电力机车辅助变流器控制系统设计及信号完整性分析

摘要

电力机车辅助变流器系统主要为机车的辅助负载供电，其工作状况直接关系到机车主电路的运行状态，是保障机车稳定、安全运行的关键之一。本文以深度国产化HXD2型电力机车辅助变流器控制系统为研究对象，按照功能模块的不同进行了硬件电路的设计。这些模块包括供电电源、电源监控与复位、AD采样、驱动脉冲发生、驱动状态检测、逻辑状态检测、逻辑状态输出、通讯接口等。每个模块实现各自相应的功能，既相对独立又紧密结合，从而方便了系统的调试与生产。该系统以DSP和FPGA为核心，采用协同处理的方式，DSP用于实现算法中结构复杂的部分，FPGA完成算法中计算量大、实时性要求高的部分，兼顾了速度与灵活性，缩短了研发周期。
　　为了保证电路板中的信号质量，本文对控制系统中的插件板进行了信号完整性分析。文中首先探讨了反射与串扰这两种信号完整性问题的成因，并通过仿真软件HyperLynx对这些问题进行了仿真，找到了相应的解决方案。对于传输线中的信号反射问题，可以根据实际情况，采用串联端接、并联端接、戴维宁端接、RC端接、二极管端接等措施来解决;对于传输线间的串扰问题，则可以使用加大传输线间距、缩短平行长度、减小电介质厚度等手段来降低串扰噪声。在此基础上，本文对辅助变流器控制系统中的PCB进行了仿真分析，找出PCB中存在信号完整性问题的网络，并运用上述优化方案加以解决，从源头上保证了信号的质量。
　　本文对设计出的辅助变流器控制系统先后进行了低压功能试验、地面高压试验和实际上车试验，试验结果表明该控制系统完全能够满足国产化HXD2型电力机车的相关要求。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 电力机车辅助电源系统的重要意义

1．2 电力机车辅助电源系统的发展概况

1．3 深度国产化HXD2型电力机车辅助变流器系统的结构和特点

1．4 深度国产化HXD2型电力机车辅助变流器控制系统简介

1．5 信号完整性的概念及进行信号完整性分析的重要意义

1．6 本论文的主要工作和结构安排

2 辅助变流器控制系统硬件电路的设计

2．1 ACU硬件电路结构框图

2．2 核心控制芯片

2．2．1 DSP的特点和在ACU中的功能

2．2．2 FPGA的特点和在ACU中的功能

2．3 供电电源模块

2．3．1 直流供电电源模块

2．3．2 交流供电电源模块

2．4 电源监控与复位模块

2．4．1 核心控制芯片供电电源的监控

2．4．2 驱动电路供电电源的监控

2．5 AD采样模块

2．5．1 电压电流信号的采样

2．5．2 蓄电池温度的采样

2．6 驱动脉冲发生模块

2．6．1 IGBT驱动脉冲发生电路

2．6．2 晶闸管驱动脉冲发生电路

2．7 驱动状态检测模块

2．8 逻辑状态检测模块

2．9 逻辑状态输出模块

2．10 通讯接口模块

2．10．1 RS-232通讯

2．10．2 CAN通讯

2．11 本章小结

3 信号完整性问题的解决方案与仿真分析

3．1 反射问题的解决方案与仿真

3．1．1 反射及其形成的原因

3．1．2 解决反射问题的措施

3．1．3 端接方案的仿真分析

3．2 串扰问题的解决方案与仿真

3．2．1 串扰的成因及分类

3．2．2 串扰的仿真分析

3．3 本章小结

4 基于信号完整性分析的辅助变流器控制系统的板级实现

4．1 PCB的全局仿真

4．2 PCB上典型网络的仿真与测试

4．2．1 MIXB板中DSP时钟电路的仿真与测试

4．2．2 ONDX板中驱动脉冲发生电路的仿真与测试

4．3 本章小结

5 电力机车辅助变流器控制系统的现场试验

5．1 电力机车辅助变流器控制系统的低压试验

5．2 电力机车辅助变流器系统的高压试验

5．3 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历

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