CN201304990Y - 动力分散式动车组的牵引控制单元 - Google Patents

动力分散式动车组的牵引控制单元 Download PDF

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陆啸秋
赵海波
刘金柱
郑恒亮
刘保明
李国平
郭秀伟
张维国
林鸿
徐燕芬
崔凤钊
孙国斌
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CRRC Changchun Railway Vehicles Co Ltd
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Changchun Railway Vehicles Co Ltd
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Abstract

本实用新型涉及一种动力分散式动车组的牵引控制单元，所述的牵引控制单元通过传感器分别与功率变换器和电机相连接，牵引控制单元包括母板和子板，母板通过母板连接器与子板连接，子板可插拔安装在母板上，所述的子板包括数字电路供电板、传感器和门极供电板、主处理器板、输入输出监测板、网络接口板、四象限变流器闭环调节模块、逆变器和斩波器闭环调节模块，网络接口板通过MVB总线与列车网络(TCMS)连接。本实用新型通过浮点DSP处理器实现闭环调节模块的闭环控制，并通过MVB总线实现主处理器与列车网络通信，同时通过自定义SE总线来实现快速保护功能，满足了实时控制、网络通信和可靠性的要求。

Description

动力分散式动车组的牵引控制单元
技术领域
本实用新型涉及一种铁路车辆牵引控制装置，具体地说，涉及一种动力分散式交流传动200km/h速度等级的高速动车组的牵引控制装置。
背景技术
200km/h速度等级的高速动车组牵引系统通过多个牵引单元分散提供动力，每个牵引单元主电路包括一组公共直流侧的四象限变流器、两个独立的牵引逆变器及其控制的牵引电机、两个独立的制动斩波器。以上部件除电机外均由IGBT开关器件构成，统称为牵引功率变换器。四象限变流器将牵引变压器输出交流变为所需的3200V-3600V直流电压；牵引逆变器将该直流电压变为频率和幅值可调的三相对称交流电压，进而控制牵引电机转速；制动斩波器可保证列车在经过无电区时，通过电阻制动维持直流侧所需的电压。为了实现控制功能和安全可靠运行，系统配备了主电路电压电流传感器、主电路输入输出接触器、中低压散热设备如冷却风扇和致冷泵、与散热相关的温度传感器和压力传感器等。与以往的动力集中式牵引控制相比，200km/h动车组的动力分散、高速性以及主电路拓扑结构使其牵引系统的控制技术难度加大，对控制装置提出了更高的要求。控制装置必须能够与列车网络(TCMS)进行实时交换信息，必须能够根据TCMS指令对系统控制、监控系统状态并将信息反馈给TCMS；必须能够对牵引主电路进行有效控制并能监测相关电压电流及主电路元件的状态；必须能够控制中低压设备运行、检测其运行状态并能够进行故障处理和记录，必须能够完成控制设备本身的必要检测和维护功能。但现有的牵引控制装置在可控性、实时性、可靠性和可维护性等各方面都有欠缺，这就需要一种可控性、实时性、可靠性和可维护性等各方面性能皆佳的牵引控制装置来实现对动力分散式传动动车组牵引系统的控制。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有动车组牵引系统的牵引装置中存在的欠缺可控性、实时性、可靠性和可维护性的不足，提供了一种用于200km/h速度等级的高速动力分散式动车组的牵引控制单元。
本实用新型的技术方案为：一种动力分散式动车组的牵引控制单元(TCU)，所述的牵引控制单元(TCU)通过传感器分别与功率变换器和电机相连接，牵引控制单元(TCU)包括母板和子板，母板通过母板连接器与子板连接，子板可插拔安装在母板上；所述的子板包括数字电路供电板、传感器和门极供电板、主处理器板、输入输出监测板、网络接口板、四象限变流器闭环调节模块、逆变器和斩波器闭环调节模块，主处理器板分别与输入输出检测板、网络接口板、四象限变流器闭环调节模块、逆变器和斩波器闭环调节模块相连接，所述的网络接口板通过MVB总线与列车网络(TCMS)连接；
优选的是，所述的输入输出监测板包括模拟量输入输出接口板、开关量输入接口板和开关量输出接口板，模拟量输入输出接口板、开关量输入接口板和开关量输出接口板分别通过CAN总线与主处理器板相连接；
优选的是，所述的四象限变流器闭环调节模块包括DSP快速调节板、传感器信号接口板和驱动接口板，DSP快速调节板通过传感器信号接口板与驱动接口板相连接；所述的DSP快速调节板通过CPCI总线与主处理器板相连接，传感器信号接口板和驱动接口板分别通过SE总线与输入输出监测板相连接；
优选的是，所述的逆变器和斩波器闭环调节模块包括DSP快速调节板、传感器信号接口板和驱动脉冲输出和反馈接口板，DSP快速调节板通过传感器信号接口板与驱动脉冲输出和反馈接口板相连接；所述的DSP快速调节板通过CPCI总线与主处理器板相连接，传感器信号接口板和驱动脉冲输出和反馈接口板分别通过SE总线与输入输出监测板相连接；
优选的是，所述的子板还包括可视和维护接口板，可视和维护接口板通过RS485接口与维护个人计算机(维护PC)连接；
优选的是，所述的牵引控制单元还设置有外部观测接口板，外部观测接口板分别与四象限变流器闭环调节模块、逆变器和斩波器闭环调节模块相连接；
优选的是，所述的传感器和门极供电板、四象限变流器闭环调节模块、逆变器和斩波器闭环调节模块分别与功率变换器上的门极驱动电路和电压/电流传感器相连接；
优选的是，所述的传感器和门极供电板、逆变器和斩波器闭环调节模块分别与设置在电机轴上的速度传感器相连接；
优选的是，所述的主处理器板上的主处理器为浮点DSP处理器。
本实用新型的有益效果为：本实用新型结构简单、操作方便，通过浮点DSP处理器实现闭环调节模块的闭环控制，并通过CPCI总线和CAN总线实现信息实时传递，且通过MVB总线实现主处理器与列车网络通信，同时通过自定义SE总线来实现快速保护功能，满足了实时控制、网络通信和可靠性的要求；又由于本实用新型还通过可视和维护接口板与维护PC连接，可通过维护PC实现检修和维护，同时还可以通过维护PC查看故障纪录、事件纪录和实现数据下载的功能。
附图说明
附图1-3为本实用新型具体实施例的结构示意图；
附图4为本实用新型具体实施例的电路原理图；
附图5为本实用新型具体实施例的结构框图；
附图6为本实用新型具体实施例内部功能框图。
具体实施方式
如图1至6所示本实用新型的具体实施例：一种动力分散式动车组的牵引控制单元(TCU)，所述的牵引控制单元(TCU)包括母板3和子板4，母板3和子板4安装在安装箱体1的机架2上，母板3通过母板连接器5、6与子板4连接，子板4可插拔安装在母板3上，所述的子板4包括数字电路供电板15，传感器和门极供电板7、14、26，主处理器板16，输入输出监测板8-13，网络接口板17，可视和维护接口板27，四象限变流器闭环调节模块20、23、25，逆变器和斩波器闭环调节模块18、21、22、24；主处理器板16分别与输入输出监测板8-13，网络接口板17，可视和维护接口板27，四象限变流器闭环调节模块20、23、25，逆变器和斩波器闭环调节模块18、21、22、24相连接。
输入输出监测板8-13包括模拟量输入输出接口板、开关量输入接口板和开关量输出接口板，模拟量输入输出接口板、开关量输入接口板和开关量输出接口板分别通过CAN总线与主处理器板16上的浮点主处理器DSP相连接。
四象限变流器闭环调节模块20、23、25包括DSP快速调节板、传感器信号接口板和驱动接口板，DSP快速调节板通过传感器信号接口板与驱动接口板相连接，所述的DSP快速调节板通过CPCI总线与主处理器板16相连接，传感器信号接口板和驱动接口板分别通过SE总线与输入输出监测板8-13相连接。逆变器和斩波器闭环调节模块18、21、22、24包括DSP快速调节板、传感器信号接口板和驱动脉冲输出和反馈接口板，DSP快速调节板通过传感器信号接口板与驱动脉冲输出和反馈接口板相连接，所述的DSP快速调节板通过CPCI总线与主处理器板16相连接，传感器信号接口板和驱动脉冲输出和反馈接口板分别通过SE总线与输入输出监测板8-13相连接。
传感器和门极供电板分别与功率变换器上的门极驱动电路和电压/电流传感器相连接，四象限变流器闭环调节模块20、23、25，逆变器和斩波器闭环调节模块18、21、22、24分别与功率变换器上的门极驱动电路相连接，四象限变流器闭环调节模块20、23、25，逆变器和斩波器闭环调节模块18、21、22、24分别与功率变换器上的电压/电流传感器相连接。传感器和门极供电板7、14、26、逆变器和斩波器闭环调节模块18、21、22、24分别与设置在电机轴上的速度传感器相连接。
网络接口板17通过MVB总线与列车网络(TCMS)连接，可视和维护接口板27通过RS485接口与维护个人计算机(维护PC)连接；牵引控制单元还设置有外部观测接口板19，外部观测接口板19分别与四象限变流器闭环调节模块20、23、25，逆变器和斩波器闭环调节模块18、21、22、24相连接。
工作时，由外接+24V电源供电，该电压由传感器和门极驱动供电板7、14、26转换为+/-24V后通过母板3接至四象限变流器闭环调节模块、逆变器和斩波器闭环调节模块为控制所需的传感器和门极驱动电路供电，由数字电路供电板15转换为+/-24V后为其它电路板供电；传感器和门极驱动供电板7、14、26控制所需的电压、电流、转速信号通过闭环调节模块中的传感器接口板采集，IGBT触发和状态通过闭环调节模块中的驱动接口板输出和反馈。运行于基于x86架构的ATLS主处理板16接收到供电正常信号后，通过网络接口板17与列车网络建立MVB通信，网络接口板17与主处理器板16的通信接口为CPCI；同时闭环控制模块和输入输出监测模块同时检测外界输入信息。主处理器板16确认通信和外界输入正常后，进入正常处理阶段：根据网络指令来完成系统运行管理功能。主处理器板16的管理要求通过CPCI总线传递至闭环调节模块，由各模块完成具体控制功能：四象限变流器闭环调节模块20、23、25通过DSP快速调节板实现电压变换功能、电压电流检测功能、变换器状态检测功能；逆变器和斩波器闭环调节模块18、21、22、24通过DSP快速调节板实现牵引和制动时的电压变换功能、电机控制功能、速度处理功能。
对接触器、冷却风扇、致冷泵等设备的控制以及状态采集、对环境温度和致冷泵压力的采集由输入输出监测板8-13来完成；输入输出监测板8-13通过微控制器实现内部监测功能并与主处理器板16实现CAN总线接口，向主处理器反馈输入状态以及发出开关命令，四象限变流器闭环调节模块20、23、25、逆变器和斩波器闭环调节模块18、21、22、24与输入输出检测板8-13间有快速连接的SE总线，用于在主电路故障如过流或短路时无需通过主处理板16而快速切断主电路的高压断路器。必要时可接入外部观测接口板19进行多达32个变量的波形观测。
牵引控制单元(TCU)与列车网络(TCMS)的通信通过MVB总线和网络接口板17完成，牵引控制单元(TCU)接收外部模拟量、开关量信息，通过MVB总线和网络接口板17传递给列车网络(TCMS)，然后根据列车网络(TCMS)指令完成对四象限变流器、牵引逆变器、制动斩波器及其相关散热设备的控制，周期性检测各外部变量的状态进行故障保护和处理，同时将各变量信息实时反馈至列车网络(TCMS)；检修和维护由可视和维护接口板27通过RS485接口接至维护个人计算机，通过维护个人计算机利用Winscope工具完成，同时还可以通过维护个人计算机进行数据下载的功能，通过维护个人计算机在线或下载后查看牵引控制单元(TCU)的故障纪录和事件纪录。

Claims (9)

1.一种动力分散式动车组的牵引控制单元，其特征在于：所述的牵引控制单元通过传感器分别与功率变换器和电机相连接，牵引控制单元包括母板和子板，母板通过母板连接器与子板连接，子板可插拔安装在母板上；所述的子板包括数字电路供电板、传感器和门极供电板、主处理器板、输入输出监测板、网络接口板、四象限变流器闭环调节模块、逆变器和斩波器闭环调节模块，主处理器板分别与输入输出检测板、网络接口板、四象限变流器闭环调节模块、逆变器和斩波器闭环调节模块相连接，所述的网络接口板通过MVB总线与列车网络(TCMS)连接。
2.如权利要求1所述的动力分散式动车组的牵引控制单元，其特征在于：所述的输入输出监测板包括模拟量输入输出接口板、开关量输入接口板和开关量输出接口板，模拟量输入输出接口板、开关量输入接口板和开关量输出接口板分别通过CAN总线与主处理器板相连接。
3.如权利要求1所述的动力分散式动车组的牵引控制单元，其特征在于：所述的四象限变流器闭环调节模块包括DSP快速调节板、传感器信号接口板和驱动接口板，DSP快速调节板通过传感器信号接口板与驱动接口板相连接；所述的DSP快速调节板通过CPCI总线与主处理器板相连接，传感器信号接口板和驱动接口板分别通过SE总线与输入输出监测板相连接。
4.如权利要求1所述的动力分散式动车组的牵引控制单元，其特征在于：所述的逆变器和斩波器闭环调节模块包括DSP快速调节板、传感器信号接口板和驱动脉冲输出和反馈接口板，DSP快速调节板通过传感器信号接口板与驱动脉冲输出和反馈接口板相连接；所述的DSP快速调节板通过CPCI总线与主处理器板相连接，传感器信号接口板和驱动脉冲输出和反馈接口板分别通过SE总线与输入输出监测板相连接。
5.如权利要求1所述的动力分散式动车组的牵引控制单元，其特征在于：所述的子板还包括可视和维护接口板，可视和维护接口板通过RS485接口与维护个人计算机连接。
6.如权利要求1所述的动力分散式动车组的牵引控制单元，其特征在于：所述的牵引控制单元还设置有外部观测接口板，外部观测接口板分别与四象限变流器闭环调节模块、逆变器和斩波器闭环调节模块相连接。
7.如权利要求1所述的动力分散式动车组的牵引控制单元，其特征在于：所述的传感器和门极供电板、四象限变流器闭环调节模块、逆变器和斩波器闭环调节模块分别与功率变换器上的门极驱动电路和电压/电流传感器相连接。
8.如权利要求1所述的动力分散式动车组的牵引控制单元，其特征在于：所述的传感器和门极供电板、逆变器和斩波器闭环调节模块分别与设置在电机轴上的速度传感器相连接。
9.如权利要求1至8任意一项所述的动力分散式动车组的牵引控制单元，其特征在于：所述的主处理器板上的主处理器为浮点DSP处理器。
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