无节点直流转辙机驱动模块的研究与设计

李朝金，任喜国

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

1 铁路信号系统集中控制方式的发展趋势

随着通信技术的发展以及前端计算能力的提升，未来的铁路信号系统将是集无线通信、光纤通信等先进的通信技术于一体，将安全执行单元产品置于轨旁，通过建立各个独立设备间的通信连接，实现区间、站内一体化和通信、信号一体化的高水平系统。采用轨旁安全执行单元产品，将逻辑控制电路置于现场，实现信号的分布式远程控制，可以大幅度减少信号电缆的使用量，减少能源消耗，减低工程造价；通过设备的就近控制和闭环控制，可有效提高地面控制系统的可靠性和安全性。

现有的集中控制方式势必要逐步退出历史的舞台。随着国内对铁路运输能力要求的提高，轨旁设备的可靠性及安全性的要求日趋严格。与此同时，国外很多信号厂商已开始设计其各自轨旁控制器，而国内的轨旁控制单元仅存在于理论阶段，尚未有可以与国外相媲美的轨旁控制设备。

2 无节点直流转辙机驱动模块的结构设计

无节点直流转辙机驱动模块（简称驱动模块）是轨旁安全执行单元的一个基础模块。其基本原理如图1所示。

整个模块通过通信线缆接收远程控制中心的命令。通过双系同步通信数据后开始执行控制中心的命令。双CPU同时产生动态控制信号。通过控制强电中高频电压转换器的驱动电路的供电，以保证当任意一个CPU失效时，强电电路无输出。而强电电路中由于在高频电压转换器中存在高频变压器，变压器原副边均为物理隔离，因此无论高频电压转换器失效与否，变压器的副边均不会有输出，以保证转辙机模块的可靠性及安全性。驱动模块在驱动输出时有输出电压、电流检测，可以实时监控输出的变化，当有异常时驱动模块停止输出。驱动完成后通过动态采集电路判断转辙机是否到位，将转辙机的驱动状态上报给远程控制中心。

驱动模块集监测、控制及通信多元一体化的方式，具有远程通信，道岔位置监测，转辙机驱动及监测等功能，可以实现远程控制中心对轨旁转辙机的实时监控。无节点的特点不仅降低了整个系统的风险性，而且还具有配线简单、维护方便、成本低廉等特点。

3 驱动模块的功能

针对直流转辙机的轨旁执行单元，驱动模块采用电压电流双闭环控制并对输出驱动电路采用与信号机类似的“双断”安全驱动技术，两个CPU之间独立接收命令并运算，输出安全驱动模块的控制信号，以实现安全驱动模块的“故障-安全”功能，驱动模块主要可以实现以下几个功能。

1）接收远程中心的控制信号，并进行自我校验，双CPU校验通过后方可执行；

2）实时采集转辙机的位置及状态；

3）驱动转辙机进行定/反位运行，到位后自动停止输出；

4）对驱动时电压/电流进行实时检测、监控；

5）驱动及表示电路自检。

驱动模块主要由双CPU、动态电源输出电路、高频电压转换电路、动态采集电路、电源转换电路组成。

4 驱动模块的硬件控制部分

与全电子电路及机械式安全继电器不同的是，整个强电与弱电之间不采用任何继电器节点，且要保证能安全输出。

4.1 供电

整个模块的取电部分均从轨旁220 V分为两路：一路通过开关电源将220 V的交流电转换为24 V的安全直流电，再经过DC-DC隔离电源模块为控制芯片等弱电电路进行供电；另一路作为驱动模块的输入电压通过电力变换达到额定输出电压。

4.2 CPU

采用标准的“二取二结构”，每个CPU分别从通信线上获取控制信息，独立的构成闭环控制结构，通过二取二逻辑后判断命令是否一致，进行转辙机位置判断，定/反位驱动输出控制及检测。CPU与采集、驱动之间采用高频磁耦隔离，通过两个CPU产生的安全信号来控制驱动输出芯片的供电，保证当一系CPU异常时，整个模块无输出。

4.3 采集电路

采集电路分为驱动采集及到位采集两个部分。驱动采集通过采集驱动及自检时的输出电压、输出电流信息，采用隔离运放将输出强电与采集电路进行隔离。采集电路采用异构的结构，将采集输出分别传输至对应的CPU中，两个CPU通过对采集电路传输的输出电压、输出电流信号进行“二取二”控制：判断输出是否正常、驱动是否到位等信息。其原理如图2所示。

到位采集采用动态采集电路，通过对动态信号的采集判断转辙机处于定位或反位还是四开状态。

4.4 驱动电路

通过将220 V交流电压经过PFC等交流滤波电路后，经过高频电压转换电路，将220 V的交流信号转换为高频脉冲信号，采用高频变压器将高频脉冲信号进行电压变换后，经过整流滤波电路将电压转换为直流转辙机所需电压后采用“双断”的控制方式进行输出，采用的开关选用耐压高、通流量大的电力电子器件进行输出。其原理如图3所示。

高频电压变换电路由驱动芯片控制电压信号由直流电压转换为可控的高频交流电压。高频电压变换电路的控制信号由CPU通过电压、电流采集后经过计算得出控制信号的幅值，经过光耦隔离送到驱动芯片，同时CPU产生两路不同频率的动态信号，通过两级动态电路产生一恒定的安全电源为高压驱动芯片供电。当且仅当CPU正常工作且动态信号正常时，驱动电路才可以正常工作，以控制高频电压转换电路工作。否则整个电路无输出。

由于高频变压器具有天然的原副边隔离优势，因此高频变压器的原边器件发生器件故障时，不会将变压器原边的能量向变压器副边传递或直接使变压器原边短路烧断入口保险，变压器副边无能量输出。变压器副边元器件发生故障时，有采集电路发现后，停止动态信号，由此保证驱动芯片无电源供电，来切断高频电压变换电路的驱动供电，停止驱动，由此保证驱动输出的安全性及可靠性。

5 驱动模块的软件设计

驱动模块的软件主要完成与控制中心安全通信，并控制硬件完成控制中心发出的命令，当发现异常时停止采集、输出，并向控制中心上报。两个CPU软件同样采用的是“二取二”结构进行设计。其具体流程如图4所示。

软件模块主要实现各个子模块的调度控制功能。上电进行上电初始化，对各个寄存器进行配置，配置完成后进行上电自检。当自检通过后开始对转辙机的状态进行采集，经过双CPU同步处理将采集的信息上传至控制中心。当控制中心发出驱动命令后，两个CPU分别从各自的总线获取控制信息，经同步比较、获取一致信息后，开始对到位采集电路进行控制，将采集到的信息进行分析。与控制命令进行比较，如果位置信息不一致，调用驱动模块进行驱动输出，驱动完毕后，再次调用到位采集电路，将再次采集到的信息进行分析，再次与控制命令进行比较，比较一致后，向控制中心发出命令执行完毕信息。空闲时模块按规定时间进行自检操作。

6 结论

直流转辙机是轨旁控制器的重要组成部分，驱动模块的好坏将直接决定轨道列车的通行效率，甚至事关生命安全。无节点直流转辙机驱动模块采用“故障-安全”原则进行设计，驱动输出采用高频变压器隔离，驱动电路定时自检，到位表示电路采用动态采集表示电路的方式保证整个模块的安全性、可靠性。现代轨旁控制单元采用此模块将显著减少信号电缆的敷设工程，减少设备室的数量，减轻维护人员的工作量，缩短故障排除时间。无节点直流转辙机驱动模块性能稳定，具有较强的实用价值，将在未来的轨旁控制器中发挥重要的作用。