CN102106071A - 交流电车的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的交流电车的控制装置，包括对将由交流架空线经由变压器输入的交流电压转换为直流电压的PWM整流器(3)的动作进行控制的整流器控制部(20)，由整流器控制部(20)执行的计算处理被至少划分为第一～第六计算处理框，该第一～第六计算处理框由FPGA构成，并且第一～第三计算处理框及第四、第五计算处理框可以同时进行并行处理。

Description

交流电车的控制装置
技术领域
本发明涉及交流电车的控制装置，特别是涉及将整流器部的控制计算由FPGA(Field Programmable Gate Alley，现场可编程门阵列)来进行处理的交流电车的控制装置。
背景技术
以往的交流电车的控制装置中的整流器控制部的典型结构，例如如下述专利文献1的图2等所示。在包含该专利文献1所示的整流器控制部的以往的整流器控制部中，利用整流器控制的控制计算比较多的是以模拟量的加减乘除为主的计算的集合体，由于利用浮动小数点数的计算的结构容易，因此使用DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)的利用软件的计算处理成为主流。
专利文献1：日本专利特开昭62-77867号公报
发明内容
本发明要解决的问题
如上所述，在以往的交流电车的控制装置的整流器控制部中，是以使用DSP的利用软件的计算处理为中心而构成。
然而，利用DSP的软件计算的情况存在的问题是：一般而言与硬件计算相比无法加快处理速度，难以进一步提高控制精度。
另外，利用DSP的软件计算成为主体的情况存在的问题是：在处理速度比较快的控制模块(硬件)、和处理速度较慢的控制模块(软件)之间的数据交换中，会产生意外的延迟或定时偏离，结果，在由于整流器动作而产生的返回线电流的高次谐波中重叠有理想上不会产生的电源频率的非同步分量，妨碍其他信号设备的动作。
此外，还考虑变更为以利用FPGA的计算处理为中心的结构，以代替使用DSP的利用软件的计算处理。然而存在的问题是：由于整流器控制部的计算是以模拟量的加减乘除为主的计算，因此为了利用进行固定小数点数的计算的FPGA进行具有高精度的计算，需要较大的位数，结果，本来是FPGA的特征的处理速度较快的计算会难以实现。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种交流电车的控制装置，在将整流器控制部的控制计算由FPGA来进行处理的情况下，可以防止处理速度的下降，确保期望的控制精度，并降低返回线高次谐波的影响。
用于解决问题的方法
为了解决上述问题、达到目的，本发明所涉及的交流电车的控制装置，适用于具有将由交流架空线经由变压器而输入的交流电压转换为直流电压的PWM整流器的交流电车，包括控制该PWM整流器的动作的整流器控制部，其特征在于，由上述整流器控制部执行的计算处理被划分为多个计算处理框，上述划分的多个计算处理框由FPGA构成，并且该被划分的多个计算处理框的若干个计算处理框可以同时进行并行处理。
发明的效果
根据本发明所涉及的交流电车的控制装置，由于由整流器控制部执行的计算处理框被划分为多个计算处理框，并且该划分的多个计算处理框由FPGA构成，且该被划分的多个计算处理框的若干个计算处理框可以同时进行并行处理，因此可以得到如下效果：可以防止处理速度的下降，确保期望的控制精度，并降低返回线高次谐波的影响。
附图说明
图1是表示将本发明的实施方式所涉及的整流器控制部的结构作为主体的功能框图。
图2是表示图1所示的整流器控制部20中的各个处理的流程的图。
图3是表示图2所示的信号输入处理、A/D转换处理框的具体处理内容的图。
图4是表示适用于与图1不同结构的交流电车的控制装置的结构的图。
图5是表示适用于与图1及图4不同结构的交流电车的控制装置的结构的图。
标号说明
10导电弓、2主变压器、3PWM整流器、4负载、6a～6d A/D转换器、7a、7b滤波器、8基本正弦波生成部、9余弦波生成部、10a～10c运算放大器、11a～11e加减运算器、12乘法运算器、13恒压控制部、14载波生成部、15PWM信号生成部、18架空线、20整流器控制部、21第一计算处理部、22第二计算处理部、23第三计算处理部、24第四计算处理部、25第五计算处理部、26第六计算处理部、31信号输入处理、A/D转换处理框、32A第一计算处理框、32B第二计算处理框、32C第三计算处理框、33A第四计算处理框、33B第五计算处理框、34A第六计算处理框、34B第七计算处理(载波生成处理)框、35第八计算处理(PWM信号生成处理)框、36信号输出处理框、41第一处理期间、42第二处理期间、43第三处理期间、44第四处理期间、45第五处理期间、46第六处理期间、51整流器直流电压Vd的A/D转换处理、52整流器输出电流IL的A/D转换处理、53架空线电压Vs的A/D转换处理、54整流器输入电流Is的A/D转换处理、55直流电压基准Vd*的信号输入处理、56增益常数G1、G2、G3的输入处理、57滤波器常数的输入处理
具体实施方式
下面参照附图，详细说明本发明所涉及的交流电车的控制装置的实施方式。另外，本发明不限于以下所示的实施方式。
图1是表示将本发明的实施方式所涉及的整流器控制部的结构作为主体的功能框图，在上部表示交流电车的驱动***，在下部表示构成交流电车的控制***的整流器控制部20。
在图1中，在交流电车的驱动***中包括：将来自交流架空线18的交流电输入的导电弓1；将从导电弓1提供的交流电作为输入的主变压器2；施加有主变压器2的交流电压、将施加的交流电压转换为直流电压的PWM整流器3；对PWM整流器3的直流电压进行滤波的滤波电容器(以下记为“FC”)5；以及由利用FC5进行滤波的直流电压所驱动的负载4而构成。此外，负载4中，包含将从PWM整流器3输出的直流电压转换为交流电压的逆变器、施加有该逆变器的交流电压的交流电动机、由交流电动机驱动的铁路车辆等。
另一方面，构成交流电车的控制***的整流器控制部20包括：第一～第六计算处理部21～26、载波生成部14、PWM信号生成部15、以及AD转换器6(6a～6d)而构成。
第一计算处理部21包括滤波器7a、加减运算器11a、恒压控制部13，基于内部所生成的预定的直流电压基准Vd*、实际的整流器直流电压Vd，算出直流电压校正量Vda。此外，整流器直流电压Vd例如如图所示，可以使用检测FC5的两端电压的检测值。
第二计算处理部22包括运算放大器(图中的“G1”表示增益值，以下同样图示)10a，基于整流器输出电流IL来算出整流器输入电流的前馈量(以下称为“2次电流前馈量”)Isf。此外，整流器输出电流IL例如如图所示，可以使用对将PWM整流器3与负载4相连的直流母线所流过的电流进行检测的检测值。
第三计算处理部23包括滤波器7b、基本正弦波生成部8，基于架空线电压Vs的滤波器输出来算出基本正弦波SWF。此外，第三计算处理部23除了输出基本正弦波SWF，同时经由滤波器7b，还输出有架空线电压Vs0。
第四计算处理部24包括加减运算器11b、11c、乘法运算器12、运算放大器10b，基于直流电压校正量Vda、2次电流前馈量Isf基本正弦波SWF、以及整流器输入电流Is，算出生成后述的整流器电压基准Vc所需的第一校正量Vsp。
第五计算处理部25包括余弦波生成部9、运算放大器10c、加减运算器11e，基于架空线电压滤波器输出Vs0、整流器输入电流Is，算出生成整流器电压基准Vc所需的第二校正量Vci。
第六计算处理部26包括加减运算器11d，基于第一校正量Vsp、第二校正量Vci，算出整流器电压基准Vc。
载波生成部14基于基本正弦波SWF，算出生成PWM信号所需的载波SA。
PWM信号生成部15基于整流器电压基准Vc和载波SA，生成输出用于驱动PWM整流器3所具有的开关元件(未图示)的PWM信号。
此外，在图1中，示出了具有算出2次电流前馈量Isf的第二计算处理部22的结构，但省略第二计算处理部22也可以进行整流器控制。但是，第二计算处理部22是可以同时进行计算的处理部，成为说明本实施方式的动作方面关键的处理部之一。因此，在以后的说明中，以包含第二计算处理部22为前提进行说明。
接下来，参照图1及图2的各附图，对整流器控制部20的更详细的动作进行说明。此处，图2是表示图1所示的整流器控制部20中的各个处理的流程的图。
在本实施方式所涉及的整流器控制部20中，将由整流器控制部20执行的各部计算处理等，如图2所示，划分为整个整流器控制部的处理周期T1内的第一处理期间41～第六处理期间46的6个处理期间。具体而言，在第一处理期间41中，执行信号输入处理、A/D(模拟/数字)转换处理框31所涉及的处理，在第二处理期间42中，执行第一计算处理框32A、第二计算处理框32B及第三计算处理框32C所涉及的各个处理，在第三处理期间43中，执行第四计算处理框33A及第五计算处理框33B所涉及的各个处理，在第四处理期间44中，执行第六计算处理框34A及第七计算处理(载波生成处理)框34B所涉及的各个处理，在第五处理期间45中，执行第八计算处理(PWM信号生成处理)框35所涉及的处理，在第六处理期间46中，执行信号输出处理框36所涉及的处理。
此外，在图2中，示出了使第五计算处理框33B及第七计算处理框34B所涉及的各个处理的开始时期、与第四计算处理框33A所涉及的处理的开始时期一致，但不限于此。例如，第五计算处理框33B可以比第四计算处理框33A先行实施，并且，也可以将第三处理期间43内的任意的时间点设定为处理的开始时间点，以使自己的处理的完成时期与第四计算处理框33A的处理完成时期大致一致。另外，第七计算处理框34B可以将第三处理期间43及第四处理期间44所涉及的各个处理期间内的任意的时间点设定为处理的开始时间点，以使自己的处理的完成时期与第六计算处理框34A的处理完成时期大致一致。
接下来，说明各个处理框。在信号输入处理、A/D转换处理框31中，包含由A/D转换器6a～6d进行的A/D转换处理、运算放大器10a～10c中的各增益的设定处理、滤波器7a、7b中的滤波器常数的输入处理等。另外，第一计算处理框32A与由第一计算处理部21执行的处理对应。下面，同样，第二计算处理框32B与由第二计算处理部22执行的处理对应，第三计算处理框32C与由第三计算处理部23执行的处理对应，第四计算处理框33A与由第四计算处理部24执行的处理对应，第五计算处理框33B与由第五计算处理部25执行的处理对应，第六计算处理框34A与由第六计算处理部26执行的处理对应。并且，第七计算处理(载波生成处理)框34B与由载波生成部14执行的处理对应，第八计算处理(PWM信号成处理)框35与由PWM信号生成部15执行的处理对应。另外，信号输出处理框36与将PWM信号输出至PWM整流器3时的接口处理等对应。
接下来，将本实施方式所涉及的整流器控制部20的动作与图1所示的各构成要素和图2所示的各个处理框建立关系来进行说明。
(第一计算处理部21的动作)
输入至整流器控制部20的整流器输出电压Vd，利用A/D转换器6a转换为数字信号(信号输入处理、A/D转换处理框31)。转换后的数字信号被输入至第一计算处理部21内的滤波器7a，由加减运算器11a算出直流电压基准Vd*与滤波器7a的输出之差，由恒压控制部13算出直流电压校正量Vda(第一计算处理框32A)。
(第二计算处理部22的动作)
输入至整流器控制部20的整流器输出电流IL，利用A/D转换器6b转换为数字信号(信号输入处理、A/D转换处理框31)。转换后的数字信号由第二计算处理部22内的运算放大器10a，算出乘以增益G1的2次电流前馈量Isf(第二计算处理框32B)。
(第三计算处理部23的动作)
输入至整流器控制部20的架空线电压Vs，利用A/D转换器6d转换为数字信号(信号输入处理、A/D转换处理框31)。转换后的数字信号被输入至第三计算处理部23内的滤波器7b，生成架空线电压滤波器输出Vs0，并且架空线电压滤波器输出Vs0被输入至基本正弦波生成部8，算出基本正弦波SWF(第三计算处理框32C)。
此外，由于这些第一计算处理部21～第三计算处理部23的动作可以同时进行并行处理，因此可以在FPGA上使用不同电路进行计算处理。
(第四计算处理部24的动作)
输入至整流器控制部20的整流器输入电流Is，利用A/D转换器6c转换为数字信号(信号输入处理、A/D转换处理框31)。另一方面，第一计算处理部21～第三计算处理部23所产生的各输出即直流电压校正量Vda、2次电流前馈量Isf基本正弦波SWF被输入至第四计算处理部24。此处，直流电压校正量Vda和2次电流前馈量Isf被输入至第四计算处理部24内的加减运算器11b，其加法运算输出Isp利用乘法运算器12与基本正弦波SWF相乘，算出整流器输入电流基准Is*，并且由加减运算器11c算出其与利用A/D转换器6c转换为数字信号的整流器输入电流Is的偏差ΔIs，由运算放大器10b算出乘以增益G2的第一校正量Vsp(以上为第四计算处理框33A)。
(第五计算处理部25的动作)
利用A/D转换器6c转换为数字信号的整流器输入电流Is还被输入至第五计算处理部25内的余弦波生成部9(信号输入处理、A/D转换处理框31)。在第五计算处理部25中，基于整流器输入电流Is由余弦波生成部9生成余弦波CWF，并且由运算放大器10c算出乘以增益G3的校正量VL。算出的校正量VL和从第三计算处理部23输入的架空线电压滤波器输出Vs0被输入至加减运算器11e，算出其减法运算输出作为第二校正量Vci(以上为第五计算处理框33B)。
此外，由于这些第四计算处理部24及第五计算处理部25的动作可以同时进行并行处理，因此可以在FPGA上使用不同电路进行计算处理。
(第六计算处理部26的动作)
第四计算处理部24及第五计算处理部25所产生的各输出即第一校正量Vsp及第二校正量Vci，被输入至第六计算处理部26内的加减运算器11d，算出其减法运算输出作为整流器电压基准Vc(第六计算处理框34A)。
(载波生成部14的动作)
在载波生成部14中，基于从第三计算处理部23输入的基本正弦波SWF，算出生成PWM信号所需的载波SA(第七计算处理框34B)。此外，载波生成部14所涉及的计算处理可以与上述第四计算处理部24及第五计算处理部25所涉及的各计算处理并行实施，也可以与上述第六计算处理部26所涉及的计算处理并行实施。
(PWM信号生成部15的动作)
在PWM信号生成部15中，基于由上述第六计算处理部26算出的整流器电压基准Vc、由载波生成部14算出的SA，生成驱动PWM整流器3的PWM控制信号(第八计算处理框35)。另外，生成的PWM控制信号向PWM整流器3输出(信号输出处理框36)。
如上所述，在本实施方式所涉及的整流器控制部中，将各计算处理等在整个整流器控制部的处理周期T1内进行，并且由FPGA进行，以使这些各计算处理容纳在处理周期T1内。
图3是表示图2所示的信号输入处理、A/D转换处理框的具体处理内容的图。如图3所示，在信号输入处理、A/D转换处理框中，进行整流器直流电压Vd的A/D转换处理51、整流器输出电流IL的A/D转换处理52、架空线电压Vs的A/D转换处理53、整流器输入电流Is的A/D转换处理54、直流电压基准Vd*的信号输入处理55、增益常数G1、G2、G3的输入处理56、滤波器常数的输入处理57等处理。
此处，考虑由FPGA实现整流器控制部的计算的情况，将用于各计算的常数事先装入FPGA。然而，FPGA的逻辑变更与软件的逻辑变更相比，需要特殊的器材，操作比较麻烦。因此，例如在调整的阶段欲变更控制部的常数时无法简单进行变更操作，为了调整要花费时间。
另一方面，在本实施方式所涉及的整流器控制部中，如图3所示，由于在信号输入处理、A/D转换处理框31中，从软件读入控制计算所使用的增益常数G1～G3或滤波器常数的设定或者变更，因此不会产生为了调整要花费时间这样的问题。即，在本实施方式所涉及的整流器控制部中，由于以软件变更来实现增益常数或滤波器常数的变更，因此不需要变更FPGA装入常数这样的特别的器材或步骤，可以使调整容易，缩短时间。
此外，在图2及图3所示的处理中，增益常数或滤波器常数的读入是在各个处理周期的开头执行的，但不限于此。例如，也可以在接通电源之后这样的预先决定的定时进行读入处理，可以得到与本实施方式同样的效果。
如上所述，根据本实施方式所涉及的交流电车的控制装置，在由FPGA来实现整流器控制部的计算时，由于在整流器控制所需的多个计算处理中，将若干可以同时计算的计算处理进行组合来进行并行处理，因此虽然是位数较大的固定小数点数计算，但可以实现高速的处理。
另外，根据本实施方式所涉及的交流电车的控制装置，由于可以使整流器控制所需的多个计算处理在利用FPGA的处理中全部完成，因此可以避免处理速度不同的不控制模块间的意外的处理延迟或定时偏离等。其结果，可以降低由于整流器动作而产生的返回线高次谐波，可以减小对于其他信号设备的动作的影响。
另外，根据本实施方式所涉及的交流电车的控制装置，由于可以以软件的变更来实现控制计算中所使用的增益常数或滤波器常数的变更，因此不需要变更FPGA装入常数这样的特别的器材或步骤，可以使调整容易，缩短调整时间。
图4是表示适用于与图1不同的结构的交流电车的控制装置的结构的图。在图1的控制装置中，监视作为架空线电压Vs的主变压器2的1次侧的电压，但在图4的控制装置中，监视主变压器2的3次侧的电压。此外，虽然构成为监视主变压器2的3次侧的电压，但通过将整流器控制部20构成为与图1相同或者等同的结构，也当然可以得到与上述的控制装置同样的效果。
另外，图5是表示适用于与图1及图4不同的结构的交流电车的控制装置的结构的图。图1的交流电车是具有1台PWM整流器而构成的，但图5的交流电车相对于负载并联连接有2台PWM整流器。在这样的交流电车的情况下，如图5所示，通过将第一计算处理部21及第二计算处理部22通用，另一方面将第三计算处理部23～第六计算处理部26、以及载波生成部14和PWM信号生成部15分别设置，可以分割为与图2同样的计算处理框来进行处理。所以，即使是图5所示的控制装置的构成，当然也可以得到与上述的控制装置同样的效果。
另外，在本实施方式所涉及的控制装置中，由于将信号输入处理、A/D转换处理框及信号输出处理框36以外的计算处理框划分为第一～第八计算处理框，因此即使如图1、图4、图5所示那样变更交流电车的规格、结构、或者控制装置的规格、结构的情况下，由于仅与该规格等变更对应来变更所需的计算框即可，因此可以容易进行机种变更、调整，缩短时间。另外，由于对于故障等出现的问题容易将故障分开，因此可以容易复原和提高装置的可靠性。
此外，如本实施方式所示，在将控制装置的计算处理划分为第一～第八计算处理框的情况下，各部分的资源减小，FPGA上的配置的自由度增加。因此，可以维持高速计算处理，并可构成多个比较小型的FPGA，还可以使整个控制装置小型化。
工业上的实用性
如上所述，本发明所涉及的交流电车的控制装置，作为可以由FPGA来处理整流器部的控制计算的发明是有用的。

Claims (8)

1.一种交流电车的控制装置，适用于具有将由交流架空线经由变压器而输入的交流电压转换为直流电压的PWM整流器的交流电车，包括控制该PWM整流器的动作的整流器控制部，其特征在于，
由所述整流器控制部执行的计算处理被划分为多个计算处理框，所述被划分的多个计算处理框由FPGA构成，并且该被划分的多个计算处理框的若干个计算处理框可以同时进行并行处理。
2.如权利要求1所述的交流电车的控制装置，其特征在于，
包含由所述FPGA构成的计算处理框的计算中所使用的增益常数及滤波器常数的常数的设定或者变更，由该FPGA构成的计算处理框以外的处理框中的软件处理进行。
3.如权利要求1或2所述的交流电车的控制装置，其特征在于，
在由所述FPGA构成的多个计算处理框中，包含：第一计算处理部，基于预定的直流电压基准、实际的整流器直流电压，算出并输出直流电压校正量；第二计算处理部，基于整流器输出电流，算出并输出整流器输入电流的前馈量；以及第三计算处理部，输出经由滤波器的架空线电压，并且根据架空线电压的滤波器输出算出基本正弦波输出。
4.如权利要求3所述的交流电车的控制装置，其特征在于，
所述第一计算处理部、所述第二计算处理部以及所述第三计算处理部可以同时进行并行处理。
5.如权利要求1～4中任一项所述的交流电车的控制装置，其特征在于，
在由所述FPGA构成的多个计算处理框中，包含：第四计算处理部，基于直流电压校正量、整流器输入电流的2次电流前馈量、基本正弦波、以及整流器输入电流，算出并输出生成整流器电压基准所需的第一校正量；以及第五计算处理部，基于架空线电压的滤波器输出、整流器输入电流，算出生成整流器电压基准所需的第二校正量。
6.如权利要求5所述的交流电车的控制装置，其特征在于，
所述第四计算处理部及所述第五计算处理部可以同时进行并行处理。
7.如权利要求5或6所述的交流电车的控制装置，其特征在于，
在由所述FPGA构成的多个计算处理框中，包含：第六计算处理部，基于所述第一校正量、所述第二校正量，算出并输出整流器电压基准；第七计算处理部，基于基本正弦波，算出并输出生成用于驱动所述PWM整流器的PWM信号所需的载波；以及第八计算处理部，基于所述整流器电压基准、所述载波，生成并输出所述PWM信号。
8.如权利要求7所述的交流电车的控制装置，其特征在于，
所述第六计算处理部及所述第七计算处理部可以同时进行并行处理。
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