机车通用牵引控制装置及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及机车牵引控制装置，具体为机车通用牵引控制装置及其控制方法。解决现有牵引控制装置通用性较差的问题。包括控制类板卡、通讯类板卡、信号输入输出类板卡和电源类板卡；控制类板卡分为主控板板和从控板；通讯类板卡为网络接口板；信号输入输出类板卡分为模拟量输入输出板、模拟量转数字量处理板、数字量输入板、数字量输出板和脉冲输入输出板；牵引控制装置的通信分为对内对外两部分：对外：与TCMS之间采用MVB总线进行通信；对内：TCU内部板卡间采用CPCI+CAN总线相结合的方式进行通信；板卡上采用I2C+SPI串行总线进行通信。本发明专利技术通过多板卡的架构设计，以及部分板卡的可配置设计，实现通用化。

【技术实现步骤摘要】
机车通用牵引控制装置及其控制方法
本专利技术涉及机车牵引控制装置，具体为机车通用牵引控制装置及其控制方法。
技术介绍
现代轨道交通技术以客运高速、货运重载为主要标志，牵引控制系统作为列车的动力来源，肩负着整车的重任。而牵引控制装置（简称TCU）作为铁路牵引系统的控制装置，其可靠性和可维修性要求更加高。不同的列车的主电路拓扑不尽相同，对牵引控制装置的功能要求却基本相似。但现有牵引控制装置通用性较差，故如何使牵引控制装置最大程度地通用化、工程化（通过少量调整即可适用于不同的主电路拓扑），并保证其可靠性、可维修性来满足产品需求迫在眉睫（架构更便于调整，从而最大程度地实现通用化）。
技术实现思路
本专利技术解决现有牵引控制装置通用性较差的问题，以及可靠性安全性有待提高的问题，提供一种机车通用牵引控制装置及其控制方法。本专利技术是采用如下技术方案实现的：机车通用牵引控制装置，（一）牵引控制装置的结构包括控制类板卡、通讯类板卡、信号输入输出类板卡和电源类板卡；控制类板卡分为主控板即MCPU板和从控板即DSP板；通讯类板卡为网络接口板即NETI板；信号输入输出类板卡分为模拟量输入输出板即AIO板、模拟量转数字量处理板即ADI板、数字量输入板即DI板、数字量输出板即DO板和脉冲输入输出板即PIO板；电源类板卡分为控制装置内部供电板即PWR1板和控制装置对外供电板，控制装置对外供电板又分为对外部传感器供电板即PWR2板和对外部功率模块供电板即PWR3板和PWR4板；（二）牵引控制装置的通信牵引控制装置的通信分为对内对外两部分：对外：与TCMS（机车控制和管理系统TrainControlandManagementSystem）之间采用MVB总线进行通信；对内：TCU内部板卡间采用CPCI+CAN总线相结合的方式进行通信；板卡上采用I2C+SPI串行总线进行通信；CPCI总线用于MCPU板、NETI板、DSP板间数据的高速通信，提高通信安全性；CAN总线用于采集DI板、DO板、AIO板的信号和通道状态传送给NETI板，提高通信安全性；I2C总线用于MCPU板、DSP板、NETI板和信号输入输出类板卡间数据交互；SPI总线仅用于DSP板和ADI板间的数据快速交互，提高响应能力；（三）牵引控制装置各个板卡的功能分配主控板即MCPU板相当于控制装置的“大脑”，用于牵引控制装置的整体逻辑运算、任务调度、信息交互、数据存储，协调各个功能执行的顺序，输出控制信号；从控板即DSP板相当于控制装置的“肢体”，分别用来执行四象限变流控制、牵引逆变控制、中间直流母线过压抑制控制；网络接口板即NETI板相当于控制装置的“神经”，用来传递外部TCMS和内部信号输入输出类板卡的信息，还进行电源管理和复位信号管理、电源状态监控；信号输入输出类板卡相当于控制装置的“突触”，用来采集来自其他系统的信号或输出给其他系统；电源类板卡相当于控制装置的“心脏”，用来为其他板卡工作提供电力保障；（四）DSP板、AIO板、ADI板、DI板、DO板、PIO板均为可配置板卡，可根据项目实际需要进行调整，即根据不同的列车的主电路拓扑进行调整，实现通用化。控制装置的设计采用以下措施来提高其可靠性和安全性：1）每个板卡上均设置板卡级温度检测装置；2）每个板卡均设置指示灯，用来显示板卡状态；3）板卡上的芯片均选用自带过热保护机制；4）TCU与TCMS设备间互发心跳信号进行监控；5）板卡间通过定时互发心跳信号进行监控；6）板卡上多个控制芯片间通过定时互发心跳信号来互相监控；7）除PIO板和电源类板卡外，其他板卡上均有EEPROM芯片来存储固件信息并实时上报MCPU板；8）控制类板卡的控制类芯片中使用软件看门狗设置和硬件看门狗设置的双重保障措施；9）DI板、DO板、AIO板、ADI板上均设置上电自检保证对通道初始状态进行监控；10）正常工作时，AIO/ADI板上还设置了巡检方式对通道状态进行监控;11）正常工作时，DI/DO板上使用“分时复用”的方法对通道状态进行监控;12）PIO板仅作脉冲放大处理，若异常，则输出电压无法驱动外部设备工作；13）所使用的通信总线均采取多种通信防护手段来提高TCU安全性；14）电源类板卡设有反接保护、过压保护、功率保持安全保护措施。机车通用牵引控制装置的控制方法，该方法采用“主控+从控”相配合的方法进行控制，主控板即MCPU板根据网络接口板即NETI板传输的所有信息，实时进行逻辑运算，按照时序发出控制指令信号；从控板即DSP板根据接收主控板即MCPU板的指令信号和采集数据信息，实时进行算法运算，执行相应功能。本专利技术通过多板卡的架构设计，以及部分板卡的可配置设计，可根据项目实际需要进行调整，即根据不同的列车的主电路拓扑进行调整，实现通用化。本专利技术还提供了牵引控制装置的安全架构，通过板卡间监控、板卡内部监控、通道自检和巡检、多种防护措施的通信等各种方式保障TCU的可靠性和安全性，降低了TCU故障风险。附图说明图1为本专利技术所述牵引控制装置与其他系统的交互图；图2为本专利技术所述牵引控制装置的外观结构图图3为本专利技术所述牵引控制装置内部结构框图；图4为本专利技术实施例牵引控制装置控制方法；图中：1－PWR2/PWR3/PWR4板，2-DI板，3-DO板，4-AIO板，5-PIO板，6-ADI板，7-DSP板，8-NETI板，9-MCPU板，10-PWR1。具体实施方式首先，结合附图1，将控制装置与有关的外部系统的连接关系进行说明：1.控制装置接收TCMS传输的整车控制指令（包含方向、级位、牵引/电制动、主断路器状态等信号）；2.控制装置采集牵引变流器上的温度、压力、电流、电压等传感器信号、中间继电器和接触器类信号、功率模块和驱动板上脉冲反馈信号；3.控制装置采集变压器上温度、压力、电流等传感器信号；4.控制装置采集牵引电机1、牵引电机2上的温度、转速等传感器信号；5.控制装置向TCMS反馈变流器、变压器和牵引电机的故障信息，传输变流器相关参数；6.牵引变流器为控制装置提供110VDC；7.控制装置为牵引变流器、变压器、牵引电机1、牵引电机2上的各类传感器供电；8.控制装置为牵引变流器上功率模块和驱动板供电。控制装置的工作原理可简述如下：1.控制装置将接收到TCMS的数据、采集变压器上传感器信号、采集变流器上接触器类信号传输给主控板即MCPU板，MCPU板结合DSP板的四象限变流控制和牵引逆变控制上报故障信息，进行逻辑判断，开始变流器预充电控制；2.变流器预充电过程完成后，主控板即MCPU板发送启动信号和相关数据给DSP板的四象限本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机车通用牵引控制装置，其特征在于，/n（一）牵引控制装置的结构/n包括控制类板卡、通讯类板卡、信号输入输出类板卡和电源类板卡；/n控制类板卡分为主控板即MCPU板和从控板即DSP板；/n通讯类板卡为网络接口板即NETI板；/n信号输入输出类板卡分为模拟量输入输出板即AIO板、模拟量转数字量处理板即ADI板、数字量输入板即DI板、数字量输出板即DO板和脉冲输入输出板即PIO板；/n电源类板卡分为控制装置内部供电板即PWR1板和控制装置对外供电板，控制装置对外供电板又分为对外部传感器供电板即PWR2板和对外部功率模块供电板即PWR3板和PWR4板；/n（二）牵引控制装置的通信/n牵引控制装置的通信分为对内对外两部分：/n对外：与TCMS之间采用MVB总线进行通信；/n对内：TCU内部板卡间采用CPCI+CAN总线相结合的方式进行通信；板卡上采用I2C+SPI串行总线进行通信；/nCPCI总线用于MCPU板、NETI板、DSP板间数据的高速通信，提高通信安全性；/nCAN总线用于采集DI板、DO板、AIO板的信号和通道状态传送给NETI板，提高通信安全性；/nI2C总线用于MCPU板、DSP板、NETI板和信号输入输出类板卡间数据交互；/nSPI总线仅用于DSP板和ADI板间的数据快速交互，提高响应能力；/n（三）牵引控制装置各个板卡的功能分配/n主控板即MCPU板相当于控制装置的“大脑”，用于牵引控制装置的整体逻辑运算、任务调度、信息交互、数据存储，协调各个功能执行的顺序，输出控制信号；/n从控板即DSP板相当于控制装置的“肢体”，分别用来执行四象限变流控制、牵引逆变控制、中间直流母线过压抑制控制；/n网络接口板即NETI板相当于控制装置的“神经”，用来传递外部TCMS和内部信号输入输出类板卡的信息，还进行电源管理和复位信号管理、电源状态监控；/n信号输入输出类板卡相当于控制装置的“突触”，用来采集来自其他系统的信号或输出给其他系统；/n电源类板卡相当于控制装置的“心脏”，用来为其他板卡工作提供电力保障；/n（四）DSP板、AIO板、ADI板、DI板、DO板、PIO板均为可配置板卡。/n...

【技术特征摘要】
1.一种机车通用牵引控制装置，其特征在于，
（一）牵引控制装置的结构
包括控制类板卡、通讯类板卡、信号输入输出类板卡和电源类板卡；
控制类板卡分为主控板即MCPU板和从控板即DSP板；
通讯类板卡为网络接口板即NETI板；
信号输入输出类板卡分为模拟量输入输出板即AIO板、模拟量转数字量处理板即ADI板、数字量输入板即DI板、数字量输出板即DO板和脉冲输入输出板即PIO板；
电源类板卡分为控制装置内部供电板即PWR1板和控制装置对外供电板，控制装置对外供电板又分为对外部传感器供电板即PWR2板和对外部功率模块供电板即PWR3板和PWR4板；
（二）牵引控制装置的通信
牵引控制装置的通信分为对内对外两部分：
对外：与TCMS之间采用MVB总线进行通信；
对内：TCU内部板卡间采用CPCI+CAN总线相结合的方式进行通信；板卡上采用I2C+SPI串行总线进行通信；
CPCI总线用于MCPU板、NETI板、DSP板间数据的高速通信，提高通信安全性；
CAN总线用于采集DI板、DO板、AIO板的信号和通道状态传送给NETI板，提高通信安全性；
I2C总线用于MCPU板、DSP板、NETI板和信号输入输出类板卡间数据交互；
SPI总线仅用于DSP板和ADI板间的数据快速交互，提高响应能力；
（三）牵引控制装置各个板卡的功能分配
主控板即MCPU板相当于控制装置的“大脑”，用于牵引控制装置的整体逻辑运算、任务调度、信息交互、数据存储，协调各个功能执行的顺序，输出控制信号；
从控板即DSP板相当于控制装置的“肢体”，分别用来执行四象限变流控制、牵引逆变控制、中间直流母线过压抑制控制；
网络接口板即NETI板相当于控制装置的“神经”，用来传递外部TCMS和内部信号输入输出类板卡的信息，还进行电源管理和复位信号管理、电源状态监控；
信号输入输出类板卡相当于控制装置的“突触”，用来采集来自其他系统的信号或输出给其他系统；
电源类板卡相当于控制装置的“心脏”，用来为其他板卡工作提供电力保障；
（四）DSP板、AIO板、ADI板、DI板、DO板、PIO板均为可配置板卡。


2.根据权利要求1所述的机车通用牵引控制装置，其特征在于，所有板卡插置于机箱内，机箱内设有背板，背板是用于与其它板卡进行连接的总板卡，背板上布有电源线和通信连接线，为所有板卡提供电力通道和为信号交换提供通道，所有板卡的后端安装有插针端，每个板卡的后端在背板上均有对应的卡槽，各个卡槽点位均连接到信号传输通道，从而形成信号互通互联，通过插针与背板上标准连接器进行相连。


3.根据权利要求2所述的机车通用牵引控制装置，其特征在于，将电源类板卡分别放置机箱的左右两侧；板卡尺寸设计为标准3U，机箱尺寸设计为6U，分为上下两层。


4.根据权利要求3所述的机车通用牵引控制装置，其特征在于，AIO板、ADI板、DI板、DO板、PIO板和电源类板卡的前端使用标准连接器插针，与外部系统使用标准连接器插排进行连接；MCPU板的前面板上设有以太网、USB、RS232各类维护接口，便于对应用程序和底层程序进行升级更新；DSP板的前面板上也设有维护接口，便于对程序进行升级更新；NETI板前面板上设有MVB接口，便于与TCMS进行数据交互；
MCPU板、DSP板、NETI板和电源类板卡前面板上均设置状态指示灯，用于显示板卡当前运行状态。


5.根据权利要求4所述的机车通用牵引控制装置，其特征在于，控制装置中每个板卡上均设有EEPROM，用来存放板卡的固件信息；当板卡插入背板上，板卡识别I/O槽位的物理地址，通过I2C总线传输给MCPU板，从而实现板卡物理地址的识别。


6.根据权利要求5所述的机车通用牵引控制装置，其特征在于，DSP板、NETI板、AIO板、ADI板、DI板和DO板内芯片间通信采用I2C串行总线；I2C总线用于连接板卡内控制器及其外围设备。


7.根据权利要求6所述的机车通用牵引控制装置，其特征在于，采用以下措施来提高其可靠性和安全性：
1）每个板卡上均设置板卡级温度检测装置；
2）每个板卡均设置指示灯，用来显示板卡状态；
3）板卡上的芯片均选用自带过热保护机制；
4）TCU与TCMS设备间互发心跳信号进行监控；
5）板卡间通过定时互发心跳信号进行监控；
6）板卡上多个控制芯片间通过定时互发心跳信号来互相监控；
7）除PIO板和电源类板卡外，其他板卡上均有EEPROM芯片来存储固件信息并实时上报MCPU板；
8）控制类板卡的控制类芯片中使用软件看门狗设置和硬件看门狗设置的双重保障措施；
9）DI板、DO板、AIO板、ADI板上均设置上电自检保证对通道初始状态进行监控；
10）正常工作时，AIO/ADI板上还设置了巡检方式对通道状态进行监控;
11）正常工作时，DI/DO板上使用“分时复用”的方法对通道状态进行监控;
12）PIO板仅作脉冲放大处理，若异常，则输出电压无法驱动外部设备工作；
13）所使用的通信总线均采取多种通信防护手段来提高TCU安全性；
14）电源类板卡设有反接保护、过压保护、功率保持安全保护措施。


8.根据权利要求7所述的机车通用牵引控制装置，其特征在于，牵引控制装置的可靠性和安全性保障措施：
1）每个板卡上均设置板卡级温度检测装置，温度检测芯片放置于发热芯片附近，板卡上的控制芯片实现对温度的实时检测，若温度达到设定阈值，则通过I2C总线，将故障信息上报MCPU板；
2）每个板卡均设置指示灯，用来显示板卡的当前状态；
MCPU板、NETI板、DSP板和电源类板卡的指示灯位于前面板上，便于直接查看状态是否正常；
DI板、DO板、AIO板、ADI板和PIO板的指示灯位于板卡上；
3）板卡上的芯片均选用自带过热保护机制，若芯片过热，则立即停止输出信号，同时其他监控芯片发现信号中断超时，将故障信息上报MCPU板；
4）MCPU板作为TCU的“大脑”，与TCMS主控间互发心跳信号进行监控，心跳信号从0开始累加到65535后再清0，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张巧娟，葸代其，邹会杰，尚林岳，张瑞峰，
申请(专利权)人：中车永济电机有限公司，
类型：发明
国别省市：山西;14