高铁用改进型永磁电机速度采集装置
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作者:李雪江 吕阳 董平
摘 要：基于旋转变压器（RDC）的永磁电机速度采集对电磁环境比较敏感，测量发现高铁永磁牵引变流器四象限模块投入工作时刻，即使在信号线屏蔽接地情况下其内部复杂的电磁环境对速度信号的干扰也十分剧烈，导致既有采集装置会工作异常，无法完成电机控制功能。基于多反馈巴特沃斯有源模拟低通滤波器（BWF）技术研制的改进型永磁电机速度采集装置解决了此问题。该装置具备测量精度高，抗干扰性好等优点，试验验证效果良好。
关键词：高铁 永磁电机 速度采集装置 旋转变压器（RDC）
中图分类号：TM 351 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（a）-0087-02
伴随着电机技术的不断发展，永磁同步电机以其突出的优异性能开始在轨道交通牵引领域日趋广泛应用。为了保证永磁电机发挥良好的牵引制动特性，电机速度采集的稳定性和精确度非常重要。目前永磁电机主流测速方案是采集和解码来自RDC输出的正余弦模拟信号实现。但在大功率高铁永磁场合其工作时内部的电磁环境十分复杂，试验测量过分相工况后四象限模块投入工作时刻对RDC传递的模拟信号干扰剧烈，导致基于既有永磁采集装置的信息解码异常，无法使用电机的速度和位置信息建立正常牵引控制。因此需要研制适用于复杂电磁环境下的高铁永磁电机速度采集装置。本文介绍了基于多反馈巴特沃斯有源低通模拟滤波器技术的永磁电机速度采集装置，相比既有装置具备测量精度高，抗干扰性强，可靠性好等优点。
1 技术方案
高铁的电机控制是根据多传感器反馈的车辆工况信息按照特定的算法完成的，对数据采集提出了高实时性、高可靠性的要求。鉴于电机的速度和位置信息对于永磁电机控制的dq坐标系以及Id和Iq的闭环控制的重要性[1]，需保证高铁永磁在复杂电磁环境下RDC解码信息的正确性、稳定性和可靠性。由于RDC的激励以及反馈信号的强关联性，单纯的使用软件FIR滤波器处理反馈信号效果并不明显，需在硬件前端加强滤波器设计，保证模拟信号的纯净。充分考虑几种有源滤波器的频响特性[2]，最终选择多阶巴特沃斯低通滤波器实现激励和正、余弦反馈信号的EMC抗干扰设计。采用专用集成芯片实现RDC解码[3]，DSP+FPGA控制架构实现采集计算、逻辑管理和诊断控制功能。
2 设计实现
2.1 硬件设计
2.1.1 硬件框图
本采集装置充分吸取和借鉴TEC3000平台的设计及项目的应用经验，采用4DSP+FPGA的全新控制架构，装置的硬件框图如图1所示。
2.1.2 硬件组成及功能
本装置由电源、控制、通信、数据采集部分组成。硬件均采用了工业级以上标准的器件。主要部分硬件的具体设计如下。
（1）电源部分：装置由专用的电源板供电，模拟部分±15V电源经过EMC滤波后直接使用，控制部分電源采用TI的高可靠性EP类电源产品进行设计，由DC/DC电源和LDO电源由5V降压生成，分别为FPGA和DSP提供3.3V IO电源、1.2V CORE电源、2.5V辅助电源。控制电源具有掉电保护功能，当FPGA检测到外部电源掉电后，内部电源能够确保保护逻辑执行和关键数据的保存。
（2）控制部分：以4片TI公司的C6000系列浮点DSP加1片Xilinx公司的Spartan6系列大容量FPGA为架构来进行搭建。该部分主要完成装置的实时控制、粘着控制、逆变控制。主要包括时钟电路、复位及电源监视电路、数据缓存及存储电路。每片DSP使用一片SDRAM实现控制数据的缓冲，一片NORFLASH用于存储启动配置程序。FPGA配置程序从外部FLASH加载。
（3）通信部分：作为整个装置数据交换的接口，对外采用以太网接口，选用集成了CSMA/CD 协议的媒体访问控制层MAC和物理层PHY的LAN91C111芯片来设计，便于C6000的DSP的EMIF接口扩展实现可自适应工作于100/10Mbit/s和全双工/半双工的模式。控制单元内部采用AMS总线实现与其他装置的数据交互。
（4）数据采集部分：主要包含电压/电流、电机速度信号。电压/电流信号采用ADI公司的AD7606芯片来实现。速度采集部分是本装置设计的重点，采用ADI公司专为RDC解码设计的AD2S1210芯片，FPGA为解码芯片提供驱动，同时采集解码数据信息上传给DSP控制使用。基于既有装置的实验表现重点采取三方面来提高采集系统的抗干扰性。
①增益变换电路，该电路可以兼容不同变比的RDC，在RDC耐受的范围内提高激励信号的幅值，降低了正/余弦调理电路的幅值。提高了信号在传输通道上的信噪比。
②激励和正余弦反馈电路采用基于多反馈巴特沃斯有源低通滤波器技术滤除复杂电磁环境下的对模拟信号干扰。其中激励驱动频率10kHz，截止频率fc=30kHz。
③增加主动EMC器件，进一步保证RDC与装置接口电路的ESD和浪涌防护性能。
本装置相对于既有装置的其它重要改进如下：
（1）采用大容量FPGA器件，利用内部存储容量开辟缓存空间，基于成熟可靠的软件实现DPRAM的数据交互功能，取消实体DPRAM芯片，降低成本，提高可靠性。
（2）RDC激励部分由三极管搭建的推挽电路修改为专用的集成电流放大器进行设计，减少PCB布局空间。电路设计更加灵活，通过不同的BOM配比可以适用多品牌的旋转变压器规格。 2.2 软件设计
为实现本装置功能，软件主要包含2部分：运行于FPGA的逻辑控制和解码芯片驱动程序以及运行于DSP 的电压/电流、速度计算和电机控制程序。
2.2.1 FPGA程序
FPGA芯片采用Xilinx公司的Spartan6系列大容量高性能产品，采用Verilog 语言编程。主要完成供电监视及硬件喂狗信号输出、LED指示灯控制、网络控制芯片的逻辑控制、ADC 芯片、RDC解码芯片的地址分配以及驱动、FLASH 的地址分配、内部多DSP的EMIF总线交互和外部AMS总线通信的逻辑控制和数据传输等功能。
2.2.2 DSP程序
DSP程序采用C语言进行编程，主要实现电压/电流、速度计算以及电机控制功能，它包括如下几个功能块：驱动初始化、数据缓存与记录存储、以太网通信、AMS通讯、EMIF通讯、电压/电流模数转换数据计算、速度计算及诊断、电机实时控制等。速度计算和诊断软件基本流程如图2所示。
3 试验验证
改进型高铁永磁速度采集装置做了如下实验验证：
（1）通过了GB/T 25119-2010规定的电子装置各项检验，完成型式试验认证。
（2）通過了中铁检验认证中心高压试验，验证了复杂电磁环境下的抗干扰性能，装置对比效果如图3所示，表明本装置采集效果良好，具备较强的抗干扰能力。即使在旋变信号线不屏蔽的情况下装置的信号采集和电机控制功能依然正常。
另通过表1的速度采集对比数据看，本装置采集转速波动较小，精度更高。
（3）通过了温度可靠性试验，经过低温启动及运行、高温启动及运行、温度循环试验的考核[4]，产品的温度工作极限在-45℃～95℃，完全满足现行轨道交通电子装置的运行环境温度要求。
4 结语
通过重点改进装置控制数据交互链路、RDC激励驱动以及数据采集电路的方案设计，新研制的高铁永磁速度采集装置抗干扰性能显著提高，数据采集精度相对提高5rpm/min左右，能够完全满足在复杂电磁环境下电机控制算法对速度采集数据稳定性和实时性的要求，可实现对既有永磁采集装置的兼容升级替代。该采集装置的成功研制，进一步丰富了TEC3000平台的产品谱系。目前已经成功扩展应用在多个永磁牵引项目上，运行稳定可靠，具备进一步批量推广价值。
参考文献
[1] 郑汉锋，许峻峰，张朝阳，等.永磁同步电机高速弱磁控制比较分析[J].机车电传动，2016（3）：5-8.
[2] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].5版.北京：高等教育出版社，2015.
[3] Precision Resolverto-Digital Converter Measures Angular Position and Velocity [EB/OL].2014.
[4] 吕阳，刘莉娜，郑良广，等.KZ4A型机车用传动控制单元改进型故障存储装置[J].机车电传动，2015（3）：53-55.
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