基于CAN总线的电力机车辅助变流器控制系统设计

张全柱，李圆红，邓永红

(华北科技学院 信息与控制技术研究所，北京 东燕郊 065201)

基于CAN总线的电力机车辅助变流器控制系统设计

张全柱，李圆红，邓永红

(华北科技学院 信息与控制技术研究所，北京 东燕郊 065201)

本文基于CAN总线，对神朔铁路SS4机车的辅变控制管理系统进行研究，分析了辅变系统的工作原理，给出系统的CAN总线方案、硬件电路设计、CAN通讯协议，并实现了远距离、高可靠性通信功能和远程监控功能。实验表明，基于CAN总线的辅变系统控制更加方便、操作更加安全，提高了电力机车的控制性能、使用寿命。

辅变系统；CAN总线；控制；安全

0 引言

随着电力电子技术的发展，CAN总线技术的运用，ss4电力机车现在的信号传输系统已不能满足时代发展的要求[1]。电力机车现在的辅助变流器供电有一些缺点：机车上每个设备(变压器、空调机组等等)都要单独引一根线来控制这个设备的起停、故障等所有信号的反馈，并传给操作台，并进行自动或手动控制。如图1所示的系统为辅助变流器工作原理图，各种设备、接触器等用琴键开关来控制，这样不仅接线复杂，维修不便，最重要是还很容易造成危险事故。但我们用辅助变流器系统代替现在的系统，再结合CAN总线技术，就很方便地实现了以上控制，既提高了工作效率，同时系统还兼顾先进的科学技术，且具有良好的运用价值，有广阔的应用市场[2-3]。

1 系统总体结构

如图1所示为系统辅助变流器结构框图，它是由相控整流器、4个逆变器，还有各个用电设备(制动风机、牵引机、压缩机、油泵)等组成。并且每一个设备都用一个接触器控制(还有一个备用接触器)。这个系统首先会将AC794的电压经过相控整流整成DC540V，然后对DC540V电压进行逆变，逆变成设备所需要的AC380V来供给设备使用，以保证设备正常运行[4]。

图1 辅助变流器工作原理

结合图1，提出基于CAN总线的电力机车辅变控制系统，如图2所示，图中司机操作台上面有各个设备的启动停止按钮，还有显示屏，可以显示各设备的实时状态。在启动之前，司机操作台接收相控整流器，4个逆变器的故障信号，如果没有故障，则首先启动相控整流器，然后根据需要在开启各个逆变器运行。

图2 CAN总线系统结构

2 硬件的设计

如图3所示是CAN电路结构框图，其中相控整流器，4个逆变器都分别用一个STM32F103ZET6芯片来进行控制。STM32F103芯片自带CAN控制器用来实现数据的传输。bxCAN就是STM32F1自带的CAN控制器，它支持CAN协议2.0A和CAN2.0B。这个控制器用最小的CPU负荷来处理大量接收来的报文，也支持报文发送的优先级处理[5]。

图3 CAN电路结构框图

2.1 CAN电路设计

图4(a)为单独的供电模块，采用“F0505D-1W”DC-DC转化器，将5V电压转换成隔离的5V电源，提高总线的抗干扰性，隔离电源供给CAN隔离光耦和收发器，增加了CAN总线稳定和抗干扰能力。

图4(b)所示为光电隔离电路，我们采用高速光耦6N137，经芯片发送的信号CANTXD和接收的信号CANR，用光耦进行隔离，这样CAN的网络速度就可以达到和先前网络驱动的速度一样，使信号传输更加及时、稳定、可靠，最重要的可以提高抗干扰性。

图4(c)所示为CAN的收发电路，运用PCA82C50芯片，此芯片可以对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力，并且此芯片使CAN在高速工作模式，使发送器输出级晶体管以尽可能快的速度打开、关闭，提高CAN的工作效率。电路中芯片接受来自光耦的CANT，CANR信号，将其变成稳定的差分信号，在经过后续的滤波电路、保护电路发送给CAN总线，这样可以提高信号的抗干扰能力。

图4 CAN总线硬件电路

3 CAN通讯协议

CAN(Controller Area Network)即控制局域网络，它是一种串行数据通讯协议，具有高性能、高可靠性、易开发和低成本的现场总线。它是由CANH和CANL两条线组成，其传输介质可以是非屏蔽的双绞线，电缆和光纤，通讯的速率最高可达1 Mb/S,并且它的传输距离最远可达10 Km[6-9]。

在本系统中，设定司控台，相控整流器，逆变器的各自帧号。司控台发送给整流器、逆变器的帧号是0X80的指令帧，接受各个用电设备的实时数据并发送控制命令信号。相控整流器发送给司控台的帧号为180H，四个逆变器发送给司控台的帧号分别为181H、182H、183H、184H。下表是各个模块的字节定义。

表1 接收：司控台 ID：80H

表2 发送：整流器 ID：180H

表3 发送：逆变器1/2/3/4 ID:181H/182H/183H/184H逆变器1 ID：181H

4 实验波形

对于不同的设备及与他们连接的接触器，会进行24小时连续监控，并对每个设备的参数进行实时采集。通过测试，系统可以24小时连续不间断运行。下图是在实验时测得的CAN总线数据波形及CAN总线数据帧波形，分别如图5、6所示。

图5 CAN总线数据波形

经过对操作台显示屏24小时的不间断监控，发现四个变频器经过CAN总线传输的电压、电流、频率、故障等信息更加及时有效，而且信息回馈更加稳定可靠。

图6 CAN总线数据帧波形

5 结论

针对机车上使用的辅助变流器，本文设计了运用CAN总线技术进行实时通讯的信息传送系统。CAN总线系统很好地解决了机车上用电设备的运行频率、电流、电压、故障等信息的传送问题，并且管理人员可以及时准确地通过操作台的显示屏来得到各个用电设备的运行参数，具有快速准确、可靠性高的特点。通过在机车上的安装调试和运行实验，该系统的抗震、电磁兼容性、可靠性等方面的设计都能满足实际运用的要求。本论文给CAN总线技术在机车上的运用提供了一个可靠的依据，具有很好的市场推广价值。

[1] 袁爱进，唐新明，乔毅，等. CAN现场总线系列仪表一种通用化软件设计技术[J].计算机工程, 2001,27(4): 144-146.

[2] 鲍官军，计时鸣，张利，等. CAN总线技术、系统实现及发展趋势[J].浙江工业大学学报，2003(1)：58-61.

[3] 饶运涛,邹继军,郑勇芸. 现场总线CAN 原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[4] 张全柱,邓永红,黄成玉.电力机车辅助电机供电系统的研究设计[J].电源技术,2010(4):391-394.

[5] 李宁.基于 MDK 的 STM32 处理器开发应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2008.

[6] 熊福昌.汽车 CAN 总线通信技术研究[D].武汉：武汉科技大学, 2009.

[7] 洪祥,匡晚成,需亚平.基于CAN总线的煤矿远程监控系统[J].微计算机信息,2008,24(23):73-74,97.

[8] 刘东波,陈玉娟,茅红伟,等.基于CAN总线和以太网的煤矿井下变电所远程监控系统[J].工矿自动化，2009,35(12):11-15.

[9] 黄成玉,邓永红,张全柱.一种新型CAN总线的煤矿粉尘监控系统[J].煤矿安全,2012,43(8):95-97.

DesignofAuxiliaryConverterControlSystemforElectricLocomotiveBasedonCANBus

ZHANG Quan-zhu, LI Yuan-hong, DENG Yong-hong

(InstituteofInformationandControlTechnology，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

Based on the CAN bus, this paper studies the auxiliary control management system of Shenshuo Railway SS4 locomotive, analyzes the working principle of the auxiliary system, gives the CAN bus scheme, hardware circuit design and CAN communication protocol,and implements long-distance, high-reliability communication function and remote monitoring function. Experiments show that the auxiliary system based on CAN bus controls easier, operates more securely,which improves the control performance and service life of the electric locomotive .

auxiliary system; CAN bus; control; security

2017-06-07

河北省科技支撑项目(16274603，16214408)；中央高校基本科研业务费资助(3142013101,3142016022)

李圆红(1994-)，男，山西运城人，大学毕业，华北科技学院在读硕士研究生。E-mail：15732632524@163.com

TP273

A

1672-7169(2017)04-0082-04