智能排流柜检测控制器的研制

西安市地下铁道有限责任公司 李 锋

智能排流柜检测控制器的研制

西安市地下铁道有限责任公司 李 锋

本文介绍了单片机智能排流柜检测控制器的工作原理和硬件结构，针对本系统的抗干扰、PWM控制脉冲生成及驱动电路作详细阐述。通过试验，得出该检测控制器具有抗干扰能力强、性能稳定可靠等优点，应用在智能排流柜中发挥了其应有的作用。

检测控制器远程控制隔离运放；PWM；程控放大器

1.前言

随着城市轨道交通的发展，国内的城轨线路越来越多。排流柜作为城轨交通供电系统中的一个设备，对保障城轨线路的安全运行有不可或缺的作用。以下结合排流柜在地铁中的应用简要介绍智能排流柜检测控制器的研制。智能排流柜检测控制器是构成智能排流柜的核心，该控制器采用Intel16位单片机作为CPU，根据地铁运营实际工况，运用多种器件完成数据采集、运算及控制。以下就该系统所要解决的问题作简单介绍。

2.系统需要解决的问题

该控制器着重解决了以下问题：

(1)完成对排流柜电流、电压、运行状态等信号的采集、处理，并扩展RS485通讯接口，与上位机通信，可实现远程控制排流。

(2)解决参比电极输出的毫伏级信号在地铁1500V牵引供电系统中的抗共模干扰的问题。

(3)解决IGBT控制脉冲的生成及功率驱动问题。

(4)解决多路电参数的精确数据采集。

3.检测控制器原理及各模块实现

3.1 检测对象

检测对象为4路参比电极输出电压信号、四路电压传感器信号，4路电流传感器信号和一路系统运行状态量，其中4路参比电极输出电压信号为毫伏级直流信号，电压传感器信号为0-50mA电流信号，电流传感器为为0-5V电压信号，系统运行状态为电平信号。

3.2 控制对象

依据四路参比电极输出的信号及四路电压传感器信号分别控制四支IGBT单管（400A/1200V）的导通占空比，使排流柜主回路实现斩波调阻，从而控制排流电流，达到科学排流的目的。每一主回路分参比电极与电压传感器两种控制方式，可通过拨码开关来切换。另外，上位机可实现对排流柜的远程控制。上位机通过RS485通信接口对检测控制器发送指令，控制四路IGBT的完全导通。

3.3 各主要模块的实现

本系统分别采用三块电路板和两块开关电源，以实现三大功能模块：参比电极电压采集模块、PWM脉冲生成及功率驱动模块，支路电压、电流及运行状态采集及处理模块。

3.3.1 参比电极电压采集模块的实现

参比电极电压采集模块完成对参比电极输出电压的隔离及放大。模块采用AD202高隔离运算放大器，最大共模电压达到2000V，线性精度达±0.025%。该型隔离放大器可应用于高共模电压环境下的小信号测量，对被测对象和数据采集系统予以隔离，从而提高共模抑制比，同时保护设备和人身安全。隔离放大器按耦合方式的不同，可以分为变压器耦合、电容耦合和光电耦合三种。磁耦合隔离方法是最常用的耦合隔离方法。

图1所示的是AD公司生产的隔离放大器AD202的内部结构示意图，是一个典型的变压器耦合二端隔离放大器，采用了调幅与解调技术将直流或交流信号通过变压器耦合到输出级，输入级内置一个独立的运放作为信号预处理，可以用作输入的缓冲、提供必要的增益，或者用作滤波器、加法器、I/V转换等等。输出级对信号进行解调，滤波与放大。内置的DC/DC变换器，输出为±7.5V，可以提供电源给输入侧的运放、调制器或其它电路。本文应用该隔离放大器将参比电极输出的毫伏级直流信号进行隔离放大，使控制器内部与现场复杂的电气环境实现了隔离，并使有用信号重现在副边。

图2是AD202在系统中的应用电路图，输入级对输入信号进行3倍放大，输出级对该信号进行射极跟随，供给后续控制电路。

3.3.2 PWM方波生成及功率驱动模块

可产生PWM方波的电路很多，本系统采用TL494脉宽调制器集成电路完成方波发生功能。TL494是美国德州仪器公司生产的PWM发生器。该系统PWM及其驱动电路的原理图如下图3所示。PWM信号由TL494调制，TL494输出PWM脉冲，其占空比由调节器输出模拟信号的大小来决定。根据不同电压输入，TL494产生不同占空比的PWM脉冲信号，TL494输出脉冲送入到IGBT的驱动电路输入端，完成脉冲信号的功率驱动。IGBT驱动电路采用三菱公司生产的，为驱动N沟道功率IGBT设计的厚膜混合集成电路M57962L。其输入与TTL电平兼容，与单片机接口简单。M57962L专用于驱动1200V系列，电流容量在400A以下的功率IGBT模块，内部采用2500V光电隔离电路，采用双电源驱动技术，其输入电压为＋15V、-10V，其中＋15V作为IGBT的正向驱动电压，-10V是IGBT关断时加在IGBT的栅极与发射极之间的反向电压，使之可靠关断。脚13外接TL494输出的PWM信号驱动IGBT，脚1通过一个快恢复二极管接到被驱动IGBT的集电极，当从引脚1检测到被驱动的IGBT集-射极电压较高时，该混合集成电路就认为负载短路或过载、立即降低栅极电压。不论输入为何种电平都封锁被驱动的IGBT的栅极脉冲，保护电路动作输出故障信号低电平，并从引脚8输出故障信号。当经过预定的1-2ms后，如果保护电路输入的是低电平，保护电路就自行复位到正常输出状态。由以上可以看出，通过此控制检测短路时间到输出脉冲封锁，IGBT模块就能及时地得到可靠的保护。当单片机接收到上位机发出的全导通指令时，单片机P1.0口输出低电平，控制图中与非门输出，实现IGBT的完全导通。

图1 AD202内部结构图

图2 AD202应用电路

3.3.3 支路电压、电流采集及处理模块

对支路电压、电流的信号采集，应用霍尔电压、霍尔电流传感器分别对各主回路支路电压和电流进行现场采集，能保证控制电路和主电路的可靠隔离，具有动态响应快、取样电流信号与输出电流线性度好的特点，能有效克服高压电路的干扰信号对取样电路的影响。采集的模拟信号经过运放处理和模拟多路转换开关，送到程控放大器，使输入的电流、电压信号都成为标准的0-5V直流信号，信号处理模块对0-5V电压信号进行AD转换并送到MCU；另外有四路快熔故障并联的开关量信号经光耦送入MCU，MCU将处理后的数据通过RS485接口传送到上位机。当检测到数据异常时MCU输出故障信号，并在装置上显示，以便工作人员能及时采取措施。对电流信号采用程控放大器进行数据采集，由多路开关器件CD4051、CD4052以及测量放大器AD521组成的程控放大器，对八路电流信号进行采集。通过使用程控放大器，提高了系统数据采集精度，降低了系统误差。

4.结束语

经过型式试验和现场调试运行，该检测控制器的各项技术参数均达到了设计要求，具备了各项功能，现已在上海地铁9号线的智能排流柜中得到应用，运行良好。

图3 PWM方波生成及功率驱动原理图

[1]李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南(第1册)[M].北京:机械工业出版社,2001,8.

[2]李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南(第2册)[M].北京:机械工业出版社,2001.8.

[3]徐爱卿.Intel16位单片机(修订版)[M].北京:北京航空航天大学出版社m2002,7.

李锋（1978－），男，陕西西安人，西安市地下铁道有限责任公司工程师，研究方向：电气设备研制与应用及地铁供电系统研究。