CN110531682B - 轨道车辆通用牵引控制平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道车辆通用牵引控制平台及方法，所述牵引控制平台包括主处理单元、与主处理器连接的逆变器运算采集单元和四象限辅助运算采集单元、网络通信单元和通用IO采集单元，主处理单元包括设有逻辑控制模块的主处理器，网络通信单元分别与主处理器和通用IO采集单元进行通信；逆变器运算采集单元设有模拟量数据采集模块Ⅰ、用于控制逆变器输出电压的牵引逆变器控制模块和用于控制牵引电动机转矩的防滑防空转控制模块；四象限辅助运算采集单元设有模拟量数据采集模块Ⅱ、用于控制移相角度的四象限整流控制模块和用于控制逆变器输出电压和频率的辅助控制模块。本发明融合牵引控制和辅助控制，并将运算和采集融合，可靠性高，简化了控制流程。

Description

轨道车辆通用牵引控制平台及方法

技术领域

本发明属于轨道车辆控制技术领域，涉及轨道车辆牵引控制技术，具体地说，涉及一种轨道车辆通用牵引控制平台及方法。

背景技术

现代轨道交通技术以客运高速、货运重载为主要标志，牵引控制***是列车动力来源，技术难度最大。牵引控制单元作为牵引控制***主要控制单元，其作用是实现列车牵引、制动运行的动力控制，其重要性不言而喻。牵引控制的核心技术长期被国外轨道交通巨头垄断，国内开展相关技术的研究起步较晚，目前已有部分厂商开发出了具备独立知识产权的控制设备，例如：具有主知识产权的满足时速350公里中国标准动车组应用的牵引控制单元(简称：TCU)和辅助控制单元(简称：ACU)，牵引控制单元与辅助控制单元各自对牵引控制***进行控制，因此，需要两套控制***，硬件结构及控制流程复杂，可靠性相对较差，且成本高，牵引辅助变流器的设计难度大。

发明内容

本发明针对现有牵引控制***存在的可靠性低、控制流程复杂等上述问题，提供了一种可靠性高、控制流程简单的轨道车辆通用牵引控制平台及方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种轨道车辆通用牵引控制平台，包括主处理单元、运算采集单元、网络通信单元和通用IO采集单元，其中：

所述主处理单元包括主处理器，所述主处理器设有逻辑控制模块，用于根据获取的数据生成控制命令；

所述网络通信单元分别与所述主处理器和通用IO采集单元进行通信，用于将通用IO采集单元采集的数据转发至所述主处理器；

所述运算采集单元包括分别与所述主处理器连接的逆变器运算采集单元和四象限辅助运算采集单元；

所述逆变器运算采集单元设有模拟量数据采集模块Ⅰ、牵引逆变器控制模块和防滑防空转控制模块，所述模拟量数据采集模块Ⅰ用于采集模拟量数据，所述牵引逆变器控制模块用于进行牵引逆变器控制算法运算，控制逆变器的输出电压，所述防滑防空转控制模块用于进行防滑防空转控制算法运算，控制牵引电动机转矩；

所述四象限辅助运算采集单元设有模拟量数据采集模块Ⅱ、四象限整流控制模块和辅助控制模块，所述模拟量数据采集模块Ⅱ用于采集模拟量数据，所述四象限整流控制模块用于进行四象限整流控制算法运算，控制移相角度，所述辅助控制模块用于进行辅助控制算法运算，控制逆变器的输出电压和频率。

进一步的，还包括设有PCI总线的背板，所述主处理单元、运算采集单元、网络通信单元和通用IO采集单元均安装于背板上，所述主处理单元、运算采集单元、网络通信单元均与PCI总线连接。

优选的，所述通用IO采集单元包括多个背板硬件接口相同的IO板卡，每个IO板卡均包含多路相同功能的硬件模块和IO板卡编码信息，IO板卡的底层驱动软件自动识别自身编码信息，通过网络通信单元传递给所述主处理器，与设于所述主处理器内的IO配置信息进行对比，使所有IO板卡的配置与主处理器内的IO配置信息匹配。

优选的，所述网络通信单元为设有共享内存的网络通信板卡，所述主处理器与所述网络通信板卡的共享内存进行数据交互。

进一步的，还包括安装于所述背板上的多个背板硬件接口相同的光纤接口板卡，所述光纤接口板卡与运算采集单元进行通信；每个光纤接口板卡均包括多路相同功能的硬件模块和光纤接口板卡硬件编码信息，光纤接口板卡接口自动识别硬件编码信息，使能光纤接口板卡。

进一步的，所述主处理单元还包括与所述主处理器连接的故障数据记录模块，当主处理器检测到故障发生时，触发故障数据记录模块，将故障信息存储至故障数据记录模块。

优选的，所述故障数据记录模块包括快速故障记录模块、逻辑故障记录模块和过程数据记录模块，所述快速故障记录模块用于记录算法运算控制过程中产生的故障，所述逻辑故障记录模块用于记录逻辑控制过程中产生的故障，所述过程数据记录模块用于实时记录牵引控制***内各参数和状态信息。

优选的，所述主处理器设有通信控制模块，所述通信控制模块无缝接入车辆MVB总线与列车以太网总线。

优选的，所述逻辑控制模块包括用于产生四象限控制命令的四象限逻辑控制模块、用于产生逆变器控制指令的逆变器逻辑控制模块、用于产生斩波控制指令的斩波逻辑控制模块、用于产生辅助控制指令的辅助逆变器逻辑控制模块、用于产生IO控制指令的***IO逻辑控制模块以及用于产生故障处理指令的故障处理逻辑控制模块。

优选的，所述逆变器运算采集单元为安装于所述背板上的逆变器运算采集卡，所述逆变器运算采集卡包括FPGA Ⅰ、与所述FPGA Ⅰ的共享内存的进行数据传输的DSP Ⅰ、与所述FPGA Ⅰ的共享内存的进行数据传输的DSP Ⅱ以及MCU Ⅰ；所述FPGA Ⅰ通过PCI总线与所述主处理器连接，所述模拟量数据采集模块设于所述FPGA Ⅰ内；所述DSP Ⅰ和所述DSP Ⅱ内均设有所述牵引逆变器控制模块和所述防滑防空转控制模块；所述MCU Ⅰ分别与所述FPGA Ⅰ、DSP Ⅰ和DSP Ⅱ连接，用于FPGA Ⅰ、DSP Ⅰ和DSP Ⅱ的在线更新和启动管理。

进一步的，所述FPGA Ⅰ内还设有用于进行故障快速保护的快速故障保护模块以及用于牵引逆变脉冲输出和斩波控制的脉冲发生模块。

优选的，所述四象限辅助运算采集单元为安装于所述背板上的辅助运算采集卡，所述辅助运算采集卡包括FPGA Ⅱ、与所述FPGA Ⅱ的共享内存的进行数据传输的DSP Ⅲ、与所述FPGA Ⅱ的共享内存的进行数据传输的DSP Ⅳ以及MCU Ⅱ；所述FPGA Ⅱ通过PCI总线与所述主处理器连接，所述模拟量数据采集模块设于所述FPGA Ⅱ内；所述四象限整流控制模块设于所述DSP Ⅲ内，所述辅助控制模块设于所述DSP Ⅳ内；所述MCU Ⅱ分别与所述FPGA Ⅱ、DSP Ⅲ和DSP Ⅳ连接，用于FPGA Ⅱ、DSP Ⅲ和DSP Ⅳ的在线更新和启动管理。

进一步的，所述FPGA Ⅱ内还设有用于进行故障快速保护的快速故障保护模块、用于辅助逆变、四象限整流脉冲输出和斩波控制的脉冲发生模块、用于四象限网压锁相环控制的锁相环控制模块、用于四象限网流谐波提取的谐波提取模块以及用于计算辅助接触器端有功分量和无功分量的功率计算模块。

进一步的，还包括安装于背板上的通信观测板卡，所述通信观测板卡通过列车以太网与上位机连接，所述通信观测板卡通过PCI总线与所述主处理器连接，所述通信观测板卡通过Observe线与所述FPGA Ⅰ和FPGA Ⅱ连接。

进一步的，还包括安装于背板上的电源板卡，所述电源板卡包括用于为所述牵引控制平台供电的***电源板卡、用于为传感器供电的传感器电源板卡以及用于为牵引控制***中逆变器的IGBT驱动板供电的驱动电源板卡。

进一步的，还包括安装于背板上的电源状态检测模块，所述电源状态检测模块与所述网络通信单元连接，通过电源状态检测模块对***电源板卡、传感器电源板卡及驱动电源板卡的电源状态包括欠压状态和电源输出状态进行检测，将电源状态信息转发至网络通信单元，网络通信单元再将电源状态信息实时传输给主处理器。

为了达到上述目的，本发明另提供了一种轨道车辆通用牵引控制方法，采用轨道车辆通用牵引控制平台，其具体步骤为:

牵引控制平台上电，通用IO采集单元与网络通信单元进行通信，将其采集的数字量数据和模拟量数据转发至网络通信单元，网络通信单元与主处理器进行通信，将接收于通用IO采集单元的数字量数据和模拟量数据转发至主处理器；模拟量数据采集模块Ⅰ和模拟量数据采集模块Ⅱ对模拟量数据进行采集，并将采集的模拟量数据转发至主处理器；

主处理器对外设初始化状态进行自检，通用IO采集单元和运算采集单元对各自的底层配置信息进行识别判断；同时主处理器的逻辑控制模块判断网压、网流；若底层配置信息出现故障，则主处理器将故障信息传递给整车网络TCMS，报出牵引控制平台离线故障；若底层配置信息正确，通信控制模块接收整车网络TCMS的列车牵引控制指令、制动控制指令、辅助控制指令，转发至主处理器和运算采集单元，主处理器结合收到的控制指令和采集的数据通过逻辑控制模块生成四象限整流指令、牵引逆变控制指令及辅助控制指令；

四象限整流控制模块接收到四象限整流指令后，将牵引变压器输入的交流电整流为直流电，使两重四象限的相位角度相互错开；

牵引逆变器控制模块接收到牵引逆变控制指令后，控制逆变器逆变，输出电压给牵引电动机，使牵引电动机产生转矩驱动列车运行；

辅助逆变控制模块接收到辅助控制指令后，调整逆变器的输出电压和频率，进行均流。

进一步的，主处理器结合收到的控制指令和采集的数据通过逻辑控制模块还生成防滑防空转指令，防滑防空转控制模块接收到防滑防空转指令后，控制牵引电动机的转矩，其控制牵引电动机的转矩的具体步骤为：基于轮对蠕滑速度、加速度对空转/滑行趋势进行识别，预测当前工况的最大粘着力，当识别出空转/滑行并确认空转/滑行后，再通过设定斜率消减牵引电动机的转矩，维持一段时间直至识别到轮对不再滑行，恢复牵引电动机的转矩。

优选的，所述牵引逆变控制模块采用基于间接磁场定向的矢量控制方法控制逆变器输出电压，其具体步骤为：设置转矩电流控制环和激磁电流控制环，励磁电流给定值由牵引电动机的转速计算获得，转矩电流给定值由整车网络TCMS分配给转向架轴的牵引力大小计算得到，转矩电流和励磁电流分别和反馈值计算偏差后经PI调节器输出电压给定值，加上解耦分量作为期望的输出电压；同时计算给定转差角速度，给定转差角速度和反馈牵引电动机的转速信号相加后得到同步角速度，同步角速度积分后作为输出电压矢量的角度；SVPWM调制器将期望的输出电压矢量转换为脉冲形式作用于逆变器，输出相应幅值和频率的电压给牵引电动机，产生转矩驱动列车运行。

优选的，通信采用安全通信协议，所述安全通信协议包括序列号、数据、安全编码和共享内存读写保护，用于辅助对报文进行超时判断和校验错误。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明将牵引控制和辅助控制进行融合，将运算和采集融合成运算采集单元，集成度提高，降低成本，可靠性高，功耗低，对提高列车牵引辅助变流器在市场的竞争力具有十分重要的意义，应用范围广。

(2)本发明主处理器设有逻辑控制模块，该模块包括四象限逻辑控制模块、逆变器逻辑控制模块、斩波逻辑控制模块、辅助变流器逻辑控制模块、***IO逻辑控制模块以及故障处理逻辑控制模块，各模块完成其逻辑控制功能，并相互交换信息构成整体控制逻辑，通过主处理器实现统一集成逻辑控制，简化控制流程，提高牵引控制的可靠性。

(3)本发明运算采集单元将运算、采集的硬件电路合二为一，采用分布式算法的架构，即采用FPGA+双DSP+MCU构架，不仅降低成本，运算、处理性能及数据通信可靠性也得到了大幅度提升，进一步提高牵引控制的可靠性。

(4)本发明各板卡均设有自己的编码信息，主处理器能够实时读取各板卡的编码信息，便于智能管理各板卡。

(5)本发明还具有电源状态检测功能、故障记录功能，实现全生命周期的信号追溯和管控，为健康管理和大数据提供数据支撑。

(6)本发明采用安全通信协议，通信协议由序列号、数据、安全编码和共享内存读写保护组成，能够辅助超时判断和校验错误，提高了内部数据通信的可靠性。

(7)本发明还可以通过逻辑配合整车网络TCMS实现车辆级测试及诊断功能，例如牵引力测试、辅助短路故障诊断等过程，实现列车智能化诊断功能。

附图说明

图1为本发明实施例轨道车辆通用牵引控制平台的结构框图；

图2a为本发明实施例逆变器运算采集单元的硬件结构框图；

图2b为本发明实施例辅助运算采集单元的硬件结构框图；

图3为本发明实施例IO数据流图；

图4为本发明实施例IO板卡的配置流程图；

图5为本发明实施例轨道车辆通用牵引控制平台的软件模块结构框图；

图6为本发明实施例逻辑控制模块控制框图；

图7为本发明实施例四象限整流控制模块控制框图；

图8为本发明实施例牵引逆变器控制模块控制框图；

图9为本发明实施例防滑防空转控制模块防滑防空转示意图；

图10为本发明实施例辅助控制模块控制框图；

图11为本发明实施例故障数据记录模块原理框图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

参见图1、图5，本发明一实施例提供了一种轨道车辆通用牵引控制平台，包括主处理单元、运算采集单元、网络通信单元和通用IO采集单元，其中：

所述主处理单元包括主处理器，所述主处理器设有逻辑控制模块，用于根据获取的数据生成控制命令；

所述网络通信单元分别与所述主处理器和通用IO采集单元进行通信，用于将通用IO采集单元采集的数据转发至所述主处理器；

所述运算采集单元包括分别与所述主处理器连接的逆变器运算采集单元和四象限辅助运算采集单元；

所述逆变器运算采集单元设有模拟量数据采集模块Ⅰ、牵引逆变器控制模块和防滑防空转控制模块，所述模拟量数据采集模块Ⅰ用于采集模拟量数据，所述牵引逆变器控制模块用于进行牵引逆变器控制算法运算，控制逆变器的输出电压，所述防滑防空转控制模块用于进行防滑防空转控制算法运算，控制牵引电动机转矩；

所述四象限辅助运算采集单元设有模拟量数据采集模块Ⅱ、四象限整流控制模块和辅助控制模块，所述模拟量数据采集模块Ⅱ用于采集模拟量数据，所述四象限整流控制模块用于进行四象限整流控制算法运算，控制移相角度，所述辅助控制模块用于进行辅助控制算法运算，控制逆变器的输出电压和频率。

具体地，继续参见图1，还包括设有PCI总线的背板，所述主处理单元、运算采集单元、网络通信单元和通用IO采集单元均安装于背板上，所述主处理单元、运算采集单元、网络通信单元均与PCI总线连接。将主处理单元、运算采集单元、网络通信单元和通用IO采集单元集成安装于背板上，便于操作和控制。

上述牵引控制平台中，所述主处理器设有通信控制模块，所述通信控制模块无缝接入车辆MVB总线与列车以太网总线。具体地，以太网协议控制协议内容与MVB控制协议内容相同，实现功能相同，可通过牵引控制平台更改配置或整车网络TCMS更改配置，实现控制模式的选择和切换。通信控制模块接收整车网络TCMS发送的牵引控制信号、制动控制信号、辅助控制信号，传递给牵引辅助控制逻辑及算法控制，结合接收到的信号以及自身控制、采集模块的信息进行逻辑和算法控制，将控制过程中产生的牵引控制***的状态、诊断及数据信息提供给整车网络TCMS，实现牵引辅助的控制功能。

上述牵引控制平台中，参见图6，所述逻辑控制模块包括用于产生四象限控制命令的四象限逻辑控制模块、用于产生逆变器控制指令的逆变器逻辑控制模块、用于产生斩波控制指令的斩波逻辑控制模块、用于产生辅助控制指令的辅助逆变器逻辑控制模块、用于产生IO控制指令的***IO逻辑控制模块以及用于产生故障处理指令的故障处理逻辑控制模块。逻辑控制模块运行于主处理器，采用统一逻辑处理，模块化设计，各个模块具有相对独立性，简化了控制流程，提高了牵引控制平台的可靠性。

具体地，参见图2a，所述逆变器运算采集单元为安装于所述背板上的逆变器运算采集卡，所述逆变器运算采集卡包括FPGA Ⅰ、与所述FPGA Ⅰ的共享内存的进行数据传输的DSP Ⅰ、与所述FPGA Ⅰ的共享内存的进行数据传输的DSP Ⅱ以及MCU Ⅰ；所述FPGA Ⅰ通过PCI总线与所述主处理器连接，所述模拟量数据采集模块设于所述FPGA Ⅰ内；所述DSP Ⅰ和所述DSP Ⅱ内均设有所述牵引逆变器控制模块和所述防滑防空转控制模块；所述MCU Ⅰ分别与所述FPGA Ⅰ、DSP Ⅰ和DSP Ⅱ连接，用于FPGA Ⅰ、DSP Ⅰ和DSP Ⅱ的在线更新和启动管理。作为优选实施方式，所述FPGA Ⅰ内还设有用于进行故障快速保护的快速故障保护模块以及用于牵引逆变脉冲输出和斩波控制的脉冲发生模块。FPGA Ⅰ实现模拟量采集、速度采集、故障快速处理、牵引逆变脉冲输出和斩波控制，DSP Ⅰ和DSP Ⅱ均能够实现牵引逆变器控制算法、防滑防空转控制算法的运算功能，可实现两台牵引电动机的独立运算。

具体地，参见图2b，所述四象限辅助运算采集单元为安装于所述背板上的四象限辅助运算采集卡，所述四象限辅助运算采集卡包括FPGA Ⅱ、与所述FPGA Ⅱ的共享内存的进行数据传输的DSP Ⅲ、与所述FPGA Ⅱ的共享内存的进行数据传输的DSP Ⅳ以及MCU Ⅱ；所述FPGA Ⅱ通过PCI总线与所述主处理器连接，所述模拟量数据采集模块设于所述FPGAⅡ内；所述四象限整流控制模块设于所述DSP Ⅲ内，所述辅助控制模块设于所述DSP Ⅳ内；所述MCU Ⅱ分别与所述FPGA Ⅱ、DSP Ⅲ和DSP Ⅳ连接，用于FPGA Ⅱ、DSP Ⅲ和DSP Ⅳ的在线更新和启动管理。作为优选实施方式，所述FPGA Ⅱ内还设有用于进行故障快速保护的快速故障保护模块、用于辅助逆变、四象限整流脉冲输出和斩波控制的脉冲发生模块、用于四象限网压锁相环控制的锁相环控制模块、用于四象限网流谐波提取的谐波提取模块以及用于计算辅助接触器端有功分量和无功分量的功率计算模块。FPGA Ⅱ实现模拟量采集，故障快速保护、脉冲输出、四象限网压锁相环控制、网络谐波提取和辅助接触器端有功无功分量计算。一个DSP实现四象限整流算法控制，一个DSP实现辅助算法控制。

具体地，所述网络通信单元设有共享内存的网络通信板卡，所述主处理器与所述网络通信板卡的共享内存进行数据交互。主处理器直接从网络通信板卡的共享内存中读取数据，数据传输速度快。

具体地，继续参见图1，所述通用IO采集单元包括多个背板硬件接口相同的IO板卡，每个IO板卡均包含多路相同功能的硬件模块和IO板卡编码信息，IO板卡的底层驱动软件自动识别自身编码信息，通过网络通信单元传递给所述主处理器，与设于所述主处理器内的IO配置信息进行对比，使所有IO板卡的配置与主处理器内的IO配置信息匹配。IO板卡通过自动识别自身编码信息，与主处理器内的配置信息进行对比，保证本发明上述牵引控制平台内所有IO板卡配置都是正确的，进一步提高了牵引控制平台的通信可靠性、配置灵活性。进一步的，IO板卡可灵活配置，用户只需要下载配置文件，主处理器根据配置文件，对IO板卡进行配置，无需更改硬件背板和任何底层驱动软件，即可实现功能不同的牵引控制平台。IO板卡数据流参见图3，配置过程参见图4，具体为：

牵引控制平台用户配置文件通过PC上位机将配置信息通过以太网发送给主处理器，主处理器读取配置信息，并通过其自身的外设管理模块将解析后的配置信息包括IO板卡信息、MVB端口信息和以太网信息写入外部存储器中进行存储，将解析后的IO板卡信息包括每个IO板卡通信节点信息送至网络通信单元内部的共享内存，将解析后的MVB端口信息通过MVB总线与整车网络TCMS进行信息交互。网络通信单元读出共享内存中的CAN通信节点信息，通过CAN总线依次向IO板卡周期性发送CAN通信节点，轮询所有IO板卡，IO板卡根据自身槽位信息与发送的CAN通信节点进行通信，完成牵引控制平台的状态、诊断和命令等信息的交互。

IO板卡上电后，IO板卡的底层驱动软件自动读取IO板卡自身编码信息，通过网络通信单元转发给主处理器，与主处理器内的IO板卡配置的编码信息进行对比，若两者不匹配，IO板卡的底层驱动软件会报出硬件故障，硬件中会有相应的LED故障指示灯指示故障，若两者匹配，IO板卡的底层驱动软件会读取当前槽位的IO板卡编码信息，保证牵引控制平台内所有IO板卡配置都是正确的。

具体地，继续参见图1，上述牵引控制平台还包括安装于背板上的电源板卡，所述电源板卡包括用于为所述牵引控制平台供电的***电源板卡、用于为传感器供电的传感器电源板卡以及用于为牵引控制***中逆变器的IGBT驱动板供电的驱动电源板卡。通过***电源板卡给牵引控制平台供电，使牵引控制平台工作。通过传感器电源板卡给牵引控制***中的传感器供电，使传感器工作，实时采集牵引控制***中的相关模拟量数据。通过驱动电源板卡给逆变器中的IGBT驱动板供电，驱动IGBT工作。

继续参见图1，在一优选实施方式中，上述通用牵引控制平台还包括安装于所述背板上的多个背板硬件接口相同的光纤接口板卡，所述光纤接口板卡与运算采集单元进行通信；每个光纤接口板卡均包括多路相同功能的硬件模块和光纤接口板卡硬件编码信息，光纤接口板卡接口自动识别硬件编码信息，使能光纤接口板卡。具体地，每个光纤板卡均由多路光电转换单元和电光转换单元组成，光电转换单元包括多路选择器、缓冲器和光电转换电路；电光转换单元包括多路选择器、缓冲器和电光转换电路。牵引控制平台上电之后，光纤接口板卡可自动识别硬件编码信息，使能光纤接口板卡。此外，可根据项目实际需求，灵活配置光纤接口板卡的数量。

为了应对上述牵引控制***运行过程中发生的各种问题，保证牵引控制***安全、可靠、稳定运行，需要对牵引控制***发生各种问题进行分析判断，然后做出相应的处理。根据传感器采集的电压、电流、温度、速度信号，接触器状态的反馈信号和IGBT故障信号，故障可以分为过压、欠压、过流、过载、短路、超温等故障。为了对上述故障进行数据记录，上述牵引控制平台中，作为优选实施方式，所述主处理单元还包括与所述主处理器连接的故障数据记录模块，当主处理器检测到故障发生时，触发故障数据记录模块，将故障信息存储至故障数据记录模块。其中，存储的故障信息包括：故障代码、故障发生时间及故障相关的变量。辅助技术人员进行前期调试，在后期运营阶段为现场售后人员排查故障提供数据来源，辅助售后人员分析和解决故障。

具体地，参见图11，所述故障数据记录模块包括快速故障记录模块、逻辑故障记录模块和过程数据记录模块，所述快速故障记录模块用于记录算法运算控制过程中产生的故障，所述逻辑故障记录模块用于记录逻辑控制过程中产生的故障，所述过程数据记录模块用于实时记录牵引控制***内各参数和状态信息。主处理器接收来自DSP的故障触发条件，触发故障数据的存储条件，这其中故障包括牵引逆变器控制算法和逻辑判断出的故障，FPGA内部判断发生过压、过流或者IGBT等严重故障；DSP实时将关键数据写入共享内存中，主处理器接收到故障记录触发条件，从共享内存中读出缓存数据，包括故障发生时间点前m包数据和故障发生时间点后的n包数据，然后将缓存的数据依次写入到快速故障记录模块中。主处理器接收牵引控制逻辑的故障触发条件，CPU对逻辑数据进行缓存，逻辑发生故障时刻，CPU读出缓存的逻辑数据，包括故障发生时间点前m包数据和故障发生时间点后的n包数据，然后将缓存的数据依次写入到逻辑故障记录模块中。过程数据记录模块用于实时记录牵引控制***内各参数和状态信息，每半个小时为单位记录一个文件，保存一周的数据，超过时间或过程数据记录模块最大容量，实时删除最早的过程数据文件。本实施例中，主处理器为CPU，快速故障记录模块和逻辑故障记录模块均设于SATA盘内，过程数据记录模块设于CF卡内。

由于现场整车调试时，调试设备和测试手段受现场条件限制，并且都是密闭式机箱，不方便在电路板上面焊接引线，到示波器或者数据记录仪等设备上观测实时信号。继续参见图1，在一优选实施方式中，上述牵引控制平台还包括安装于背板上的通信观测板卡，所述通信观测板卡通过列车以太网与上位机连接，所述通信观测板卡通过PCI总线与所述主处理器连接，所述通信观测板卡通过Observe线与FPGA Ⅰ和FPGA Ⅱ连接。牵引控制平台可以很方便的根据控制算法和逻辑需求实时观测一些关键数据变量，通过通信观测板将实时观测的数据变量通过以太网上传至上位机，通过上位机实时绘图和显示，便于现场工作人员调试。

在一优选实施方式中，上述牵引控制平台还包括安装于背板上的电源状态检测模块，所述电源状态检测模块与所述网络通信单元连接，通过电源状态检测模块对***电源板卡、传感器电源板卡及驱动电源板卡的电源状态包括欠压状态和电源输出状态进行检测，将电源状态信息转发至网络通信单元，网络通信单元再将电源状态信息实时传输给主处理器。通过牵引控制平台对***电源板卡、传感器电源板卡和驱动电源板卡的电源状态包括欠压状态和电源输出状态进行检测，将电源状态信息转发至网络通信单元，网络通信单元再将电源状态信息实时传输给主处理器，电源发生故障，***工作不正常时，方便现场工作人员快速定位故障点，并进行维修。

本发明上述牵引控制平台，牵引控制过程中产生的牵引控制***状态、诊断及数据信息提供给整车网络TCMS，实现牵引辅助控制。本发明上述牵引控制平台，将牵引控制和辅助控制融合，将运算和采集融合，且牵引控制平台通过主处理器统一集成逻辑控制，集成度高，可靠性高，成本低。能够实现对牵引变流器的所有IO接口控制、模拟量采集、牵引控制、防滑防空转控制、四象限整流控制、辅助控制、脉冲生成和反馈检测、网络通信、逻辑控制、监控维护及分析调试等。各软件按照功能进行模块化设计，各功能模块具有相互独立性，同时模块之间有严格的信号接口定义，通过标准总线(PCI总线、CAN总线、MVB总线、以太网总线等)进行数据交互，保证数据可靠、真实、有效。

本发明另一实施例，提供了一种轨道车辆通用牵引控制方法，采用上述轨道车辆通用牵引控制平台，其具体步骤为:

S1、牵引控制平台上电，通用IO采集单元与网络通信单元进行通信，将其采集的数字量数据和模拟量数据转发至网络通信单元，网络通信单元与主处理器进行通信，将接收于通用IO采集单元的数字量数据和模拟量数据转发至主处理器；模拟量数据采集模块Ⅰ和模拟量数据采集模块Ⅱ对模拟量数据进行采集，并将采集的模拟量数据转发至主处理器；

S2、主处理器对外设初始化状态进行自检，通用IO采集单元和运算采集单元对各自的底层配置信息进行识别判断；同时主处理器的逻辑控制模块判断网压、网流；若底层配置信息出现故障，则主处理器将故障信息传递给整车网络TCMS，报出牵引控制平台离线故障；若底层配置信息正确，通信控制模块接收整车网络TCMS的列车牵引控制指令、制动控制指令、辅助控制指令，转发至主处理器和运算采集单元，主处理器结合收到的控制指令和采集的数据通过逻辑控制模块生成四象限整流指令、牵引逆变控制指令及辅助控制指令；

S3、四象限整流控制模块接收到四象限整流指令后，将牵引变压器输入的交流电整流为直流电，使两重四象限的相位角度相互错开；

S4、牵引逆变器控制模块接收到牵引逆变控制指令后，控制逆变器逆变，输出电压给牵引电动机，使牵引电动机产生转矩驱动列车运行；

S5、辅助逆变控制模块接收到辅助控制指令后，调整逆变器的输出电压和频率，进行均流。

作为上述通用牵引控制方法的一优选实施方式，还包括以下步骤：主处理器结合收到的控制指令和采集的数据通过逻辑控制模块还生成防滑防空转指令，防滑防空转控制模块接收到防滑防空转指令后，控制牵引电动机的转矩。该步骤可以在上述步骤S3之后，步骤S4之前；也可在上述步骤S4之后，步骤S5之前；还可以上述步骤S5之后。具体地，参见图9，控制牵引电动机的转矩的具体步骤为：基于轮对蠕滑速度(包括轴速和机车速度)、加速度对空转/滑行趋势进行识别，预测当前工况的最大粘着力，当识别出空转/滑行并确认空转/滑行后，再通过设定斜率消减牵引电动机的转矩，维持一段时间直至识别到轮对不再滑行，恢复牵引电动机的转矩。

具体的，上述通用牵引控制方法步骤S3中，参见图7，四象限整流控制采用外环电压控制、内环电流控制的双闭环控制方法，可以保证在稳态和动态过程中对直流母线电压的良好控制，同时使电网侧的功率因数接近1，保证电能的有效利用。整车全部四象限整流采用协同的载波移相控制，控制角度根据整车网络TCMS下发的数据下发的数据进行设定，从而抑制高次谐波进入电网，使网侧电流的谐波满足技术指标要求。四象限整流控制过程中，FPGA负责模拟量采集、PWM脉冲生成、故障快速保护、执行网压数字锁相和网流谐波提取功能，其他控制算法由DSP负责执行。

具体地，上述通用牵引控制方法步骤S4中，所述牵引逆变控制模块采用基于间接磁场定向的矢量控制方法控制逆变器输出电压，其具体步骤为：参见图8，设置转矩电流控制环和激磁电流控制环两个控制环，励磁电流给定值

由牵引电动机的转速计算获得，转矩电流给定值

由整车网络TCMS分配给转向架轴的牵引力大小计算得到，励磁电流

和反馈值i_sd计算偏差后经PI调节器输出电压给定值u_sd，加上解耦分量u_sdc作为期望的输出电压

转矩电流

和反馈值i_sq计算偏差后经PI调节器输出电压给定值u_sq，加上解耦分量u_sqc作为期望的输出电压

同时计算给定转差角速度ω_s1，给定转差角速度ω_s1和反馈牵引电动机的转速信号ω_r相加后得到同步角速度ω_e，同步角速度积分后作为输出电压矢量的角度θ；SVPWM调制器将期望的输出电压矢量转换为脉冲形式作用于逆变器，输出相应幅值和频率的电压给牵引电动机，产生转矩驱动列车运行。基于转子磁场定向的矢量控制通过坐标变换建立等效他励直流电动机模型进行磁通和转矩的解耦控制，动态性能和静态性能好。

具体地，上述通用牵引控制方法步骤S4中，参见图10，所述辅助控制模块采用基于双dq变换锁相环和改进下垂法的无互联线并联控制，通过检测各逆变器单元自身输出的有功和无功分量，通过控制算法调整各逆变器单元自身输出的电压和频率，每个可并联逆变器仅检测本逆变器单元输出的有功功率和无功功率，按辅助控制模块中的算法调整本逆变器单元的输出电压和频率实现均流。辅助控制模块应用的主电路拓扑结构为为LC-T结构，即LC滤波器-变压器结构，各个并联的可并联逆变器之间没有互连线，经过LC滤波器、变压器，通过输出接触器并联在交流母线上，由于并联逆变器***没有互连线，辅助控制模块通过检测母线电压和各个可并联逆变器输出电流，经过自身控制算法调整各个逆变器器单元的输出电压和频率，进行均流；采集的电流为输出接触器之前的可并联逆变器的两相负载电流；采集的电压为两组母线线电压。并联下垂是根据计算得到的有功、无功分量调节输出电压和频率；锁相环节是将采集的数据做锁相处理，形成dq轴解耦分量，在DSP中完成；FPGA采集模拟量，生成PWM脉冲，故障快速保护，执行有功功率和无功功率的计算。控制算法实时性高，发挥了FPGA并行执行的优势，减轻了DSP的计算负担。

具体地，上述通用牵引控制方法中的通信采用安全通信协议，所述安全通信协议包括序列号、数据、安全编码和共享内存读写保护，用于辅助对报文进行超时判断和校验错误。其中，序列号是指在发送端和接收端交换的每一条报文增加一个流水号以便接收端校验报文的发送顺序。超时判断是指接收端可以校验两个报文间的时间间隔是否超过允许的最大时间，若超过，视为错误。安全编码是指对于安全相关的信息增加安全进程控制，例如：增加的CRC校验码。

本发明上述通用牵引控制方法采用分布式控制算法结构，将牵引控制和辅助控制进行融合，采用统一集成的逻辑控制，能够实现四象限整流控制、牵引逆变控制、防滑防空转控制、辅助逆变控制且上述四种控制分别由单独的控制模块通过自身的控制算法进行控制，简化控制流程，可靠性高。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (19)

1.一种轨道车辆通用牵引控制平台，其特征在于，包括主处理单元、运算采集单元、网络通信单元和通用IO采集单元，其中：

所述主处理单元包括主处理器，所述主处理器设有逻辑控制模块，用于根据获取的数据生成控制命令；

所述网络通信单元分别与所述主处理器和通用IO采集单元进行通信，用于将通用IO采集单元采集的数据转发至所述主处理器；

所述运算采集单元包括分别与所述主处理器连接的逆变器运算采集单元和四象限辅助运算采集单元；

所述逆变器运算采集单元设有模拟量数据采集模块Ⅰ、牵引逆变器控制模块和防滑防空转控制模块，所述模拟量数据采集模块Ⅰ用于采集模拟量数据，所述牵引逆变器控制模块用于进行牵引逆变器控制算法运算，控制逆变器的输出电压，所述防滑防空转控制模块用于进行防滑防空转控制算法运算，控制牵引电动机转矩；

所述四象限辅助运算采集单元设有模拟量数据采集模块Ⅱ、四象限整流控制模块和辅助控制模块，所述模拟量数据采集模块Ⅱ用于采集模拟量数据，所述四象限整流控制模块用于进行四象限整流控制算法运算，控制移相角度，所述辅助控制模块用于进行辅助控制算法运算，控制逆变器的输出电压和频率。

2.如权利要求1所述的轨道车辆通用牵引控制平台，其特征在于，还包括设有PCI总线的背板，所述主处理单元、运算采集单元、网络通信单元和通用IO采集单元均安装于背板上，所述主处理单元、运算采集单元、网络通信单元均与PCI总线连接。

3.如权利要求2所述的轨道车辆通用牵引控制平台，其特征在于，所述通用IO采集单元包括多个背板硬件接口相同的IO板卡，每个IO板卡均包含多路相同功能的硬件模块和IO板卡编码信息，IO板卡的底层驱动软件自动识别自身编码信息，通过网络通信单元传递给所述主处理器，与设于所述主处理器内的IO配置信息进行对比，使所有IO板卡的配置与主处理器内的IO配置信息匹配。

4.如权利要求2所述的轨道车辆通用牵引控制平台，其特征在于，还包括安装于所述背板上的多个背板硬件接口相同的光纤接口板卡，所述光纤接口板卡与运算采集单元进行通信；每个光纤接口板卡均包括多路相同功能的硬件模块和光纤接口板卡硬件编码信息，光纤接口板卡接口自动识别硬件编码信息，使能光纤接口板卡。

5.如权利要求2所述的轨道车辆通用牵引控制平台，其特征在于，所述主处理单元还包括与所述主处理器连接的故障数据记录模块，当主处理器检测到故障发生时，触发故障数据记录模块，将故障信息存储至故障数据记录模块。

6.如权利要求5所述的轨道车辆通用牵引控制平台，其特征在于，所述故障数据记录模块包括快速故障记录模块、逻辑故障记录模块和过程数据记录模块，所述快速故障记录模块用于记录算法运算控制过程中产生的故障，所述逻辑故障记录模块用于记录逻辑控制过程中产生的故障，所述过程数据记录模块用于实时记录牵引控制***内各参数和状态信息。

7.如权利要求6所述的轨道车辆通用牵引控制平台，其特征在于，所述主处理器设有通信控制模块，所述通信控制模块接入车辆MVB总线与列车以太网总线。

8.如权利要求6或7所述的轨道车辆通用牵引控制平台，其特征在于，所述逻辑控制模块包括用于产生四象限控制命令的四象限逻辑控制模块、用于产生逆变器控制指令的逆变器逻辑控制模块、用于产生斩波控制指令的斩波逻辑控制模块、用于产生辅助控制指令的辅助逆变器逻辑控制模块、用于产生IO控制指令的***IO逻辑控制模块以及用于产生故障处理指令的故障处理逻辑控制模块。

9.如权利要求2至7任意一项所述的轨道车辆通用牵引控制平台，其特征在于，所述逆变器运算采集单元为安装于所述背板上的逆变器运算采集卡，所述逆变器运算采集卡上设有FPGAⅠ、与所述FPGAⅠ的共享内存的进行数据传输的DSPⅠ、与所述FPGAⅠ的共享内存的进行数据传输的DSPⅡ以及MCUⅠ；所述FPGAⅠ通过PCI总线与所述主处理器连接，所述模拟量数据采集模块设于所述FPGAⅠ内；所述DSPⅠ和所述DSPⅡ内均设有所述牵引逆变器控制模块和所述防滑防空转控制模块；所述MCUⅠ分别与所述FPGAⅠ、DSPⅠ和DSPⅡ连接，用于FPGAⅠ、DSPⅠ和DSPⅡ的在线更新和启动管理。

10.如权利要求9所述的轨道车辆通用牵引控制平台，其特征在于，所述FPGAⅠ内还设有用于进行故障快速保护的快速故障保护模块以及用于牵引逆变脉冲输出和斩波控制的脉冲发生模块。

11.如权利要求9所述的轨道车辆通用牵引控制平台，其特征在于，所述四象限辅助运算采集单元为安装于所述背板上的四象限辅助运算采集卡，所述四象限辅助运算采集卡包括FPGAⅡ、与所述FPGAⅡ的共享内存的进行数据传输的DSPⅢ、与所述FPGAⅡ的共享内存的进行数据传输的DSPⅣ以及MCUⅡ；所述FPGAⅡ通过PCI总线与所述主处理器连接，所述模拟量数据采集模块设于所述FPGAⅡ内；所述四象限整流控制模块设于所述DSPⅢ内，所述辅助控制模块设于所述DSPⅣ内；所述MCUⅡ分别与所述FPGAⅡ、DSPⅢ和DSPⅣ连接，用于FPGAⅡ、DSPⅢ和DSPⅣ的在线更新和启动管理。

12.如权利要求11所述的轨道车辆通用牵引控制平台，其特征在于，所述FPGAⅡ内还设有用于进行故障快速保护的快速故障保护模块、用于辅助逆变、四象限整流脉冲输出和斩波控制的脉冲发生模块、用于四象限网压锁相环控制的锁相环控制模块、用于四象限网流谐波提取的谐波提取模块以及用于计算辅助接触器端有功分量和无功分量的功率计算模块。

13.如权利要求11所述的轨道车辆通用牵引控制平台，其特征在于，还包括安装于背板上的通信观测板卡，所述通信观测板卡通过列车以太网与上位机连接，所述通信观测板卡通过PCI总线与所述主处理器连接，所述通信观测板卡通过Observe线与所述FPGAⅠ和FPGAⅡ连接。

14.如权利要求13所述的轨道车辆通用牵引控制平台，其特征在于，还包括安装于背板上的电源板卡，所述电源板卡包括用于为所述牵引控制平台供电的***电源板卡、用于为传感器供电的传感器电源板卡以及用于为牵引控制***中逆变器的IGBT驱动板供电的驱动电源板卡。

15.如权利要求14所述的轨道车辆通用牵引控制平台，其特征在于，还包括安装于背板上的电源状态检测模块，所述电源状态检测模块与所述网络通信单元连接，通过电源状态检测模块对***电源板卡、传感器电源板卡及驱动电源板卡的电源状态包括欠压状态和电源输出状态进行检测，将电源状态信息转发至网络通信单元，网络通信单元再将电源状态信息实时传输给主处理器。

16.一种轨道车辆通用牵引控制方法，其特征在于，采用轨道车辆通用牵引控制平台，其具体步骤为:

牵引控制平台上电，通用IO采集单元与网络通信单元进行通信，将其采集的数字量数据和模拟量数据转发至网络通信单元，网络通信单元与主处理器进行通信，将接收于通用IO采集单元的数字量数据和模拟量数据转发至主处理器；模拟量数据采集模块Ⅰ和模拟量数据采集模块Ⅱ对模拟量数据进行采集，并将采集的模拟量数据转发至主处理器；

主处理器对外设初始化状态进行自检，通用IO采集单元和运算采集单元对各自的底层配置信息进行识别判断；同时主处理器的逻辑控制模块判断网压、网流；若底层配置信息出现故障，则主处理器将故障信息传递给整车网络TCMS，报出牵引控制平台离线故障；若底层配置信息正确，通信控制模块接收整车网络TCMS的列车牵引控制指令、制动控制指令、辅助控制指令，转发至主处理器和运算采集单元，主处理器结合收到的控制指令和采集的数据通过逻辑控制模块生成四象限整流指令、牵引逆变控制指令及辅助控制指令；

四象限整流控制模块接收到四象限整流指令后，将牵引变压器输入的交流电整流为直流电，使两重四象限的相位角度相互错开；

牵引逆变器控制模块接收到牵引逆变控制指令后，控制逆变器逆变，输出电压给牵引电动机，使牵引电动机产生转矩驱动列车运行；

辅助逆变控制模块接收到辅助控制指令后，调整逆变器的输出电压和频率，进行均流。

17.如权利要求16所述的轨道车辆通用牵引控制方法，其特征在于，主处理器结合收到的控制指令和采集的数据通过逻辑控制模块还生成防滑防空转指令，防滑防空转控制模块接收到防滑防空转指令后，控制牵引电动机的转矩，其控制牵引电动机的转矩的具体步骤为：基于轮对蠕滑速度、加速度对空转/滑行趋势进行识别，预测当前工况的最大粘着力，当识别出空转/滑行并确认空转/滑行后，再通过设定斜率消减牵引电动机的转矩，维持一段时间直至识别到轮对不再滑行，恢复牵引电动机的转矩。

18.如权利要求16或17所述的轨道车辆通用牵引控制方法，其特征在于，所述牵引逆变控制模块采用基于间接磁场定向的矢量控制方法控制逆变器输出电压，其具体步骤为：设置转矩电流控制环和激磁电流控制环，励磁电流给定值由牵引电动机的转速计算获得，转矩电流给定值由整车网络TCMS分配给转向架轴的牵引力大小计算得到，转矩电流和励磁电流分别和反馈值计算偏差后经PI调节器输出电压给定值，加上解耦分量作为期望的输出电压；同时计算给定转差角速度，给定转差角速度和反馈牵引电动机的转速信号相加后得到同步角速度，同步角速度积分后作为输出电压矢量的角度；SVPWM调制器将期望的输出电压矢量转换为脉冲形式作用于逆变器，输出相应幅值和频率的电压给牵引电动机，产生转矩驱动列车运行。

19.如权利要求16或17所述的轨道车辆通用牵引控制方法，其特征在于，通信采用安全通信协议，所述安全通信协议包括序列号、数据、安全编码和共享内存读写保护，用于辅助对报文进行超时判断和校验错误。

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