诊断单元包括输入诊断单元和输出诊断单元；
所述光电转换单元包括多路选择器、缓冲器和光电转换电路，背板接口单元经缓冲器D1与多路选择器相连，多路选择器经缓冲器D2与光电转换电路相连；所述电光转换单元包括多路选择器、缓冲器和电光转换电路，电光转换电路经缓冲器D3与多路选择器相连，多路选择器经缓冲器D4与背板接口单元相连；
所述输出诊断单元包括多路选择器和输出自诊断电路，每组光电转换单元的缓冲器D2的输出端与输出自诊断单元的多路选择器的输入端相连，输出自诊断电路的输入端与缓冲器D2的输出端相连，多路选择器的输出端与背板接口单元相连；所述输入诊断单元包括多路选择器和输入自诊断电路，多路选择器的输入端与背板接口单元相连，输出端分多路，分别连接到每组电光转换单元缓冲器D3的输入端。
4.根据权利要求1所述的动车组牵引控制系统，其特征在于：所述网络模块与处理器主机之间通过CPCI总线和ISA总线的协议转换器进行双向通讯，该协议转换器包括CPCI局部总线接口扩展时序模块、ISA总线接口时序模块、CPCI总线匹配ISA总线时序接口模块和时钟管理模块；
所述CPCI局部总线接口扩展时序模块通过地址与数据信号AD【31:0】、命令/字节使能信号C/BE【3:0】、从设备准备好信号TRDY、停止数据传送信号STOP、帧周期信号FRAME和主设备准备好信号IRDY与局部CPCI总线进行通讯；
所述ISA总线接口时序模块通过数据使能信号S_DATA_VLD、地址使能信号ADDR_VLD、读使能信号barx_rd、写使能信号barx_wr、字节使能信号S_CBE、数据信号D【31:0】和地址信号A【31:0】与所述CPCI局部总线接口扩展时序模块进行通讯；
所述ISA总线接口时序模块通过数据信号SD、地址信号SA、读/写IO设备信号IOW/IOR、读/写MEMORY设备信号MEMR/MEMW、地址锁存信号BALE与局部ISA总线进行通讯；
所述CPCI总线匹配ISA总线时序接口模块通过打断重连信号USER_STOP与所述CPCI局部总线接口扩展时序模块进行通讯；
所述时钟管理模块为所述CPCI局部总线接口扩展时序模块、所述ISA总线接口时序模块和所述CPCI总线匹配ISA总线时序接口模块提供工作时钟。
5.根据权利要求1所述的动车组牵引控制系统，其特征在于：所述I/O模块主要包括数字量输入板卡、数字量输出板卡和模拟量输入输出板卡。
6.根据权利要求1所述的动车组牵引控制系统，其特征在于：所述动车组牵引控制系统的主机箱采用高强度加固机箱，该加固机箱的两侧机箱面板采用加固面板。
7.根据权利要求1所述的动车组牵引控制系统，其特征在于：所述动车组牵引控制系统的各类板卡与主机箱板卡卡槽连接处均设有双助拔器，所述双助拔器主要由基板、插针和扳动板组成，所述基板上部连接所述扳动板，所述扳动板为L型板，L型板的左下部与所述基板在铰接部铰接，并可沿铰接部呈一定角度旋转，所述基板上设有扳动板定位卡槽，定位卡槽与L型板的下部相匹配，所述基板下部固定双排插针，所述插针用于与板卡卡槽相连接，所述基板一侧还设有与板卡固定的螺栓孔。
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