基于高速列车空调系统用空调控制器的设计

西安中车永电捷通电气有限公司 崔 新

本文设计的空调控制器安装在空调控制柜内部，配合断路器、接触器、继电器、传感器等元件，其可以自动完成空调系统的控制、保护、故障诊断和故障记录等功能，使空调系统工作在预冷、预热、通风、制冷、制热、应急通风等模式。

现如今，我国高速列车的空调系统广泛应用车顶单元式空调设施。从该设备开发应用以来的统计分析发现，车顶单元式空调系统能够在夏天制冷、冬天制暖方面发挥至关重要的作用，其通过对列车内温度的合理控制，为乘客创造了相对舒适的乘车环境。要使高速列车的车内环境满足规定的基本要求，就必须有一整套的空调设备及相应的列车空调控制系统,包括客室空调机组、空调控制柜、司机室空调、废排装置和压力波保护装置五大部件。

图1 空调控制器通信接口

1 空调控制器硬件架构

1.1 空调控制器的用途及功能

空调控制器是空调控制系统的核心部件，将其安装在空调控制柜中，通过对室内外的温度采集、输入信号采集、压力传感器信号采集等，按照控制算法、保护逻辑以及控制时序输出数字信号，其控制继电器、接触器、电磁阀等的开关和闭合，使空调系统具有制冷、制热、预冷、预热、通风、温度控制、紧急通风、紧急关闭、压力保护等功能。

图2 电路框架

空调控制器具有多种通信接口，通信接口见图1。

1.2 硬件架构设计

1.2.1 电路架构

空调控制器硬件采用大板架小板的架构，其由两块基板组成：信号基板（KIO基板）、主控基板（KCU基板），电路架构见图2。

1.2.2 基板功能介绍

（1）KIO基板

KIO基板主要完成电源转换、外部信号采集和控制信号输出等任务，其主要功能如下：110 V输入电压转换为24 V输出，为压力波控制器、触摸屏提供电源电压；110 V输入电压转换为5 V输出，为KIO基板提供5 V电源；完成空调控制装置开关状态反馈信号的采集，DI采样电路为75路110 V输入，经过处理后输入至KCU基板；控制外部继电器开关器件的动作，DO电路有35路110 V输出；监视110 V电源和5 V电源状态，经过光耦隔离，输入至KCU基板；9路温度传感器采样，将模拟信号转换为数字信号，经过信号隔离后输入至KCU基板；1路位置传感器采样，将模拟信号转换为数字信号，经过信号隔离后输入至KCU基板；4路压力传感器采样，将模拟信号转换为数字信号，经过信号隔离后输入至KCU基板；并为压力传感器提供5 V电源电压；1路CAN通信，1路RS485通信；6路LED灯显示空调控制器的运行状态。

（2）KCU基板

KCU基板为主控板，接收模拟采样信号以及数字输入信号等，按照保护逻辑以及控制时序输出数字信号，其主要功能：读取数字输入信号状态，根据保护动作跟时序逻辑要求输出数字信号，控制外部接触器的打开或者闭合；以太网通信电路；车号设置功能；时间管理功能；MVB通信电路等。

1.2.3 硬件电路特点

（1）110 V数字输入电路共75路，采用总线的读取方式，使用信号隔离进行前后级隔离；110 V数字输出电路35路，使用光耦进行前后级隔离。

图3 空调控制器控制软件功能模块划分图

图4 辐射发射试验

（2）温度采集和压力采集采用独立的隔离电源，相互之间不会有干扰，且不会因为外界的干扰影响基板内的其他信号。外部输入信号和进入FPGA信号之间使用信号隔离，前后级隔离电压2500 Vrms。AD转换芯片采用低功耗的AD7328，8通道13位精度（12位+符号位）。

（3）RS485通信采用隔离芯片MAX1480，速率最高到2.5 Mbps；CAN通信采用隔离芯片MAX 14880，最高速率1 Mbps。前后级隔离电压5 KVrms，满足浪涌4级标准。

（4）逻辑控制与算法实现采用成熟的DSP+FPGA架构，外挂SRAM、FLAH、NDNFLASH等，可实现运行状态与故障实时存储。

（5）控制器外部增加DSP与FPGA呼吸灯，实时观测芯片运行状态。

（6）以太网通信可实现远程升级和实时数据下载。

2 软件架构设计

空调控制器软件采用DSP+FPGA架构，控制软件由DSP软件、FPGA、上位机软件三部分组成，各个部分的模块的功能划分如图3所示。

3 试验验证

空调控制器实物样机经过了完整的型式试验，其各项功能工作稳定，可以在制冷、制热、半制冷、半制热、通风等模式下运行；根据外界模拟温度，制冷制热模式切换。

按照标准动车组要求，环境试验和电磁兼容试验已经完成第三方试验。辐射发射试验布置图和试验结果见图4。

结论：本文介绍了空调控制器主要功能、硬件架构和软件架构等。硬件采用大板加小板的架构，减小了控制器的外形尺寸，节省了空间；软件采用DSP+FPGA的架构，DSP进行算法控制，FPGA进行逻辑操作和通信。该空调控制器安装在控制柜中，完成了整个空调系统的性能试验和第三方试验，空调系统标称制冷量达到45.68 KW，能效比2.41，超负荷制冷量达到45 KW，能效比1.93。