电动车控制器篇1

CY8C24533是Cypress半导体生产的具有8位MCU核和数字与模拟混合信号阵列的可编程片上系统，集三种可编程能力于一体，不仅具有MCU的可编程序能力，还包含了部分可编程逻辑运算功能，同时也提供了可编程模拟阵列；通过对寄存器的配置或控制，三者之间可以相互作用、协调工作。是专门针对电机控制而开发的一款PSoC芯片。它对电机控制扩展了部分的资源和功能，使得它非常适合应用在电动自行车的控制以及其他的电机控制。

1CY8C24533的系统资源和周边性能

CY8C24533的内部结构如图1所示。其资源包括：

图1：CY8C24533内部系统资源框图

1.1系统资源

CY8C24533使用8位哈佛结构处理器内核(M8CCPU)，它具有独立的程序存储器和数据存储器总线，处理器速度可达24MHz。拥有丰富的M8C架构指令，系统提供便捷的寻址方式。CY8C24533的系统资源中包括一个乘加器(MAC)。MAC系统中作为一个独立的组件，并映射到特定的寄存器地址空间，由输入寄存器和输出寄存器，能执行带符号的8×8乘法运算和32位的加法运算。只要把数据传送到输入寄存器，在下一个指令周期，输出寄存器就能得到运算结果。寄存器加速内存数据交换，大大提高了处理数据的速度。CY8C24533有两个时钟发生器：主时钟发生器和低频时钟发生器。其中主时钟发生器为24MHz作为系统时钟，可分频或不分频作为CPU时钟。系统时钟N1，N2和N3次(均可由用户设定)分频产生的时钟VC1，VC2和V3可以提供给用户作为模拟PSoC模块和数字PSoC模块的输入时钟。系统时钟也可以倍频产生48MHz的时钟作为PWM的输入，以提高PWM的分辨率。低频时钟发生器是一个32KHz内部低速振荡器，主要用于看门狗/睡眠定时器的时钟。其他的系统资源还包括可设定电压阀值的电源低电压检测(LVD/POR)、中断控制器、I2C、用于-∑模数转换的采样抽取器(Decimator)、片内温度传感器和片内电压参考等。

1.2片内存储器

CY8C24533有8KB的闪存用于程序存储以及256B的片内SRAM数据存储器。可以用闪存的部分空间模拟E2PROM。此外，它还具有串行在系统编程功能(ISSP)。CY8C24533对片内存储器提供多种保护加密方式。与传统的熔丝保护加密方式不同，CY8C24533是以块加密方式实施对片内存储器的加密保护，所以具有更高的安全性。

1.3模块资源

CY8C24533有4个数字模块和4个模拟模块。片内的数字模块可以配置成各种各样的用户模块，比如时间定时器、实时时钟、脉宽调制和死区脉宽调制(DBPWM)、循环冗余校对模块、全双工UART、SPI等功能模块。片内的模拟模块可以配置多种模拟周边功能，如比较器、可编程增益放大器、差分放大器、可编程滤波器。结合数字模块和模拟模块可以实施各种模数转换，如7-14位的增量式模数转换，8和11位的-∑模数转换等等。PSoCDesigner集成开发环境也为用户提供了灵活和完善的数字模块和模拟模块的输入输出路由、模块和模块之间的路由及数字模块和模拟模块之间的路由。在这些路由中还包括了一些硬件的逻辑运算块(LUT)，这些逻辑运算块可以进行16种逻辑运算。用户可以通过路由选择和路由之间的逻辑运算使模块和模块之间形成相互关联的有机的功能块，使这些功能块具有更复杂更独特更强大的功能。从而减少片外资源的使用，使系统更简洁。

图2：同步触发方式原理框图。

1.4SARADC模块

在电机控制中通常需要一个高速的ADC用于检测过流信号进而实施对功率MOS管的保护。CY8C24533集成了一个专用的8位逐次逼近ADC。它的一次转换时间只有3.33μs，这对于快速的检测过流信号非常有用。另外为了能在合适的时间进行模数转换，CY8C24533还提供了多种触发方式来启动模数转换。它包括自由运行、手动单次触发和同步触发方式。同步触发方式原理框图如图2。在同步触发方式有两条通路(LowPath和HighPath)可以实施触发。这两条通路分别有一个8位的寄存器与来自数字模块的的计数值进行比较，如果LowPath的比较结果相等时CMP_LO输出高电平，如果HighPath的比较结果相等时CMP_HI输出高电平，CMP_LO和CMP_HI的输出在通路逻辑(PathLogic)进行逻辑运算，逻辑运算的结果为1时便触发启动模数转换。通路逻辑有“与”和“或”两种逻辑运算功能，CMP_LO和CMP_HI的值由用户设定。这个性能对电机控制非常有用。比如，当DBB0被配置成一个8位的PWM时，在一个PWM的周期里，ADC可以被触发一次或两次。当CMP_LO或CMP_HI寄存器有一个被设置，并且通路逻辑设置“或”运算时被触发一次；当CMP_LO和CMP_HI的寄存器被设置一样并且通路逻辑设置“与”运算时也被触发一次；当CMP_LO和CMP_HI的寄存器被设置不一样并且通路逻辑设置“或”运算时被触发两次。当DBB0和DBB1被配置成一个16位的PWM时，在一个PWM的周期里，模数转换可以被触发一次，这时通路逻辑设置“与”运算。在直流无刷电机的控制中，通常PWM值用于控制电机的电压或速度，每一个PWM周期中的相电流的大小是变化的，用同步触发方式可以在每一个PWM周期的固定时刻触发模数转换，采样电机的电流信号，判断电流是否异常，实施对电机和MOS管的有效保护。

2电动车自行车控制器系统

图3所示是一个电动自行车控制器系统原理框图。图中，CY8C24533作为主控芯片，左边为各种输入信号：调速转把信号、刹车信号、电池电压、电机的霍尔信号和其他外设信号。右边是MOSFET的驱动电路、功率MOSFET三相桥电路以及电池电量显示电路。现在的电动自行车都使用“无刷直流电机”作为传动部件，所以CY8C24533必须通过来自电机的霍尔信号产生合适的相序信号提供给MOSFET的驱动电路，进而驱动功率MOSFET三相桥，使无刷直流电机的三相绕组得到按一定规律变化的励磁电流。

图3：电动自行车控制器系统原理框图

2.1PWM输出

为了通过调速转把来控制转速，必须将PWM信号叠加在相序信号上，通过调节PWM的占空比，来控制电机绕组的相电压和电流实现转速控制。通常MCU的PWM输出是从固定的管脚输出，所以传统的MCU做法是在芯片的外部加逻辑电路将6路或3路相序信号和PWM信号相“与”后输出。而CY8C24533芯片有灵活多样的模块输入和输出的路由资源可以选择，可以将一路PWM信号在不同的时刻路由到一个或同时路由到多个I/O上。如图4所示将一个数字模块配置成双缓冲器，PWM信号的输出配合双缓冲器中的一个缓冲器便将PWM信号路由到LUT的四个输出上，进而通过数字输出总线路由到一个或多个I/O上。这样在换相且当某一相或几相需要PWM输出时，可在获得换相信号时通过中断程序将PWM输出切换到相应的I/O口上。I/O口的输出可以直接输入到MOS管的驱动电路，这样就不需要外部加逻辑电路。图5是在PSoCDesigner开发环境下的PWM输出路由配置图。

图4：PWM输出路由选择和比较器输出路由选择图

图5：PWM输出路由配置图

2.2峰值电流保护

电动自行车在使用过程中会有多种可能的情况导致瞬间峰值电流很大，这个电流如果超过MOS管的最大可耐受电流，MOS管将被击穿。所以峰值电流保护是非常必要的。峰值电流保护的关键是响应速度。通常采用硬件的方式来实施，如将采样的电流送到一个比较器进行比较，比较器的输出再通过逻辑电路与PWM的输入信号相“与”。在CY8C24533芯片中包含模拟模块，CT(连续时钟)的模拟模块可以作可编程的比较器和可编程的放大器。我们将CT模块作放大器用于放大电流信号，另一个CT模块作比较器，用于比较电流信号，比较器的阈值可以程序设置。放大器的输出作为比较器的输出，比较器输出到比较总线，比较总线经LUT输入到数字模块的双缓冲器中的另一个缓冲器，这个缓冲器的输出经由行输出总线的LUT与PWM信号实现“与”操作(见图4或图5)。如果峰值电流超过设定的阈值，比较器的输出将封住PWM的输出，对MOS管实施有效的保护。

2.3平均值电流保护

平均值电流保护对保护电机和MOSFET是非常重要的，尤其在堵转时。因为长时间的堵转会产生高温而致使电机或MOSFET被烧毁。CY8C24533有高速逐次逼近ADC，因此可以利用上述的同步触发方式在每个PWM周期的固定时刻采样电流值，以获得平均值电流。如果这个值超过设定的阈值并持续一段时间(如3s以上)，控制器自动保护软件即会采取相应的措施，如减少PWM的输出或关断PWM，来对电机和MOSFET实施有效的保护。

2.41:1助力

CY8C24533有数字模块可以用作捕捉定时器，捕捉踏板转轴的转速信号，获得模拟的1:1助力信号，然后通过对PWM的输出的控制，实现模拟的1:1助力或1:N控制。由于CY8C24533的闪存空间高达8KB，可允许用户程序设计多种功能和保护。

基于CY8C24533的电动自行车控制器还包括超静音功能、防飞车功能、短路保护功能、欠压保护功能、定速巡航、ABS刹车再生制动等功能。超静音功能减少了起步噪声；防飞车功能解决了无刷控制器由于转把或线路故障引起的飞车现象，提高了系统的安全性；短路保护功能防止电机三根相线输出端任意两端短路或三端全短路，以及控制器不会烧毁；欠压保护功能使得电池电量不足时及时通知用户更换电池。定速巡航、ABS刹车使控制器的性能更加完善。

电动车控制器篇2

1、首先确定电源正负极，和电门锁线：方法是先把万用表打直流档上，再把万用表的负极[黑线]接在电池的负极上[地线]然后用万用表的正极[红线]一个一个量，有电压的是正极[稍微比电源电压高点]、无电压的是负极，这里说明一下，有电源是三根线，其中那跟是电门锁线，这根线的特点是，打开钥匙和电源电压一样，关上钥匙没电压。

2、其次关上钥匙连接电源线和电门锁线这三根线：控制器电源线粗红色的是正极，粗黑色的是负极。接好后打开钥匙，再量量电源电压和电门锁线的电压是不是正常，然后在分别量转把线的电源电压5V左右[红黑线]，霍尔线的电源电压5V左右[红黑线][别忘了万用表打到直流档上]。

3、第三各个电压正常对接白色学习线：若反转拔开在对接一次，电机正转后拔开学习线。接转把线，一般按颜色接就可能了，若还不可以有可能转把坏掉了，那么拔掉转把线，直接连接控制器转把线的红线和绿线。电机正常转，证明转把有问，换个转把。

4、安装完成后用脚踏称把撑起整车后，连接好控制器将学习线对插再打开电门锁，这时会进入自学习，当转动正常后，如发现电机运行方向相反就调一下调速转把，就能改变电机运行方向，然后拨开学习线即可。

（来源：文章屋网）

电动车控制器篇3

关键词：混合动力汽车；发动机；节能控制器；X186单片微控制器

中图分类号：TN245?34；TPK414.3文献标识码：A文章编号：1004?373X（2017）06?0084?04

Abstract：Theresearchonengineenergy?savingcontrollerofhybridpowerautomobileisnotperfectinvariouscountries，whichhascausedpoorstabilityoftheresearchedproductsandpoorenergy?savingeffect.Therefore，theengineenergy?savingcontrollerwithhighstabilityandhighenergy?savingeffectforhybridpowerautomobileareconsidered.X186singlechipmicrocontrolleroftheenergy?savingcontrolleriscontrolledbyPIDtomornitortheenginespeedanddrivinginstructionsignalsofthehybridpowervehicleinrealtime.Thesignalsecondaryprocessingcircuitisusedtoreprocessspeedsignaltoreduceenergyconsumptionofhybridpowerautomobilecausedbyenginespeed.Theenergy?savingcontrolsignalsacquiredbyX186singlechipmicrocontrollerandthesignalsecondaryprocessingcircuitaretransmittedtotheoutputcontrolcircuitforthesummaryandanalysistooutputanoptimalenergy?savingsolutionfinally.Thefunctionaldiagramandtheprocessofengineenergy?savingcontroladoptingPIDcontrolalgorithmaregivenintheControllerParagraph.Theexperimentresultshowsthattheenergy?savingcontroleffectoftheengineenergy?savingcontrollerforhybridpowerautomobilesismoreobvious，andhashighstability.

Keywords：hybridpowerautomobile；engine；energy?savingcontroller；X186singlechipmicrocontroller

0引言

当前汽车已成为人们生活中必不可少的交通工具，由汽车行业发展所带来的资源短缺问题也不容小觑。基于以上原因，产生了能够综合利用电能、燃气和煤柴油的混合动力汽车。对混合动力汽车发动机节能控制器的研究与发展，是交通运输领域中的一项重要技术革新[1?3]。由于各国对混合动力汽车发动机节能控制器的研究尚不健全，所研究出的产品往往稳定性较差、节能效果不佳。因此，开发出兼顾高稳定性和高节能效果的混合动力汽车发动机节能控制器，是当前交通运输领域的重点研究项目[4?6]。

各科研组织研究出的混合动力汽车发动机节能控制器均存在一定的问题，如文献[7]开发THS?Ⅱ混合动力汽车发动机节能控制器，该节能控制器能够对混合动力汽车发动机驾驶系统实施全方位的节能控制，其节能效果较好。但其价格昂贵，不利用广泛推广。文献[8]开发Honda混合动力汽车发动机节能控制器，该节能控制器的设计者意识到混合动力汽车在急停时的耗能量最大，故设计者在发动机处于高速运行的情况下，为混合动力汽车发动机添加了慢减速功能，进而缩减混合动力汽车发动机的耗能量。但该节能控制器的能耗缩减效果并不明显，控制能力有待提高。文献[9]开发基于线控制的混合动力汽车发动机节能控制器，该节能控制器利用发动机能耗线控制图，将混合动力汽车发动机分成三等级的能耗区间，分别对三个能耗区间进行节能控制。由于该节能控制器要求相关人员需具有较高的控制水平，因而其节能效果并不理想。文献[10]开发基于实时节能优化算法的混合动力汽车发动机节能控制器，该节能控制器通过构建能耗目标函数，预测混合动力汽车发动机的能耗趋势，进而最大限度地缩减发动机能耗。但该节能控制器的稳定性较差，对全局能耗的掌控有待加强。

为了解决以上问题，开发了稳定性较强、节能效果明显的混合动力汽车发动机节能控制器。实验结果表明，所设计的混合动力汽车发动机节能控制器节能控制效果较为明显，并具有较高的稳定性。

1混合动力汽车发动机节能控制器设计

所设计的混合动力汽车发动机节能控制器主要由控制芯片和各功能电路组成。

1.1控制芯片设计

混合动力汽车发动机节能控制器的控制芯片是单片微控制器，由于混合动力汽车发动机的内部元件较多，故所选用的单片微控制器必须拥有较强的硬件兼容性，且能够实时修正混合动力汽车发动机的高耗能信号，并将其准确输出。

基于以上约束条件，混合动力汽车发动机节能控制器选用某公司最新出品的嵌入式X186纹微控制器。该公司的设计人员针对混合动力汽车发动机的耗能特点，为X186单片微控制器匹配了实时节能控制功能，使其能够有针对性地进行混合动力汽车发动机信号的开采和处理，并强有力地保证了发动机信号的完好传输。

当混合动力汽车开始调用发动机进行减速行驶时，如何保证汽车行驶的安全稳定，是混合动力汽车发动机节能控制器需要考虑的首要问题。X186单片微控制器中利用PID控制方法，针对混合动力汽车发动机扭矩进行实时控制，其旨在将混合动力汽车发动机中的多余机械能转换成汽车行驶中利用率较高的电能。混合动力汽车发动机的扭矩主要包括转速、行驶指令、功率等。图1是X186单片微控制器PID控制原理图。

由图1可知，X186单片微控制器的PID控制流程为：X186单片微控制器先进行其采集到的混合动力汽车发动机信号的扭矩识别工作，其主要识别内容为混合动力汽车发动机的转速，以及驾驶人员给予汽车的行驶指令。X186单片微控制器根据其所识别出的扭矩类型进行分步处理。不需要进行调节的扭矩直接进入标准扭矩转换操作并输出；需要进行调节的扭矩则进入PID控制。在PID控制中，X186单片微控制器先将扭矩等比例放大（其中，驾驶人员给予汽车的行驶指令是不可控变量，虽存在需要处理的信号，但无法进行PID控制，直接将其输出即可），再进行扭矩调节工作，即将发动机信号中多余的机械能转换成电能。在扭矩调节工作中，X186单片微控制器将应尽可能地减少PID控制能量的损失，以提高混合动力汽车发动机节能控制器的能量利用率。

经由X186单片微控制器PID控制后的混合动力汽车发动机信号，会传输到信号二次处理电路进行进一步的节能控制。

1.2信号二次处理电路设计

由于发动机转速对混合动力汽车的能耗影响较大，故混合动力汽车发动机节能控制器构建了信号二次处理电路进行转速信号的二次处理工作。该信号的处理工作要求信号二次处理电路拥有极高的信号传输速度。

转速信号主要采集于混合动力汽车发动机的曲轴。信号二次处理电路在曲轴处安装了特定传感器，经由传感器进行发动机转速的二次采集，再结合X186单片微控制器PID控制的输出信号，对混合动力汽车发动机的能耗进行优化，如图2所示。

当汽车发动时，发动机曲轴上安装的传感器会对发动机转速信号进行滤波、整波等处理。为避免汽车行驶中环境因素对混合动力汽车节能控制器带来的干扰，在设计图2所示的信号二次处理电路时，二极管和信号隔离器是必不可少的。

信号二次处理电路工作结束后，根据公式[ek=][TPS2k-TPS1k]，求取混合动力汽车发动机的优化偏差[ek]。其中：[TPS1k]是信号二次处理电路的信号输出值；[TPS2k]是X186单片微控制器PID控制的信号输出值。优化偏差直接影响着混合动力汽车节能控制器的稳定性，若该值较大，则应重新进行优化工作；否则，则将X186单片微控制器和信号二次处理电路获取到的节能控制信号反馈到输出控制电路。

1.3输出控制电路设计

输出控制电路的设计目标是将X186单片微控制器和信号二次处理电路的输出信号汇总、解析，最终输出最优节能方案，如图3所示。

图3所示的输出控制电路能够将混合动力汽车发动机节能控制器中的所有已处理信号接入进来，经由格式转换和构建传输文件夹的方式，将发动机节能方案快速传输出去。文件会在其传输过程中分离到特定位置，以对混合动力汽车发动机的不同位置进行特定的节能控制。输出控制电路也能够调节混合动力汽车电子节气门的电流传输规律，进而控制发动机的扭矩。输出控制电路利用并行串行传输接口2，3，14，15进行电路同发动机的串行传输，也能够同时对发动机进行故障检测和故障排除。

2混合动力汽车发动机节能控制器的实现

2.1混合动力汽车发动机节能控制器功能设计

设计的混合动力汽车发动机节能控制器具有信号管理、故障检测、信号解析、后台监控等功能，如图4所示。图4中的信号管理功能主要是对X186单片微控制器和信号二次处理电路的信号采集和信号处理进行管理，其管理方式主要是编码控制；故障检测功能是通过检测硬件部分的传输信号，实现混合动力汽车发动机节能控制器故障的预警与处理，其与输出控制电路对混合动力汽车发动机的故障排查内容不同，应加以区分；信号解析功能管理着输出控制电路的解析工作；后台监控功能能够对混合动力汽车发动机节能控制器和混合动力汽车发动机进行实时监控和异常项预测，包括信号采集超时、电路负载趋势不正常、能耗超限等。

2.2PID控制算法设计

X186单片微控制器中的PID控制算法较为简单，其拥有比例、积分、微分三种控制方式，在混合动力汽车发动机节能控制器的实际应用中，应根据这三种方式的特点选择较为适合的PID控制。

比例PID控制能够对混合动力汽车发动机中产生的多余机械能进行实时控制，其控制效率高、效果好。比例PID控制要求其所控制的多余机械能应为无限增长的，一旦机械能维持在一个稳定的数值不变，其控制误差便会急速增长，进而降低混合动力汽车发动机节能控制器的稳定性；积分PID控制与比例PID控制相反，其要求混合动力汽车发动机中多余机械能的增减幅度应较为平稳。但该控制方式的控制能力有效，不能给予发动机较高的节能效果；微分PID控制的控制能力和控制要求则介于比例PID控制和积分PID控制之间。

设PID控制工作时间为[t]，PID控制的输出值为[u（t）]，则PID控制算法的函数表达式为：

[u（t）=KPe（t）+KI0te（t）dt+KDde（t）dt+u0]（1）

式中：[KP]，[KI]，[KD]分别代表比例、积分、微分三种PID控制方式的比例系数，三者协同作业且互相限制；[e（t）]代表混合动力汽车发动机的信号输入值与混合动力汽车发动机节能控制器的输出值之差；[u0]代表PID控制常数。

3实验

实验对本文设计的混合动力汽车发动机节能控制器的稳定性和节能效果进行验证。设定实验中的自变量为发动机的总扭矩和转速，总扭矩直接反应了混合动力汽车发动机的总能耗；在汽车行驶中，其发动机转速越大，电子节气门的开度就越大，实时耗能量就越大。因此，缩减发动机总扭矩和转速便能够得到良好的节能控制效果。同时，节能控制后的两者曲线波动越小，混合动力汽车发动机节能控制器的稳定性就越强。

实验将发动机未采用本文节能控制器进行控制的混合动力汽车在相同的路况和天气下，以2档位和4档位分别行驶2000m，行驶过程中的急停、起步、加速度等驾驶员操作因素均相同，其行驶过程中发动机的总扭矩曲线和转速曲线如图5、图6所示。

由图5和图6可知，在相同情况下，未采用本文节能控制器的混合动力汽车发动机的4档位总扭矩最高值为70N・m，发动机转速最高值为2000r/min。排除汽车行驶的起步状态（此时汽车行驶动力主要依靠电机给予，故排除），在200～2000m的行驶距离内，4档位总扭矩的平均值约为48N・m，发动机转速的平均值为1355r/min；2档位总扭矩的最高值为68N・m，发动机转速最高值为1980r/min。在200～2000m的行驶距离内，2档位总扭矩的平均值约为40N・m，发动机转速的平均值为1402r/min。

现给出采用本文节能控制器，进行节能控制后的发动机总扭矩曲线图和发动机转速曲线图，如图7、图8所示。对比图5～图8可得知，本文设计的混合动力汽车发动机节能控制器能够进行发动机的节能控制，且节能控制效果较为明显。

图7、图8中的曲线波动较比图5、图6曲线有明显下降，验证了本文所设计的混合动力汽车发动机节能控制器具有较高的稳定性。

4结论

本文设计兼顾高稳定性和高节能效果的混合动力汽车发动机节能控制器。该节能控制器的X186单片微控制器利用PID控制，对混合动力汽车发动机转速和行驶指令等信号进行实时监管，并经由信号二次处理电路进行转速信号再处理，降低发动机转速对混合动力汽车的能耗。由X186单片微控制器和信号二次处理电路获取到的节能控制信号，传输到输出控制电路进行汇总和解析，最终输出最优节能方案。控制器的实现部分给出了其功能图，以及控制器采用PID控制算法对发动机进行节能控制的过程。实验结果表明，所设计混合动力汽车发动机节能控制器的节能控制效果较为明显，并具有较高的稳定性。

参考文献

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电动车控制器篇4

【关键词】电力机车；主电气电路；辅助电气电路；控制系统

1引言

和谐系列电力机车是南车集团和北车集团与国外企业合作，引进消化技术，并国产化的新一代交流货运机车，型号有HXD1、HXD1B、HXD1C，HXD2、HXD2B、HXD2C和HXD3、HXD3B、HXD3C。和谐型系列机车电气系统的主、辅回路均采用了交流控制技术，系统的设计坚持起点高、技术领先的原则，采用先进、成熟、可靠的技术，按照标准化、系列化、模块化、信息化的总体要求进行全方位设计的。

2主电气系统

机车主电气电路主要由网侧电路、主变压器、牵引变流器及牵引电机构成，如图1所示。其中和谐型系列电力机车网侧电路主要由受电弓、主断路器、台避雷器、高压电压传感器、高压电流传感器、高压隔离开关、主变压器原边、回流侧互感器和接地碳刷等组成。下面主要从主变压器、变流器和牵引电机三个方面进行比较。

图1简化主电气电路

2.1HXD1型电力机车主电路特点

（1）主变压器

采用EFAT6744型电力机车牵引变压器。其内除主变压器外，还装有两台100HZ滤波电抗器。它们装在一个邮箱内，共用一个冷却系统。主变压器是单相变压器，卧式结构，采取车体下悬安装方式。

（2）牵引变流器

每台机车由2节车组成，每节车设有1个牵引变流柜，每个牵引变流柜由2套相互独立的变流器组成。一个变流器包含2个并联的四象限整流器、1个牵引逆变器和1个辅助逆变器等。

（3）牵引电机

采用西门子公司的1TB2624-0TD02型或国产化的JD160型鼠笼式三相异步牵引电动机，额定功率为1224千瓦，冷却方式为强迫通风，采用直接转矩控制（DTC）。

2.2HXD2型电力机车主电路特点

（1）主变压器

主变压器为模块化的卧式结构，包括1个原边绕组，4个牵引绕组，4个二次滤波电抗器，2个辅助滤波电抗器，强迫油循环风冷却系统以及内置的多种保护电器。

（2）牵引变流器

采用ONIX系统将IGBT技术应用于异步交流传动机车。牵引传动系统的每台牵引电机与1个牵引逆变器和1个四象限整流器相连，组成四个独立的驱动单元，这样每根车轴驱动可以单独切除，因此发生一个单独的故障后，1台机车上仍保持3/4牵引功率。

（3）牵引电机

牵引电动机采用由永济电机公司国产化的YJ90A型牵引电机（阿尔斯通公司原型号为6FRA4567B型），该型电动机为六极三相鼠笼式异步牵引电动机，定子采用全叠片无机壳结构以减轻重量和改善散热，额定功率为1224千瓦，冷却方式为强迫通风，采用磁场定向直接转矩控制。

3辅助电气系统

辅助电气系统是由三相输出辅助电源、充电机、辅助负载、低压电器和辅助控制单元等组成。

3.1HXD1型电力机车辅助电气系统特点

HXD1型电力机车辅助电气系统由集成在牵引变流器内的辅助逆变器供电。两个辅助逆变器分别从牵引变流器的一路中间直流环节取电，通过滤波变压器和一组滤波电容器滤波后向两个三相支路供电。230V/60Hz单相交流支路由一个440V/230V变压器从三相恒频恒压支路取电。直流负载支路由蓄电池充电机供电。

3.2HXD2型电力机车辅助电气系统特点

两个独立的辅助变流器均采用IGBT技术。每个辅助变流器包括降压斩波器和逆变器，直接由主电路中间回路供电，变压器不用设辅助绕组。在正常模式下，一个辅助变流器为定频载荷供电，另一个为变频载荷供电。如果一个辅助变流器驱动失效，另一个将为蓄电池充电器和整个机车的辅助载荷供电。蓄电池充电器单节车采用冗余设计，每两节车也互为冗余，保证了110V电源的可靠性。

3.3HXD3型电力机车辅助电气系统特点

在HXD3型机车中，其三相辅助电路采用了辅助变流器给机车的各类辅助电机供电，三相辅助变流系统是采用日本东芝公司现有成熟的辅助传动变流技术，由两组辅助变流器组成。每组辅助变流器的功率均为230kVA，它们分别是APU1和PU2。APUl和APU2分别同2套牵引变流器安装在一起，组成两组功率变流柜。其风冷部分共用一个通风机和通风道，简化了机车通风系统，减少了牵引变流器和辅助变流器之间的电气接口，有利于设备安装、检修和维护。

4微机控制系统

机车控制监视系统，简称TCMS可以实现以下功能：根据司机指令完成对机车逻辑控制、主变流器及牵引电机控制、辅助变流器控制、牵引特性控制、制动特性控制、定速控制、半自动过分相控制，机车运行状态显示，具备故障保护、显示、记忆，并在一定程度上可以自动排除、切换故障。

4.1HXD1型电力机车微机控制系统特点

HXD1型电力机车装载了西门子公司开发的“SIBAS32”32位微机控制系统和列车通信网络（TCN），并安装了“Locotrol”多机牵引无线同步控制系统和克诺尔公司的“CCBII”微机控制电空制动系统。“SIBAS32”系统采用集散控制模式，由中央控制单元（CCU）、牵引控制单元（TCU）、辅助控制单元（ACU）、液晶显示屏（HMI）和外设智能接口（KLIP）构成，并采用网络控制系统进行数据通信，由绞线列车总线（WTB）和多功能车辆总线（MVB）两级网络构成，使机车控制系统具有控制、监测、传输、故障诊断、显示和存储功能。

4.2HXD2型电力机车微机控制系统特点

HXD2型电力机车采用了阿尔斯通公司开发的“Agate”微机网络控制系统，该系统是基于WorldFIP网络通信总线，网络架构分为FIP车辆网络（FIPV）和FIP列车网络（FIPT）两级，其中FIPV负责每节机车内部各设备的信息交换，而FIPT用于两节机车之间或两组重联机车之间的通信；控制系统具有全面的机车控制、监测、传输、故障诊断、显示和存储功能。由基本硬件和软件模块组成：MPU（主处理）、CRT（牵引传动控制模块）、CRA（辅助控制模块）、RIOMS（远程输入输出模块）、DDU（司机室显示器）等。

5结论

通过对和谐型系列机车的电气系统的分析，掌握了各系列机车交流电气系统的特点，为机车的运营和管理提供可靠的技术支持。

参考文献：

[1]黄济荣.电力牵引交流传动与控制.北京：机械工业出版社，1999.

[2]王立民，郝凤荣.HXD3型交流传动电力机车电气系统.铁道机车车辆，2008.

[3]连级三.电传动机车概论.成都：西南交通大学，2001.

电动车控制器篇5

关键词轨道交通交流传动逆变器调压调频分类号

1交流传动系统与直流传动系统的比较

随着电力电子器件、控制理论和计算技术的发展,交流传动已经逐步在取代直流传动,并显示了其在性能价格比和运行性能上的优势.自1970年bbc公司开发的第一台交流传动内燃机车de2500问世以来,到目前已有数千台交流传动机车和电动车组投入运营.交流传动机车的粘着系数比直流传动机车高约10%,且交流传动机车的电机型式一般采用结构简单、可靠性好、寿命长,几乎免维护的鼠笼式异步电机。交流传动机车与直流传动机车的性能比较如表1所示[1].

交流传动机车较直流传动有相当大的优越性,目前,欧洲和日本等工业化国家铁路工业部门,已基本停止了直流传动电力机车的生产[2].与斩波器─直流电机斩波调压电气传动系统相比,调压调频(vvvf)逆变器─交流电机的系统主电路变得十分简单.主要由高速断路器、

表1交流传动机车与直流传动机车的性能比较

少了电阻发热的危害.现在,以斩波器为核心的直流传动电动车组也逐步让位于以vvvf为核心的交流传动电动车组,如日本的东京、韩国的汉城、德国的汉堡和法兰克福、美国的波特兰[3]等.

2我国城市轨道交通传动系统的现状和发展趋势

国内城市轨道交通(除香港外)发展比较缓慢,除了地铁以外,几乎没有城区和近郊的地面轨道交通.而地铁交通,目前也只有北京、天津、上海和广州等城市开通运营.

2.1供电制式

以北京和天津为代表的北方地区采用dc750v供电电压制式,允许电压波动范围为dc500v～dc900v,第三轨受流;以上海和广州为代表的南方地区采用dc1500v供电电压制式,允许电压波动范围为dc1000v～dc1800v,架空接触网受电弓受流.

上述两种供电电压制式都是国际电工委员会推荐的,都能满足城市轨道交通供电的要求.但是,从减少城市轨道交通牵引供电系统的电能损失和电压降,延长供电距离以降低牵引变电站的数量及投资,以及从降低受流接触网的悬挂重量、降低结构复杂性及投资而言,采用dc1500v的牵引供电电压制式比采用dc750v的牵引供电电压制式显然要经济得多.高耐压电力电子变流器件的不断发展,如4500v的gto、3300v的igbt等,为采用dc1500v供电的城市轨道交通牵引传动系统提供了可靠的技术保障.因此,今后我国的城市轨道交通牵引传动系统的供电电压制式的发展趋势应该是逐步采用统一的dc1500v.

2.2牵引传动系统

北京的地铁列车采用国产电动车组,牵引控制装置为凸轮调阻和斩波调阻方式,牵引电机为直流电机.正在新建的复八线(复兴门─八王坟)线长16.7km,预计1999年10月1日通车,牵引控制装置采用gto元件的vvvf逆变器,牵引电机为鼠笼式交流电机,主机由日本东洋电机公司制造.

天津的地铁列车采用国产电动车组,牵引控制装置为凸轮调阻器方式,牵引电机为直流电机.上海的地铁列车采用德国进口的电动车组,牵引控制装置为调压斩波器,牵引电机为直流电机.正在新建的新线,也将采用vvvf逆变器的交流传动装置.广州地铁列车于1997年6月投入试运行,全部采用进口电动车组,牵引控制装置为gto元件的直交vvvf逆变器,牵引电机为鼠笼式交流电机.

由上可见,我国今后城市轨道交通的牵引传动系统的发展会普遍采用vvvf逆变器和鼠笼式异步电机的交流传动系统.

3基于北京地铁的交流传动系统逆变器国产化方案

国产化交流传动系统采用由电压源vvvf逆变器控制三相交流牵引电机的方式.该系统主要包括如下设备:主控制器、vvvf逆变器系统(包括逆变器主电路和控制器)、高速断路器箱、l2c滤波器、鼠笼式异步牵引电机、主隔离开关和主熔断器、母线隔离开关和高速熔断器、接地开关箱和接地装置[4]等.以上这些设备除了vvvf逆变器外,其它设备国产化比较容易实现,而且不少设备已经在北京地铁列车上使用.这里着重讨论vvvf逆变器的国产化方案.

3.1vvvf逆变器结构型式

笔者建议交流传动系统vvvf逆变器的开关器件选用已商品化的大功率快速开关器件igbt模块(若市场有供货,也可选用集成了驱动和保护电路的igbt模块,即ipm模块).已商品化的大功率igbt器件目前有:800a/1700v、1200a/1700v、800a/2500v、1200a/2500v、800a/3300v、1200a/3300v等.本方案之所以选用igbt,而不选用gto,是因为igbt与gto相比有如下优点[5]:①开关频率较高,提高逆变器输出波形质量,使得噪声水平和电机损耗较低,igbt的开关频率为1khz时,电磁噪声能下降3～4db;②门控简单,触发能耗较低,只有gto的1/20;③吸收电路非常简单,其能耗只有gto吸收电路的1/60;④保护系统简化,且短路时可自关断保护;⑤可靠性较高,备品可减少到原gto备品的1/10;⑥相同容量装置的重量和尺寸大大减少.

当然,无论选用igbt,还是选用gto,这种大容量的开关元器件国内厂家都不能生产,均需要从国外公司进口.采用igbt后,由于元器件成本下降,逆变器系统要简化得多,故国产化更易实现.

我国城市轨道交通的供电电压是直流750v(允许500～900v变化)和直流1500v(允许1000v～1800v变化),故vvvf逆变器主电路结构选用电压型二电平三相逆变器结构即可.对于直流750v供电的交流传动vvvf逆变器,igbt器件耐压可选1700v或2500v;对于直流1500v供电的交流传动vvvf逆变器,igbt器件耐压可选3300v.

3.2控制方案

城市轨道交通牵引列车中,交流传动系统常见的逆变器─电机控制方案有两种:第一种是1台逆变器控制4台电机;第二种是1台逆变器控制2台电机.针对北京复八线地铁列车来说,1台电机的额定容量为180kw,故第一种方案逆变器容量需要1000kva左右,第二种方案逆变器容量需要500kva左右即可.笔者建议采用第二种控制方案,即1台逆变器控制2台电机的方案.理由如下:①城市轨道交通车辆一般都是四轴车,第二种方案是1台逆变器控制一个转向架的2台电机,与第一种方案1台逆变器控制两个转向架上4台电机相比,第二种方案能更充分利用轮轨之间的粘着系数,更有利于列车牵引力的发挥;②采用第二种方案,每台逆变器需要从散热器上移走的热量减少一半,这使得散热的处理更加容易;③对于现行的三动三拖六辆编组的列车来说,如果列车上1台逆变器发生故障,被切除运行,那么对于第一种方案列车的牵引动力将损失1/3,而对于第二种方案列车的牵引动力只损失1/6.由此可见,采用第二种方案列车故障时的运行能力优于第一种方案;④现有的igbt器件电流水平是1200a,采用第一种方案至少需要4只igbt并联,采用第二种方案只需两只igbt并联.ig2bt两只并联均流比4只并联均流更容易些.

3.3vvvf逆变器控制模式

北京地铁列车的最高运行速度是80km/h,平均速度为35～40km/h.其速度控制由逆变器来实现.牵引电机的转速、直流侧电压、逆变器三相输出电压等检测信号送入逆变器的控制电路中,由逆变器控制器按照运行指令和电机牵引特性的要求计算出电压和频率指令,并转化为pwm开关信号来控制逆变器的开关器件,从而实现电机(电动车组)的速度控制.对于轨道交通牵引来说,逆变器─电机系统应该满足下列要求[6～8]:平稳典型起动、抑制滑行和空转、再生制动、调速范围宽.为此,电动车组从起动到停车的调速控制模式如下:

(1)恒转矩牵引控制阶段.该阶段转差频率(fs)一定、电压/频率(v/f)一定,逆变器输出频率按速度要求逐渐增大,对逆变器输出电压实行pwm控制,可以保持牵引力恒定,电机电流基本不变.该阶段对电机零速到基速之间调速适用.

(2)恒功率牵引控制阶段.逆变器输出电压达到最大值后保持不变,使电机的转差频率随逆变器频率增加,维持电机电流不变,从而得到恒功率控制.该阶段电机牵引力随逆变器输出频率的上升成反比减少,相当于直流电机的弱磁控制.该阶段从电机基速一直持续到转差频率达到所给定的最大值.

(3)自然特性牵引控制阶段.这一阶段逆变器输出电压保持最大值不变,转差频率也保持最大值不变,逆变器输出频率随速度要求逐渐增大,电机电流与频率成反比逐渐减少,直到最高运行速度.该阶段电机牵引力与逆变器频率的平方成反比减少,相当于串激直流电机在最弱磁场下的自然特性.

(4)再生制动自然特性控制阶段.这一阶段与控制模式(3)的阶段相同,只是速度变化由高到低.电机电流随逆变器输出频率的减少成反比增大,本应持续到下一个阶段,但由于逆变器容量的限制,决定了电机电流的上限,当电机电流达到最大值后将实行恒流控制.这时制动力矩随逆变器频率的降低成反比例增加,相当于直流复励电机的电流限制区.

(5)再生制动恒转矩控制阶段一.逆变器电压仍保持最大值,控制时使转差频率的绝对值与逆变器频率的平方成正比,逆变器频率随着电机的速度逐渐下降.该阶段电机电流基本上与逆变器频率成反比减少,使得制动力矩保持恒定.

(6)再生制动恒转矩控制阶段二.这一阶段与控制模式(1)的阶段相同,只是速度变化由高到低.再生制动恒转矩控制可以持续到速度降到5km/h,然后切除电制动,转换到空气制动,直到停车.3.4vvvf逆变器系统主要技术指标

(1)供电输入电压额定电压为dc750v;变化范围为dc500v～dc900v;再生制动时为直流侧电压不高于1000v.

(2)额定容量2×500kva;最大输出容量为2×600kva(牵引时).

(3)元器件规格开关器件igbt─1700v/1200a,内含续流二极管.

(4)控制组合1台逆变器控制2台180kw的鼠笼式电机.

(5)逆变器控制器采用16位单片机与数字信号处理器(dsp)相结合,dsp实现高速运算,16位单片机完成pwm脉冲,达到对逆变器的高速高精度的控制.

(6)输出电压幅值为0～550v三相交流,频率为1～150hz,三相不平衡度为基波电压不超过5%.(7)效率额定工况不低于95%.

(8)冷却方式热管交换热能,走行风自然冷却.

3.5牵引电机主要电参数与性能

型式为三相4极鼠笼式异步电机,输出功率为180kw(小时制),额定电压为550v,额定电流为240a,额定频率为77hz,额定效率92%,额定功率因数0.85,耐压强度:在高温条件下加压ac3700v(50hz)1min,无闪络.

3.6vvvf逆变器系统保护功能

vvvf逆变器内设监控装置用于故障分析和维修.逆变器系统具有各项保护功能,其中轻微故障引起的保护动作在系统恢复正常后或主控制器操作回零后自动复位.

(1)控制电路欠电压保护控制电路的110v电源电压低于72v时封锁igbt脉冲,并切断主电路电压;电压高于77v时恢复正常.

(2)主电路欠电压保护电压低于450v,持续0.2s,切断主电路,封锁igbt脉冲;电压低于325v,切断主电路,封锁igbt脉冲;电压高于500v时恢复正常.

(3)主电路过电压保护电压高于1050v,持续1s,切断主电路,封锁igbt脉冲,开放放电电阻;电压高于1100v,切断主电路;电压高于900v时恢复正常.

(4)输出过电流保护当逆变器输出电流超过设定值后封锁igbt脉冲;过流消失0.5s后,恢复正常.若释放脉冲后仍过流,则再次封锁igbt脉冲,并切断主电路.

(5)输出缺相保护三相检测电流整流后,电流波动大于设定值,则封锁igbt脉冲,切断主电路.

(6)轮对空转或滑行保护减少电机输出电流,依照预定曲线实行再粘着控制.

(7)散热器过热保护散热器温度超过80℃时,封锁igbt脉冲,切断主电路.

(8)igbt短路保护一旦igbt短路,依照短路保护程序,封锁igbt脉冲,不可恢复.

(9)电流传感器故障保护三相电流之和的绝对值大于设定值时,封锁igbt脉冲,切断主电路.

4辅助电源系统

辅助电源是给客室照明、客室通风机、司机室空调机、蓄电池组浮充电电源及系统控制设备供电的电源,其容量为40kw.

该辅助电源由igbt升降压dc/dc变换器(即斩波器)把直流500～900v的电网电压变为直流750v的稳定电压,再由igbt静止逆变器把直流750v的电压逆变为380v、50hz的交流电压,再由工频变压器变压并整流以得到所需的电压.由于采用igbt作为开关器件,故在dc/dc变换器结构上毋需二重化,交流输出端也不需交流滤波器.

(1)输出电压及容量三相交流负载为电压380×(1±0105),频率(50±1)hz,24kw;直流负载一为电压110×(1±0101),15kw;直流负载二为电压24×(1±0101)1

(2)逆变器效率90%1

(3)逆变器过载能力150%过载,10s后自动停机;200%过载,立即停机1

(4)使用温度-20℃～+40℃1

(5)保护功能静止逆变器与vvvf逆变器相同.dc/dc变换器输出电压大于800v时,停机保护.

5交流传动系统逆变器国产化的可能性

对于城市轨道交通列车所需的交流传动vvvf逆变器、辅助电源的dc/dc变换器(即斩波器)和静止逆变器的研制与产品化,从目前的技术水平看,我国完全能够自力更生来实现.我国铁路系统于1996年研制成功了ac4000型交流传动电力机车原型车.目前正在开展200km/h交流传动高速动车组研制.

笔者提出了基于北京地铁的轨道交通交流传动逆变器系统的国产化方案,认为采用1700v电压等级的igbt构成二电平vvvf逆变器用于直流750v供电的交流传动系统是合适的,也是可行的.对于辅助电源,我国已有在8k电力机车上成功应用的经验,可供轨道交通列车辅助电源设计的参考.

参考文献

1柏华.基于双微机结构的异步牵引电机直接力矩控制系统的研制:[学位论文].北京:铁道科学研究院机车车辆研究所,1998.

2铁道科学研究院机车车辆研究所.城市轨道交通列车国产化论证报告.北京:铁道科学研究院机车车辆研究所,1998.

3西门子交通技术部.牵引变流器发展战略.1997.

4奥地利政府交通部.铁路机车和动车用的牵引变流器.中—奥铁路技术研讨会上的报告,1996.

5三菱电机株式会社.交流电机传动控制技术交流会资料.1996.

6郑树选主编.8k型电力机车.北京:中国铁道出版社,1994.