一种分布式控制器的制作方法

本发明涉及轨道交通车载设备，尤其涉及一种应用于高速动车组、城际动车组上的牵引动力单元的分布式控制器。

背景技术：

高速动车组和城际动车组的核心零部件是动力单元，它集合了牵引变流器和辅助变流器来分别为列车提供动力和车载电源。

动力单元控制器的作用是通过与列车控制系统通信完成对变流器的控制，按需整流或逆变功能，同时对动力单元运行进行监控和保护。动力单元的控制器一般安装于动力单元箱体内。在控制过程中，控制器需要实时地采集系统的状态信息，包括电压、电流、温度、速度、压力等。结合采集的信息，经运算处理后生成控制指令，如开关指令和控制脉冲等。

控制器的硬件架构一般采用模块化设计，可从功能上将模块分为系统级控制，网络通讯，整流器和逆变器的驱动控制，模拟量的采集和调理，开关量的采集和控制，系统保护等。传统的变流器控制器一般将上述模块的功能以不同类型的板卡来实现，再将这些板卡统一安置于一台控制器机箱内，通过各板卡的对外接口与变流器的各类信号线连接，再通过背板总线的方式实现板卡的内部连接，统一完成控制功能。

如图1所示，这种架构的控制器可对一台牵引或辅助变流器进行集中控制。当需要监测或控制的对象随着机组结构复杂化而增加时，即便设计好的模块从功能上完全满足控制需求，控制器也必须增加相应的模块数目，故同时面临重新设计控制器机箱尺寸和背板重新布线的问题，会延长设计周期、增加设计成本。在一台集合了牵引和辅助变流器的动力单元中，一个集中式的控制器在需要在箱体内的牵引和辅助功率模块及各类接触器和传感器上引出信号线或控制线，这给变流器箱体设计和电气走线设计也带来了一定的难度。当集中式控制器因故障停机时，将导致整台动力单元退出工作，对列车运行会造成不利影响，冗余性有待提高。此外，集中式控制器的体积和重量均较大，需要在变流器箱体内独占一定空间的控制器室，在变流器小型化、轻量化的趋势下，也会对变流器箱体的结构设计产生限制，这样一个控制器的在安装拆卸和维护时也十分不便。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现要素：

本发明实施例提出一种分布式控制器，以解决现有的集中式控制器冗余性差、硬件平台通用性差、不适合模块化程度高的动力单元、控制和信号线距离较长、对变流器的箱体空间要求高且安装维护较为不便的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种分布式控制器，用于控制车辆的动力单元，包括：顶层控制器以及底层控制器；所述顶层控制器对应于动力单元的变流器装置设置，其包括牵引变流器控制器和辅助变流器控制器；所述底层控制器对应于所述动力单元的功率模块设置，所述动力单元的功率模块包括整流器模块和逆变器模块；所述顶层控制器连接于车辆总线，用于接收车辆的中央控制器的车辆运行指令并转换为逆变器控制指令，通过变流器内部总线传达给一个或多个底层控制器，同时接受所述一个或多个底层控制器的状态反馈信息并上送给所述中央控制器；所述底层控制器通过内部总线连接于所述顶层控制器，用于根据所述顶层控制器发送的指令，并结合所控制的功率模块的关键模拟量，实时发出控制信号驱动对应的整流器模块或逆变器模块。

进一步地，在一实施例中，所述牵引变流器控制器与所述动力单元的牵引变流器对应设置，每一套牵引变流器对应一个牵引变流器控制器，所述牵引变流器控制器用于控制所述牵引变流器，向所述牵引变流器中的整流器模块和牵引逆变器模块所对应的底层控制器发出指令并接收反馈信号；所述辅助变流器控制器与所述动力单元的辅助变流器对应设置，每一套辅助变流器对应一个辅助变流器控制器，所述辅助变流器控制器用于控制所述辅助变流器，向所述辅助变流器中的斩波器、中频隔离dc/dc变流器、辅助逆变器模块所对应的底层控制器发出指令并接收反馈信号。

进一步地，在一实施例中，所述顶层控制器用于接收所述车辆的中央控制器的控制指令，完成变流器的系统级控制，同时将所述的牵引和制动控制指令转换为逆变器控制指令并下达给所述底层控制器；所述顶层控制器还用于接收所述底层控制器的变流器状态反馈，并将所述变流器的实时状态反馈给所述车辆的中央控制器。

进一步地，在一实施例中，所述顶层控制器用于根据所述中央控制器的要求，完成变流器级控制和监测，其包括：启动或停止整流器、逆变器、斩波器、风机和/或水泵，操作各类接触器和断路器，并实时监测变流器的状态，记录系统运行数据，存储故障信息。

进一步地，在一实施例中，所述底层控制器用于根据所述顶层控制器下达的指令，结合当前逆变器的关键模拟量，执行控制算法，实时发出控制脉冲，驱动开关功率半导体，完成逆变器控制；同时，所述底层控制器采集与变流器运行安全相关的模拟量，传送给所述顶层控制器使其完成系统级保护；所述底层控制器还用于执行更快速和底层的保护，以应对严重故障，包括实时监测电压和电流，功率器件的工作状态。

进一步地，在一实施例中，所述逆变器的执行算法使用的关键模拟量包括电压、电流和速度。

进一步地，在一实施例中，所述与变流器运行安全相关的模拟量包括电压、电流、速度、温度和压力。

进一步地，在一实施例中，所述顶层控制器通过车辆总线接口电路与所述车辆总线相连接，并通过工业控制局域网与所述底层控制器进行通讯。

进一步地，在一实施例中，所述顶层控制器包括微控制器和可编程逻辑器件，从功能上划分为系统级控制和保护模块、开关量控制和反馈模块、车辆总线接口模块内部总线接口模块。

进一步地，在一实施例中，所述底层控制器包括数字信号处理器、微控制器和可编程逻辑器件，从功能上划分为内部总线接口模块、逆变器驱动控制模块、模拟量采集和转换模块、脉冲生成和开关管状态监控模块。

本发明实施例的分布式控制器的有益效果为：

将集中式的控制器从功能上分解为两种，结合实际机组需求搭配不同数量，实现了控制器的模块化，提高了控制器在变流器或动力单元中应用的灵活性，相对于集中式控制器功能较为单纯，控制对象数量也较少，可免除机箱式设计，以一块电路板或底板加少量扣板的方式来实现，极大的降低了空间需求；顶层和底层控制器分别采用统一的硬件平台，在不同应用场合下通过烧写不同程序和进行配置来实现不同功能，节约了硬件成本；各底层控制器和功率模块成为了一个整体，仅需在功率模块上进行短距离的走线，减少了控制电缆、模拟信号电缆在箱内的走线，降低了机组复杂程度，利于机组的组装和维护维修；顶层控制器与底层控制器之间的连接采用工业控制局域网标准总线，用标准总线来替代需要长距离传输的不同类型的控制线和信号线，减少了在传输途中受到干扰的可能，总线可联挂多台设备的特性也提高了可扩展性。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的集中式控制器的应用原理示意图；

图2为本发明实施例的分布式式控制器的应用原理示意图；

图3为本发明实施例的一种动力单元的结构示意图；

图4为本发明的分布式控制器在图3所示的动力单元上的应用示意图；

图5为本发明的分布式控制器应用在动力单元上的一具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。

下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。

本发明揭示一种新型的分布式控制器，适用于开关功率半导体器件数量较多，功能模块化程度较高的牵引辅助变流器或动力单元，以实现变流器控制器的小型化和功率模块智能化。设计时，充分考虑兼容性和经济性的需求，实现在一种硬件平台上实现多种功能，在机组中充当不同身份。

如图2所示，本发明的分布式控制器从功能上划分为2个部分，分别为顶层控制器和底层控制器。这两种控制器分别完成变流器系统级控制和逆变器底层控制，可依据系统实施方案自由组合。

1、顶层控制器

所述顶层控制器对应于动力单元的变流器装置设置，其包括牵引变流器控制器和辅助变流器控制器。顶层控制器集成了集中式控制器的系统级控制功能，其作为列车网络的一个节点，集成车辆总线通信模块，接收网络总线的控制指令，将外部命令转换为牵引/制动指令等逆变器的控制指令并下达给底层控制器，接收底层控制器的逆变器状态反馈，并将变流器的实时状态传送给列车网络。顶层控制器的功能包括将牵引制动指令转换为逆变器控制指令下达给底层控制器，同时根据列车运行的要求，完成变流器级控制，实现控制逻辑，包括启动或停止变流器和斩波器、风机、水泵等，完成预充电过程，操作各类接触器等。

顶层控制器从系统运行安全的角度出发，实时监测变流器的运行状态，包括电压、电流、温度、压力等，并在其超出正常范围时，可执行相应的控制策略来调整机组运行状态，状态严重异常时，可停机保护设备。

顶层控制器从结构上，包括系统级控制和保护模块、车辆总线接口模块、内部总线接口模块和开关量控制及反馈模块。优选微控制器和可编程逻辑器件构成系统级控制和保护模块；优选对应车辆总线的接口电路或接口芯片，构成车辆总线接口模块；优选对应选用的内部总线的接口电路或接口芯片，构成内部总线接口模块；优选具有隔离功能的光耦或继电器构成开关量控制及反馈模块。

所述顶层控制器用于接收所述车辆的中央控制器的控制指令，完成变流器的系统级控制，同时将所述的牵引和制动控制指令转换为逆变器控制指令并下达给所述底层控制器；所述顶层控制器还用于接收所述底层控制器的变流器状态反馈，并将所述变流器的实时状态反馈给所述车辆的中央控制器。

所述顶层控制器用于根据中央控制器的要求，完成变流器级控制和监测，其包括：启动或停止整流器、逆变器、斩波器、风机和/或水泵，操作各类接触器和断路器，并实时监测变流器的状态，记录系统运行数据，存储故障信息等。

机组中有几个列车网络概念上的节点，即几套变流器装置，则应有几套顶层控制器。如在一个备一套牵引变流器和一套辅助变流器的动力单元中，可使用两个这种顶层控制器，分别作为牵引和辅助变流器的控制器。

2、底层控制器

底层控制器集成了集中式控制器的逆变器的驱动控制功能，目标是按照顶层控制器的指令，结合当前逆变器的关键模拟量如电压、电流、速度等，实时发出控制脉冲，驱动开关功率半导体，完成逆变器控制；同时也需采集温度、压力等与逆变器运行安全息息相关的模拟量，通过内部网络传给顶层控制器以便于其完成系统状态监测和保护。对于可能引起功率器件甚至变流器损坏的严重故障，如功率器件发生短路、电压电流瞬间突破最大限制值等，底层控制器可通过硬件检测的方式检测到并立即执行保护动作，再将故障状态反馈给顶层控制器。该控制器为变流器内的底层控制器，对功率模块的运行负责。优选将这种控制器集成到功率模块上，统称之为智能功率模块。因此机组中，有几套功率模块，则应有几套该底层控制器。如在一个具备一套牵引变流器和一套辅助变流器的动力单元中，牵引变流器由一套四象限整流器和一套牵引逆变器组成，辅助变流器中包含一套辅助逆变器，可使用3个这种控制器，分别安装于四象限整流器模块、牵引逆变器模块和辅助逆变器模块上。

所述顶层控制器和底层控制器由于对控制功能进行了分割，从而降低了单控制器的控制对象数量，能够显著地降低控制器体积；所述底层控制器可安装于功率模块上，以降低与功率器件和传感器的距离，提高集成度，降低干扰，使功率模块智能化；所述顶层控制器可安装于变流器箱体内，与底层控制器以内部总线连接，靠总线机制保证通讯的速率和质量；这种方式代替了集中式控制器靠长距离的控制和信号走线驱动逆变器的方式。

所述顶层控制器和底层控制器间通过内部总线进行通讯，由于其为总线形式，因此具有良好的扩展性，随着机组的复杂化，可通过让底层控制器的数量随智能功率模块数量的增加而增加，同时均连接于以顶层控制器为主的内部总线上，统一的底层控制器硬件平台和智能功率模块的使用可较大程度的降低变流器设计的难度。

图3为本发明实施例的一种动力单元的结构示意图，图4为本发明的分布式控制器在图3所示的动力单元上的应用示意图。如图3所示，该实施例的动力单元有一套完全独立的牵引变流器和一套辅助变流器，牵引变流器均由整流器和牵引逆变器构成，辅助变流器以分为四部分，升压斩波器，中频隔离dc/dc变流器，辅助逆变器，正弦滤波器。该动力单元中，开关管和功率模块的数量较普通的牵引或辅助变流器均要多出不少。

将牵引变流器的顶层控制器称为tcu，将辅助变流器的顶层控制器称为acu，硬件平台一致，分别烧写不同的程序和进行相应的配置。各底层控制器硬件平台一致，统称为icu，分别烧写不同的程序和进行相应的配置。各控制器的布置如图4所示。

在动力单元中，2个tcu和acu作为各自负责的变流器的主控单元，均连接于车辆总线。每台牵引变流器在整流器和逆变器模块上各集成1个icu，辅助变流器中，逆变器上集成1个icu，每单元的升压斩波器和中频隔离dc/dc变流器使用1个icu。

tcu和acu通过车辆总线与中央控制单元进行交互，依据车辆控制逻辑按需操作各类开关、对各自的下属icu下达控制指令，icu结合控制指令和逆变器实时状态数据，生成控制脉冲，驱动开关功率器件，完成相应的整流、逆变、dc/dc变换等功能，同时对机组运行进行监控和保护。

图5为本发明一具体实施例的分布式控制器应用在动力单元的结构示意图。

1、顶层控制器通过车辆总线与中央控制单元进行交互，依据车辆控制逻辑按需操作各类开关、对各自的下属底层控制器下达控制指令。

以顶层控制器4为例，其由4部分组成：车辆总线接口4.1，内部总线接口4.2，控制部分4.3以及开关量驱动和反馈检测电路4.4。顶层控制器对于列车网络而言是1个节点，通过车辆总线接口电路4.1(如mvb)与车辆总线连接；同时采用工业控制局域网总线接口4.2(如can总线)来保障与底层控制器间通讯的时效性和底层控制器数量的可扩展性；控制部分4.3采用1个外设丰富、集成了各类通讯接口适合执行周期性任务的微控制器(如mcu)并辅以1个提高可扩展性的可编程逻辑器件(如fpga或cpld)组合来实现系统控制功能；开关量驱动和反馈检测电路4.4可通过可编程逻辑器件的io结合具备隔离功能的驱动电路(如光耦)来实现。

2、底层控制器针对控制对象的需要，由6-7个部分组成。底层控制器关注由数个开关功率器件组成的桥式电路的控制，负责采集机组关键模拟量，结合控制算法，生成控制脉冲，并对机组加以监控和保护。

以逆变器控制器6为例，通过局域网总线接口6.1(如can总线)接收顶层控制器的控制指令，或与其他底层控制器进行一些交互；控制部分6.2由数字信号处理器及可编程逻辑器件组成，数字信号处理器需要根据系统关键模拟量，执行高性能的实时算法，使用具备丰富硬件乘法器资源和高速处理能力的数字信号处理器(如dsp)来执行算法，执行算法所需模拟量的ad转换驱动，数据存储，脉冲信号生成和反馈检测，关键模拟量超限保护等均可通过可编程逻辑器件(如fpga)完成；ad转换电路6.3需要满足算法执行的时效性和可靠性，可采用逐次逼近式的ad转换器件或具备平均值功能的压频转换电路实现；模拟量限值保护电路6.4应能在系统发生严重故障时不需软件数值比较而直接从硬件上触发保护阈值，并通知可编程逻辑器件执行保护动作，可采用基准电压源配合固定或可调精密电阻分压或通过da转换芯片来实现保护阈值的生成，通过硬件比较电路产生保护信号；控制脉冲输出和反馈6.5需要将控制部分生成的控制脉冲经一定距离传输至功率开关器件模块并采集反馈信号，可采用光纤进行传输；模拟量采样电路6.6将传感器输出的信号调理为ad转换电路可接受范围内的信号；速度信号采集电路6.7，当控制器面对的是牵引逆变器模块且控制算法需要检测速度时，需针对电机的速度传感器类型进行相应设计。

本发明中，动力单元分为两大部分，一是牵引变流器，二是辅助变流器。使用两台顶层控制器来分别控制这两部分，分别为牵引控制器4.tcu和辅助控制器5.acu。

1、对牵引变流器来说，其包含两套完全一致的整流器1.7和2.7和两套完全一致的逆变器1.12和2.12，其直流母线都连接在一起。将其进行模块化划分，可分为两个整流模块1.7和2.7，两个逆变模块1.14和2.14。每个模块采用1个底层控制器进行控制，依次为整流器控制器5.icu和7.icu，以及逆变器控制器6.icu和8.icu。

2、对辅助变流器来说，其包括了两套升压斩波器4.3和4.18，两套中频隔离dc/dc变流器4.7和4.25，一套辅助逆变器4.13，一套正弦滤波器4.15。两套升压斩波器和中频隔离dc/dc变流器协同工作，使用1台9.icu来控制。辅助逆变器采用1台10.icu控制。

3、4.tcu和5-8.icu完成牵引变流器控制，4.tcu从车辆总线接受指令，对主开关1.3，2.3和预充电接触器1.5和2.5进行操作，并将整流器1.9，2.9和逆变器1.14，2.14的指令下达给各icu。整流器控制器5.icu和7.icu检测输入电流传感器1.6和2.6的值，和中间环节电压传感器1.13的值，对整流器1.7和2.7发送控制脉冲，在中间环节产生可控直流电压，在中间环节电压超限时，通过对1.9和2.9的开关管进行控制主动放电。6.icu和8.icu结合1.13的中间环节电压和1.15逆变器输出电流以及1.17电机转速完成逆变器驱动控制。各icu在接收指令的同时，会监控各自关注的功率模块，并将状态反馈于4.tcu。

11.acu和9.icu和10.icu完成辅助变流器控制，11.acu从车辆总线接受指令，对4.17的三相输出接触器进行控制，并将升压占波单元4.4和4.19、中频dc/dc转换电路4.7和4.25和三相逆变器4.13的控制指令下达给各个icu。9.icu检测1.13中间直流环节的电压值、4.2升压斩波器输入电流的值和4.11中频dc/dc变流器的输出电压，对升压斩波器4.4、4.18和逆变器4.6、4.22发送控制脉冲，在低压直流支撑电容4.12上产生直流电压。10.icu结合4.11的直流电压传感器，4.14的输出电流传感器和4.16的输出电压传感器，将控制脉冲发给4.13，完成三相逆变功能。各icu在接收指令的同时，会监控各自关注的功率模块，并将状态反馈于11.acu。

通过以上对本发明的分布式控制器及其具体实施方式的介绍，可以得到本发明的分布式控制器的有益效果如下：

1、将集中式的控制器从功能上分解为两种，结合实际机组需求搭配不同数量，实现了控制器的模块化，提高了控制器在变流器或动力单元中应用的灵活性；

2、顶层控制器仅对车辆总线和系统控制负责，底层控制器仅对变流器驱动控制负责，相对于集中式控制器功能较为单纯，控制对象数量也较少，可免除机箱式设计，以一块电路板或底板加少量扣板的方式来实现，极大的降低了空间需求；

3、顶层和底层控制器分别采用统一的硬件平台，在不同应用场合下通过烧写不同程序和进行配置来实现不同功能，节约了硬件成本；

4、各底层控制器和功率模块成为了一个整体，仅需在功率模块上进行短距离的走线，减少了控制电缆、模拟信号电缆在箱内的走线，降低了机组复杂程度，利于机组的组装和维护维修；

5、顶层控制器与底层控制器之间的连接采用工业控制局域网标准总线，用标准总线来替代需要长距离传输的不同类型的控制线和信号线，减少了在传输途中受到干扰的可能，总线可联挂多台设备的特性也提高了可扩展性。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。