轨道车辆空调逆变电源的研制

1、轨道车辆空调逆变电源的研制张全柱,邓永红,黄成玉(华北科技学院信息与控制技术研究所,北京101601摘要:根据应用于轨道车辆的一种空调机组设备的特点,研制了满足该种车辆空调供电的逆变电源。介绍了逆变电源的逆变器主电路组成、工作原理、控制系统硬件及软件等,突出了控制系统变频及智能控制的特点。研制样机通过了性能试验,能够满足轨道车辆空调设备的运用要求。关键词:轨道车辆;空调机组;逆变电源;变频控制;CAN 总线中图分类号:T M921151文献标识码:B 文章编号:100321820(20091020032204收修回稿日期:2009207213作者简介:张全柱(1965,男,内蒙古乌兰察布人,副

2、教授;邓永红(1975,男,湖南涟源人,工程师;黄成玉(1977,男,内蒙古通辽人,讲师。随着电力电子学科的发展,逆变器控制技术与工业现场总线应用范围越来越广,本系统成功应用这两项技术,设计了新型轨道车辆空调电源用逆变器控制系统。原有空调电源逆变器控制系统的缺点是:不能根据设定温度控制空调机组变频运行,而且体积大,各逆变器协调控制困难。本文设计了一种轨道车辆空调机组用多逆变器控制系统,与原有空调电源逆变器控制系统相比,具有体积小、重量轻、数据交换方便、运行可靠、利于维修等优点。1系统工作原理由图1可知,上位微机控制电路是该系统的核心控制部分,通过CAN 总线将控制指令传给逆变器控制电路,逆变器

3、控制电路根据控制指令产生不同频率的SP WM 信号控制逆变器工作;逆变器控制电路将各逆变器实际工作状态、故障信号等通过CAN 总线上传给上位微机控制电路。2逆变器控制电路及控制方案2.1逆变器控制电路逆变器控制芯片选用凌阳科技公司2005年推出的新一代16位单片机SP MC75F2413A 。其内部图1逆变器控制系统结构图集成了能驱动电机的P WM 发生器、多功能捕获比较模块、BLDC 电机驱动专用位置侦测接口、两相增量编码器接口等硬件模块,以及多功能I/O 口、同步和异步串行口、ADC 、定时计数器等功能模块。利用这些硬件模块的支持,SP MC75可以实现诸如家电用变频驱动器、标准工业变频驱

4、动器、多环伺服驱动系统等复杂应用。SP MC75F2413A 集成了两个电机控制P WM 输出定时器MCP (Mot or Contr ol P WM 定时器:MCP3、MCP4。每一个MCP 定时器都可以独立输出三相六路的P WM 波形,非常适合于控制交流感应电机、无刷直流电机等各种电机。选用此款单片机可极大缩小控制电路体积,从而减小整个空调电源的体积,增加系统的集成性第10期(总第428期内燃机车2009年10月 图2脉宽比较输出原理图和可靠性。本系统选用定时器MCP4输出SP WM信号。2.2SP WM 脉宽调制信号的产生在进行SP WM 脉宽调制时,一个调制信号(正弦波周期内所包含的三

5、角载波的个数称为载波频率比N (亦即载波比。在变频过程中,即调制信号周期变化过程中,每个调制信号周期内载波个数不变的调制称为同步调制,载波个数相应变化的调制称为异步调制。同步调制在输出频率很低时,由于相邻两脉冲间的间距增大,谐波会显著增加,使负载电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声,发热量增加。另外,同步调制的载波周期随调制波周期而连续变化,在利用微处理机进行数字控制时带来了不便,因而难以实现。为此,本文中的逆变器采用异步调制法,避免了上述问题。在实际工程中,为方便单片机控制,采用查表法生成SP WM 脉宽调制信号。应用工程软件Mat 2lab 编程计算所需正弦表,将一个周期正弦波分成4096个

6、数据,预先存入单片机存储区中。由MCP4定时器产生周期溢出中断,并在该中断的中断服务程序中读取正弦表中的一个数据点,每次查表后正弦表指针加1,满周期后循环查询,一个MCP4定时器周期等于一个SP WM 载波周期。根据冲量等效原理(大小、波形不同的窄脉冲变量作用于惯性系统时,只要它们的冲量即变量对时间的积分相等,其作用效果基本相同可知,载波频率越高,逆变器输出SP WM 波谐波含量越小,越接近正弦波。但是载波频率受开关器件(I P M 本身开关能力的限制,开关频率越高,器件发热量越大。综合考虑器件开关损耗和输出波形质量的要求,通过设置定时器周期寄存器(P _T MR4_TPR 确定一个载波周期为

7、6000个系统周期,若系统时钟频率为24MHz,则载波周期为4kHz 。单片机定时查询CAN 总线传来的频率给定信号,计算出查正弦表时所用的步进值(查表时所用的步进值越大,输出SP WM 波形频率越高。查表所得值被载入比较匹配寄存器(P_T MR4_TGRA 、P_T MR4_TGRB 、P_T MR4_TGRC ,与定时器计数寄存器值比较输出不同脉宽的调制波,具体原理如图2所示,当定时器计数寄存器计数值(P_T MR0_TCNT 与比较匹配寄存器(P _T MR0_TGRA 值相等时输出信号产生电平翻转。查表时A 、B 、C 三相通过引入数据表地址指针偏移量实现三相互差120°波形

8、输出。通过定时查询CAN 总线传来的工作模式给定信号,逆变器可输出不同频率的SP WM 波,准确控制空调机组工作模式。逆变器输出电压与电流波形如图3、图4所示 。图3逆变器输出电压波形3通信系统控制方案为了适应轨道车辆上复杂的电磁环境,满足逆变器控制系统通信的要求,本系统中使用工业现场总线(CAN 总线进行控制信号、反馈信号的传输。33第10期(总第428期张全柱等:轨道车辆空调逆变电源的研制 图4逆变器输出电流波形CAN 总线特点:(1CAN 采用多主方式工作模式,网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息,而不分主从。(2CAN 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线

9、发送信息出现冲突时,优先级较低的节点会主动地退出发送,而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据,从而大大节省了总线冲突仲裁时间。图5通信系统硬件电路框图(3CAN 节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。(4CAN 的直接通信距离最远可达10km;通信速率最高可达1Mbp s 。(5CAN 的每帧信息都有CRC 校验及其他检错措施,具有极好的检错效果。(6CAN 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活。(7CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响。3.1通信系统硬件电路设计由图5可知,上位微

10、机C AN 总线节点硬件电路主要分为4个部分:单片机C8051F020、独立CAN 通信控制器SJA1000、C AN 总线驱动器82C250和高速光耦6N137。单片机C8051F020负责SJA1000的初始化,通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。为了增强CAN 总线节点的抗干扰能力,SJA1000的T X0和RX0并不是直接与82C250的TXD 和RXD 相连,而是通过高速光耦6N137后与82C250相连,这样就很好地实现了总线上各CAN 节点间的电气隔离。82C250与CAN 总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的CANH 和CANL 引脚各

11、自通过一个电阻与CAN 总线相连,电阻可起到一定的限流作用,保护82C250免受过流的冲击。CANH 和CANL 与地之间并联了2个小电容,可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。逆变器CAN 总线节点硬件电路与上位微机CAN 总线节点硬件电路结构基本相同,只有CAN 通信控制器选用MCP2515代替了SJA1000,逆变器控制芯片SP MC75F2413A 通过SP I 接口与该器件连接。使用标准的SP I 读/写指令以及专门的SP I 命令来读/写所有的寄存器。通过SP I 接口设置寄存器中的相应位或使用“发送使能引脚”均可启动发送操作。通过读取相应的寄存器可以检查通信状态和

12、错误。器件上有1个多用途中断引脚及各接收缓冲器的专用中断引脚,用于指示有效报文是否被接收并载入接收缓冲器。器件还有3个引脚,用来启动将装载在3个发送缓冲器之一中的报文立即发送出去。3.2通信系统软件设计通过软件设计,完成系统的通信功能。CAN 节点初始化时,通过调用CAN 初始化程序,实现对工作模式寄存器、波特率寄存器、验收屏蔽寄存器、验收滤波寄存器等的设置。当节点上的CAN 控制器接收到数据帧、产生中断信号时,相关的单片机通过调用数据接收子程序,从CAN 控制器的接收数据缓冲区中读出相关的数据并释放接收数据缓冲区。当CAN 节点需要发送数据帧时,通过调用43内燃机车2009年数据发送子程序,

13、将要发送的数据写入相应CAN 控制器的数据发送缓冲区,并设置发送请求以启动数据帧的发送。将保护信号和相关设定信号使用不同的数据帧加以传送,如果逆变器数据帧的发送间隔超过了系统中的设定值时,便由上位微机通过发送远程帧查询相关的故障请求。在制定相关数据帧的标识符时(系统中采用11位标准标识符规定:标识符的前4位标识发出数据帧的单元地址,后4位标识要接收数据帧的节点地址。按照上面的方法,规定上位微机的CAN 节点地址标识为4,逆变器1、2、3的节点地址标识分别为1、2、3,可得到图6中的各相关数据帧的标识符 。图6系统CAN 数据流图CAN 控制器初始化程序中,在设置CAN 控制器的验收屏蔽寄存器时

14、,将标准标识符的高7位(I D 102I D 4设置为验收滤波的无关位。这样,CAN控制器在接收相关的数据帧时,对数据帧的发送节点的标识地址是不进行验收滤波的,而仅仅对于数据帧接收节点的标识符进行判断。当接收到的数据帧的标识符显示本节点的标识地址时,便可进行接收,数据帧接收后再对发送节点的标识地址进行验收,判断数据帧的来源,否则不接收数据帧。采取这样的验收寄存器设置,可以十分灵活地实现前述的通信协议,并在最大程度上减轻相关CAN 节点在软件设计上的复杂性,简化了程序,提高了工作可靠性。4结语上述设计方案和实验结果表明,以C8051F020和SP MC75F2413A 为控制核心,以I P M

15、集成模块为主开关器件的空调电源逆变器控制系统设计方案是可行的。该逆变器控制系统控制方便、运行可靠,能够满足轨道车辆车载空调电源的要求。清晰、优化的软件流程设计,使得该控制系统功能更强大。SP MC75F2413A 的成功应用,使得该控制系统具有结构简单、性能优化、动态响应快速和可靠性高等优点。参考文献:1刘卫华.制冷空调新技术及进展M .北京:机械工业出版社,2004.2饶运涛.现场总线CAN 原理与应用技术M .北京:航空航天大学出版社,2003.3柳铮,宋强,刘文华.50kVA 机车空调变频电源J .电力电子技术,2006,40(2.4叶斌.电力电子应用技术M .北京:清华大学出版社,20

16、06.【上接第31页】求,完成了车体的静强度试验。最终的试验结果为,车体没有任何形式的永久变形,各个侧点的应力值小于许用应力。这表明大功率内燃机车车体满足设计要求。5结论铁路第6次大面积提速调图中投入了大量新的技术装备,特别引人注目的是一批具有世界先进水平的国产化动车组和大功率机车的投入使用,使我国既有铁路的列车速度、运输能力、服务水平得到了大幅提升,也极大地增强了我们的民族自豪感,广大人民群众和社会各界对此十分关注。大功率交流传动内燃机车必将成为未来牵引货物列车的主力机型。参考文献:1王麟书.中国铁路发展展望A .中国铁道学会第五次代表大会论文集C .北京:北京铁道学会,2002.15-19

17、.2舟津浩二.车辆侧面碰撞时车体变形评价J .国外铁道车辆,2007,44(1:29-33.3鲍维千.内燃机车总体与走行部M .北京:中国铁道出版社,2004.4梁圣童.DP U 230型机车底架裂纹和改进的分析研究J .内燃机车,2006,(9:6-8.5何永强,刘丰芹,何清河,等.机车车体常用金属材料分析J .电力机车与城轨车辆,2006,(1:22-25.6刘惟信.机械可靠性设计M .北京:清华大学出版社,1995.53第10期(总第428期张全柱等:轨道车辆空调逆变电源的研制ware were exp lained.New s olution to structure TCN net

18、control system was p roposed.Key words:ARM7core m icrop r ocess or;W T B bus;CAN bus;l ocomotive and r olling stockCon tro ltechn i que of power dr i ve for DM UL IU Yi(Nanjing Puzhen Rolling St ock Co.,L td.,Nanjing 210031,ChinaAbstract:On the basis of technique design of a real subject of DMU(D ie

19、sel Multip le Unitexported to Tunisia,the technical characteristics of power drive and hydraulic tracti on of DMU were described.The contr ol technique,contr ol functi on and train net work technique used for DMU with power distribution were intr oduced.Key words:DMU;power drive;contr ol tech2 nique

20、D esi gn of car body w ith sta i n less steel of tra i n com pr ised of one power car and one no power car used on li ne of Da li an to J i ngzhouZHANG Lan2lan(Dalian Locomotive and Rolling St ock Co.,L td., Dalian116022,ChinaAbstract:The material characteristics of car body with stainless steel and

21、 lighter weight and the car bodys steel structure design,static strength calculati on and stat2 ic strength test of train comp rised of one power car and one no power car used on line of Dalian t o Jingzhou were described in detail.Key words:car body with stainless steel;materi2 al;steel structure;s

22、tatic strength calculation;static strength testCarbody of NX N3h igh2power AC d i esel locom toveL IU Zhan2yu(Dalian Locomotive and Rolling St ock Co.,L td., Dalian116022,ChinaAbstract:The structure character of carbody of NX N3high2power AC diesel l ocomotive was discussed in this paper,and the str

23、ucture strength was analyzed and the static p ressure test results were given.Key words:high po wer;diesel l ocomotive;car2 body;structure;strengthD evelopm en t of i nverter supply forra ilways veh i cle a i r cond iti onerZHANG Quan2zhu,DENG Yong2hong,HUANG Cheng2yu(Infor mati on and Control Techn

24、ol ogy Research Insti2 tute,North China I nstitute of Science and Technolo2 gy,Beijing101601,ChinaAbstract:A kind of inverter power supp ly for rail2 way vehicle air conditi oner is developed,basing on char2 acteristics of rail way vehicle air conditioning equi pment. The inverter main circuit struc

25、ture,operating p rinci p le, hard ware&s oft ware of control system are intr oduced. The variable frequency and intelligent contr ol of this cou2 trol system are emphasized.The developed p r ot otype in2 verter supp ly has been tested,and the test results shown that it can meet the requir ments for rail w ay vehicle air conditi oning equipment.Key words:rail way vehicle;air conditi oner;in2 verter power supp ly;variable frequency contr ol;CAN busP