一种电力推进变频器控制器的硬件设计

王治国, 张颖辉, 梁宝明



一种电力推进变频器控制器的硬件设计

王治国, 张颖辉, 梁宝明

（武汉船用电力推进装置研究所, 武汉 430064）

文章提出了一种电力推进变频器的控制器的数字化解决方案，介绍了控制对象对接口设计的要求，详细阐述了控制器的结构组成方案、模块化的板卡设计、独特的电源输入电路和多级硬件故障保护电路设计，该方案提高了控制器运行的维修性、安全性和可靠性。

推进变频器 控制器硬件设计 多级硬件故障保护

0 引言

随着发电系统和变频传动技术的快速发展，电力推进在各种船舶及近海设备中得到成功应用。以高功率密度电机、新型电力电子装置、吊舱技术等高新技术为核心的全新驱动设计大大提高了舰船的可靠性和使用周期，并呈现出低成本、低维护费用等趋势，已成为2l世纪海洋船舶技术装备的重要发展方向。

控制器设计作为新型电力电子装置的关键技术之一，成为舰船电力推进系统的一个研发热点。本文提出一种模块化的电力推进变频器控制器硬件设计方案，将控制器按照推进变频器的的接口要求设计为独立功能板卡，通过底板连线实现各功能板卡间的相互协调，实现对推进变频器的整体控制，独特的电源电路设计和多级故障保护设计，使得该控制器硬件运行更加稳定可靠。

1 接口要求

电力推进变频器要求控制器具有丰富的接口资源，主要要求如下：

控制器需提供多路模拟量采样通道，对推进变频器的直流母线电压、输出电流进行实时的采集；控制器需提供多路光纤传输的PWM驱动脉冲，同时，提供多路的光纤反馈通道，对各个功率器件的故障信号进行实时采集，通过硬件和软件的动作快速保护系统内部设备；控制器需提供多路数字量输入通道，对变频器内柜门、熔断器信号、底层控制器故障等进行采集；同时，提供多路数字量输出通道，对变频器外围设备的闭合实时控制；控制器需提供速度采样通道，对转速传感器的输出进行整形滤波后送到主处理器参与软件控制的计算过程；控制器需提供RS485/RS232/CAN等通讯方式，RS485用于上传实时状态信息和故障状态到PLC，同时从PLC下载控制指令，CAN完成与周边从控制器的信息交互和协调控制，RS232与显示屏互联，为技术人员提供现场调试和状态观测界面。

2 控制器结构组成

控制器采用标准3U封闭式机箱方案，机箱前面板设置有指示灯和外部接线端子，机箱内部可插10块电路板，通过底板交换信号，底板可扩展，板间信号通过底板互联，结构紧凑，便于安装、调试和后期维护，同时，兼具良好的电磁兼容特性。

控制机箱内电路板按功能划分为6种类型，分别为电源板、数字信号处理板、模拟信号调理板、开关信号输入输出板、光纤输入输出板和通讯转接板。

各板卡功能如下：电源板将外部输入的+24 VDC经DC/DC变换为各电路板所需的+15 VDC、-15 VDC、+5 VDC电源，通过底板为各功能电路板提供电源；数字信号处理板可实现矢量控制和直接转矩控制等复杂的控制算法运算、生成PWM信号、信号采集、系统保护、通信等功能；模拟信号调理板完成电压、电流信号的检测、故障判断及报警功能，将调理后的数据送至CPU板的外部ADC进行采样，并通过SPI总线将故障信息传送至CPU板；开关量信号输入输出板通过SPI总线与CPU板连接，完成开关量状态的检测及输出断路器的控制，同时实现增量式编码器的转速测量；光纤输入输出板主要实现PWM驱动信号的光电转换、IGBT反馈信号的检测与判断等功能；通讯转接板将数字信号处理板上的RS485、RS232、CAN信号经底板单独引出，扩展外部接口，便于安装和调试。控制器设计框图见图1。

3 控制器硬件设计

1) 电源电路设计

电源是控制器设计中最基础、最重要的一环，电源的稳定性与质量高低直接影响整个控制器乃至整个推进变频系统运行的可靠性与性能指标的实现。本设计采用以下方式提高电源的稳定性和质量：

a）由电源输入端串入的干扰一般包括共模干扰和差模干扰。设计中采用滤波电容滤除线路上的差模干扰，采用传输线对地电容和共模扼流圈滤除线路上的共模干扰。b）浪涌是一种上升速度快、持续时间短的尖峰脉冲，它会导致电子产品损坏，使电子产品中的半导体器件(包括二极管、晶体管、可控硅和集成电路等)被烧毁或击穿。本设计中采用混合型浪涌抑制结构，金属氧化物压敏电阻和瞬变电压抑制器(TVS管)混合使用。多级的金属氧化物压敏电阻可以提供大过流容量，提高浪涌电流的导通能力，TVS管反应快并具钳位电压低的特性，可提供最低的平稳钳位电压。c）控制器设计功率为48 W，额定运行电流2 A，选则3 A的表贴式熔断器在短路时保护板卡上的元器件。d）在正向输入端反接二极管，可以在人为反接电源线时保护板卡上的元器件。+24 V电源输入电路详见图2。

2) 多级硬件故障保护电路的设计

控制器采用多级硬件故障保护，在故障时将输出驱动脉冲从控制器源端、传输过程和终端封锁，可靠的保护功率开关，提高系统运行的安全性。多级硬件故障保护示意图见图2。

各功能板卡的故障，包括电源板的24 V电源掉电故障、数字信号处理板的3.3 V电源掉电、模拟信号调理板的超限故障、光纤板总故障，通过底板送到数字信号处理板上的CPLD，CPLD内逻辑综合后产生总故障信号DSP_XINT1。总故障信号DSP_XINT1作为中断信号送至DSP的PDPINTA，DSP响应该中断后封锁源端PWM信号。

总故障信号DSP_XINT1送至总线收发器74ALVC16245，在故障发生瞬间对发至光纤输入输出板的PWM信号进行传输过程中的封锁，保护开关器件。

光纤输入输出板检测的故障包括PWM信号直通、死区过小、驱动板光纤反馈故障等，当上述故障发生时，将合成的光纤输入输出板总故障信号发送给数字信号处理板进行源端和传输过程中的保护，同时，作为控制器PWM信号的输出终端，光纤输入输出板在本板上对故障做出迅速处理，通过本板上的CPLD对PWM光信号输出进行封锁。

4 结论

该设计方案各板卡功能明确，拆装灵活，模块化的设计便于按照不同的系统要求进行硬件配置，可快速定位硬件调试和推进变频器系统联合调试中出现的各种故障，增强了系统可维修性。同时，独特的电源电路设计和多级硬件故障保护电路的设计，提高了控制器的抗干扰能力和故障保护冗余，增强了整个推进变频器运行的稳定可靠性。

[1] 王剑宇，苏颖. 高速电路设计实践．电子工业出版社．

[2] 张卫宁. TMS320C28x系列DSP的CPU与外设. 清华大学出版社, 2003．

[3] 胡汉才. 单片机原理及其接口技术[M]. 北京：清华大学出版社, 1995．

Hardware Design of Controller in Electric Propulsion Converters

Wang Zhiguo，Zhang Yinghui，Liang Baomin

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064，China )

TM461

A

1003-4862（2014）09-0012-02

2014-07-15

国家科技支撑计划项目（2012BAG03B01）

王治国(1982-)，男，工程师。研究方向：嵌入式控制系统。