基于DSP及CPLD的DC600V客车充电机控制系统试验台的研制

　　随着我国铁路电气化区域的扩大、电力电子技术的发展，在新型客车上，DC600V母线供电系统将逐步取代原有的发电车供电系统，从而使得客车逆变器、充电机的装车量不断增加，生产、调试和维修的工作量也越来越大。原有的DC600V客车充电机控制系统手动试验台已经不能满足需求。因此，研制基于数字信号处理器（Digital Signal Processer，DSP）及复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）的DC600V客车充电机控制系统自动试验台。本文概述试验台研制技术。
   　　1 工作原理
   　　1．1 充电机的主电路结构
   　　DC600V空调客车对充电机的性能和可靠性提出较高的要求，充电机除应具有本身相应的保护功能外，还应对蓄电池具有限流恒压充电和温度补偿等功能。充电机的负载有本车的120Ah蓄电池组、DCIlOV用电设备和全列车贯通的DCll0V供电母线。充电机的主电路结构如图1所示。
   　　
   　　图1 充电机主电路结构图
   　　1．2 充电机控制系统的作用
   　　充电机主电路中的各个元器件是在控制系统的控制下发挥作用的。充电机控制系统通过电压传感器检测输入电压，当输人电压在规定的范围内时，充电接触器吸合，并通过快速熔断器和充电电阻给中间环节支撑电容充电。当中间环节电压上升到设定的范围内时，短路接触器闭合，经延时后充电机DC／DC变换器开始软启动工作。当充电机出现故障时，断开输入接触器，机组停机，中间环节电压通过放电接触器和放电电阻放电。
   　　充电机控制系统的主要作用如下。
   　　（1）数字量输人输出功能。用于控制接触器的通断，读入其反馈信号；控制相关指示灯，读人温度开关信号等。
   　　（2）模拟量采集功能。用于读取各个传感器的反馈信号。
   　　（3）脉冲产生及IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管）的保护功能。用于产生IGBT的脉冲控制信号，同时还通过监控IGBT的集电极一射极之间的电压‰保护IGBT。
   　　（4）RS485通讯功能。充电机通过RS485总线与列车网关交换信息。
   　　1．3 充电机控制系统测试需求
   　　根据充电机控制系统的主要作用可知，该控制系统的测试系统需具备以下功能。
   　　（1）数字量的测试。包括4个输入开关量，其中2个高电平为+110 V，2个高电平为+24 V；3路输出继电器开关量，其中2路继电器闭合时输出+110 V，1路继电器闭合时接地。
   　　（2）模拟传感器。充电机主电路中包含了7个模拟传感器用于测试电压或电流，输出的电流量最大为100 mA。为了测试充电机控制系统，测试系统需要能够产生可控的0～100 mA电流输出信号。
   　　（3）脉冲测试。充电机控制系统输出G1，G2，G3和G4共4路脉冲信号，其幅值范围为一7～+15 V。需要测试这些脉冲的滞后时间d、频率f及占空比D，这3个脉冲特征值的定义如图2所示，计算公式如下。
   　　
   　　
   　　图2 充电机控制系统的输出脉冲
   　　（4）485通讯测试。需要测试系统能够模拟网关的通讯功能，全面测试充电机控制系统通讯是否正常。
   　　随着我国铁路电气化区域的扩大、电力电子技术的发展，在新型客车上，DC600V母线供电系统将逐步取代原有的发电车供电系统，从而使得客车逆变器、充电机的装车量不断增加，生产、调试和维修的工作量也越来越大。原有的DC600V客车充电机控制系统手动试验台已经不能满足需求。因此，研制基于数字信号处理器（Digital Signal Processer，DSP）及复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPlD）的DC600V客车充电机控制系统自动试验台。本文概述试验台研制技术。
   　　1 工作原理
   　　1．1 充电机的主电路结构
   　　DC600V空调客车对充电机的性能和可靠性提出较高的要求，充电机除应具有本身相应的保护功能外，还应对蓄电池具有限流恒压充电和温度补偿等功能。充电机的负载有本车的120Ah蓄电池组、DCIlOV用电设备和全列车贯通的DCll0V供电母线。充电机的主电路结构如图1所示。
   　　
   　　图1 充电机主电路结构图
   　　1．2 充电机控制系统的作用
   　　充电机主电路中的各个元器件是在控制系统的控制下发挥作用的。充电机控制系统通过电压传感器检测输入电压，当输人电压在规定的范围内时，充电接触器吸合，并通过快速熔断器和充电电阻给中间环节支撑电容充电。当中间环节电压上升到设定的范围内时，短路接触器闭合，经延时后充电机DC／DC变换器开始软启动工作。当充电机出现故障时，断开输入接触器，机组停机，中间环节电压通过放电接触器和放电电阻放电。
   　　充电机控制系统的主要作用如下。
   　　（1）数字量输人输出功能。用于控制接触器的通断，读入其反馈信号；控制相关指示灯，读人温度开关信号等。
   　　（2）模拟量采集功能。用于读取各个传感器的反馈信号。
   　　（3）脉冲产生及IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管）的保护功能。用于产生IGBT的脉冲控制信号，同时还通过监控IGBT的集电极一射极之间的电压‰保护IGBT。
   　　（4）RS485通讯功能。充电机通过RS485总线与列车网关交换信息。
   　　1．3 充电机控制系统测试需求
   　　根据充电机控制系统的主要作用可知，该控制系统的测试系统需具备以下功能。
   　　（1）数字量的测试。包括4个输入开关量，其中2个高电平为+110 V，2个高电平为+24 V；3路输出继电器开关量，其中2路继电器闭合时输出+110 V，1路继电器闭合时接地。
   　　（2）模拟传感器。充电机主电路中包含了7个模拟传感器用于测试电压或电流，输出的电流量最大为100 mA。为了测试充电机控制系统，测试系统需要能够产生可控的0～100 mA电流输出信号。
   　　（3）脉冲测试。充电机控制系统输出G1，G2，G3和G4共4路脉冲信号，其幅值范围为一7～+15 V。需要测试这些脉冲的滞后时间d、频率f及占空比D，这3个脉冲特征值的定义如图2所示，计算公式如下。
   　　
   　　
   　　图2 充电机控制系统的输出脉冲
   　　（4）485通讯测试。需要测试系统能够模拟网关的通讯功能，全面测试充电机控制系统通讯是否正常。
   　　1．4 试验台工作原理
   　　基于DSP的DC600V客车充电机控制系统试验台原理框图如图3所示。
   　　
   　　图3 充电机控制系统试验台原理框图
   　　试验台电路由2部分组成：DSP核心控制电路、外部显示与控制电路。
   　　DSP核心控制电路丰要包括两大功能。一是与被测系统的数字嚣和模拟鼍的接口功能，包括接口电平转换，输入模拟量的模数转换，PWM脉冲时间特征值的测量，以及输出模拟量的数模转换等。二是通过USB总线与外部显示与控制电路进行信息交互，依据从USB总线获得的信息控制不同电平的数字量及模拟电的输出，同时将数字量和模拟量输入以及脉冲测试的时间特征值通过USB总线反馈给外部显示与控制电路。
   　　外部湿示与控制电路包括三大功能。一是作为测试系统的核心，控制测试流程和复杂的测试逻辑，该功能由Visual C++编写的测试中心程序完成。二是与DSP核心控制电路通过USB总线通讯；与被测系统通过RSA85总线通讯，采集被测系统的输人作为测试逻辑的输入，并将测试逻辑的输出传递到被测系统；通过TCP协议与人机界面程序通讯，该功能由相应的驱动和通讯线程程序完成。三是提供友好的人机界面，人机界面采用Labview Touch Panel模块编写，通过TCP协议与测试中心程序交互。外部显示与控制电路采用嵌入式操作系统Windows CE 5．0，便于完成灵活的逻辑设计和友好的人机界面。
   　　试验台系统提供的仿真环境包括：7个独立的数控恒流源输出、4路脉冲高速捕获以及AD采集，16个数字量输人、16个数字量输出、485通讯接口。
   　　1．5 关键技术
   　　1．5．1 基于离散采样的脉冲计算
   　　充电机控制系统的输出是具有同定频率与占空比的PWM脉冲。因此，对脉冲的幅值进行测量，可以判断充电机控制系统工作是否正常。
   　　在手动测试时，采用万用表测量PWM脉冲的幅值，数值在指定的范围内即可。本试验台采用A／D采样电路将PWM脉冲读人测试系统，采用平均值方法计算PWM脉冲的幅值，计算公式为
   　　
   　　1．5．2 脉冲时间特征值的测量
   　　充电机控制系统输出脉冲波形的频率约为18kHz，G2和G4相对于G1和G3的滞后时间约为4μs，而DSP核心控制电路中的AD采样速度最大仅为25 kHz。显然，采用AD转换后的脉冲波形，寻找波形的上升沿时刻和下降沿时刻，用以计算脉冲特征值是不可能的。
   　　因此，在本试验台中采用DSP TMS320F2812高速捕获单元（CAPl-CAP5）计算这些特征值。在电路中，G1接CAP4，G2接CAP5。G1的上升沿和下降沿均触发捕获，不触发中断；G2仅下降沿触发捕获，可以触发中断。CAP4和CAP5分别缓存最近捕获的2个事件发生时刻。该DSP捕获单元中断的原理是当接到捕获信号源发出的捕获信号时，之前捕获的数据尚未被读出，则产生中断。
   　　按照上述连接方法，在DSP接收到1次中断请求时，在CAP4和CAP5的捕获缓存里分别保存了G1和G2的t2，t3，t5和t6时的计数值。通过这4个值计算3个脉冲特征值d，f和D的方法如下。
   　　
   　　将CAP4和CAP5的时钟源设置为25 MHz，则可以准确测嚣脉冲特征值。
   　　1．5．3 脉冲稳定性的判断及控制
   　　充电机控制系统输出的脉冲通过专用移相控制芯片UC2875产生，设定脉冲频率及延迟参数的部分电路如图4所示。从图4中可以看出，脉冲输出频率是通过接在UC2875芯片第16管脚FREQSET的R1和C1设定的，延迟是通过接在第18管脚SLOPE的R2设定的。
   　　
   　　图4 UC2875电路
   　　在实际应用过程中发现，当占空比D比较大时，经常会出现输出脉冲抖动的现象，即延迟d突然减小。这种抖动会导致系统的不稳定，因此，提出如下检测参数及其参数取值范围，并通过调整参数使系统达到稳定。
   　　（1）占空比84％～86％。
   　　（2）频率17．7～18．4 kHz。
   　　（3）滞后≥3．9μs。
   　　（4）滞后均方差
   　　当被测充电机控制系统检测出有参数超出上述范围时，将实际测得的数据输人试验台所提供的专家系统，专家系统根据所累计的历史数据，提供合理的R1，C1和R2的调整建议。
   　　2 硬件设计
   　　2．1 DSP核心控制电路
   　　DSP核心控制电路硬件框图如图5所示。
   　　
   　　图5 DSP核心控制电路硬件框图
   　　DSP采用TI公司的32位定点数字信号处理器TMS320F2812，最高可在150 MHz主频下工作。TMS320F2812具有丰富的片内外设，包括通用输入输出端口（General Purpose I／O，GPIO）、片上模数转换模块（Analog-to-Digital Converter，ADC）、高速捕获单元（Capture Unit，CAP）和外部存储扩展接口（External Interface，XINTF）等。GPIO模块作为数字量的输入输出接口，结合外部电平转换电路可以完成相关继电器信号的输出和反馈采集功能。ADC具有16路A／D采样输入口，本电路采用A／D输入0～5通道作为被测电路脉冲的采样输入口，6个通道同时采样，采样频率为125 kHz。CAP用于采集PWM脉冲波形边沿发生时刻，计算脉冲的时间特征值。通过XINTF为DSP扩展了外部RAM，CPLD电路和USB接口电路。USB接口电路以Philips公司的PDIUSBD12芯片为核心。设计的一些关键电路如下。
   　　2．1．1 脉冲调理电路
   　　在实际DC600V客车充电机的运用过程中，充电机控制系统输出到主电路的4路PWM脉冲是相互隔离的。在设计试验台的PWM脉冲输入电路时，应先通过电磁继电器隔离，然后通过控制电磁继电器分别进行采样。脉冲信号的电压范围是一7～+15 V，通过信号调理电路转换成0～3 V信号，再通过跟随电路保持信号稳定，最后通过钳位电路严格保持信号在3．3 V范围之内，处理后的信号输入到DSP中的A／D采样电路中。脉冲调理电路如图6所示。
   　　
   　　图6 脉冲调理电路
   　　2．1．2 可控恒流源
   　　DC600V客车充电机丰电路中的传感器全部采用电流输出的模式，为了模拟传感器的功能，测试系统同样应采用电流输出的模式。DSP电路产生的数字信号，经过D／A转换电路转换成模拟信号，再经过如图7所示的可控恒流源电路转换成被测系统所需的传感器的电流信号，进入被测电路板。
   　　
   　　图7 可控恒流源电路
   　　2．1．3 逻辑控制
   　　CPLD的应用主要是简化电路结构，并且可以通过软件实现系统的各种复杂的逻辑功能。在本试验台中CPLD主要用于解决D／A的选址、故障灯的指示、RAM和USB的选通等。图8给出了CPLD的主要程序代码，采用Verilog HDL编写。
   　　
   　　图8 CPLD内部程序（左侧为外部接口图，右侧为主要程序代码）
   　　2．2 外部显示与控制电路
   　　为了得到友好的人机显示界面，试验台配备了7寸触摸显示屏。显示屏控制板内核采用ARM 9芯片组，工作频率400 MHz。通过USB主机接口与DSP控制板建立连接。显示屏控制板的串口1经RS485／RS232接口转换模块实现与被测系统的RS485连接。试验台的操作人员通过触摸液晶面板或鼠标点击，控制系统的工作流程，并输出测试报告。
   　　3 测试软件
   　　测试软件的结构如图9所示。
   　　
   　　图9 测试软件的结构图
   　　测试软件包括2个部分：DSP测试板程序、显示屏控制板程序。
   　　DSP测试板程序框图如图10所示，DSP按照显示屏控制板的通讯程序的要求，输出指定的数字量和模拟量；输入相关的数字量和采样模拟输入，经过变换后传送回显示屏控制板通讯程序。DSP程序由主进程、USB中断、ADC采样中断和CAP5捕获中断共3个线程组成。CPLD程序完成地址译码工作。
   　　
   　　图10 DSP测试板程序框图
   　　显示屏安装了Windows CE 5．0操作系统，采用Windows CE 5．0软件编写PDIUSBD12驱动程序。显示屏控制板的通讯程序通过该驱动程序与DSP板进行USB通讯，通过串口1与被测系统进行RS485通讯，通过TCP协议与Lacview交互界面程序通讯。该通讯程序还同时实现了控制中心的功能，所有测试流程的控制由该通讯程序完成。
   　　显示屏控制板程序框图如图11所示，由主进程、USB通信线程、COM通信线程和TCP通信线程共3个子线程组成。
   　　
   　　图11 显示屏控制板程序框图
   　　4 结语
   　　在测试过程中，操作人员通过触摸液晶面板或鼠标点击，控制测试系统的工作流程，在测试结束后输出测试报告（如图12所示），在测试报告中给出了被测试系统的详细测量结果及结论。
   　　
   　　图12 测试报告
   　　研制的基于DSP的DC600V客车充电机控制系统试验台，实现了对DC600V客车充电机控制系统的自动测试。