电动车组变流器控制装置及系统的制作方法

本发明涉及轨道交通电气控制领域，尤其是涉及一种应用于包括电动车组、电力机车在内轨道交通车辆的主辅一体化变流器控制装置及系统。

背景技术：

当前，在轨道交通领域的变流器控制系统中，主变流器和辅助变流器多采用分立式控制结构，需要单独的控制单元。虽然分立的变流器控制单元能够完全满足控制需求，但仍不免存在一些缺憾。同时，在技术水平飞速发展的今天，轨道交通领域对变流器的体积、重量、成本，以及集成度方面的要求越来越严格。因此，开发一种集成式变流器控制装置的需求也日益紧迫。集成式变流器控制装置，应当包含系统管理、网侧控制、机车控制、辅助控制，以及其他外围控制单元插件，能够实现电气系统四象限整流器、牵引逆变器及辅助逆变器的实时控制，集成度高，可以满足车辆控制特性的需求。

然而，到目前为止，还没有出现能够满足上述要求的集成式变流器控制装置。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电动车组变流器控制装置及系统，能够实现电气系统四象限整流器、牵引逆变器及辅助逆变器的实时控制，根据不同的控制要求灵活的选择不同的单元控制插件来实现控制装置的配置，满足目前的电动车组、电力机车领域的绝大部分应用。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种电动车组变流器控制装置的技术实现方案，电动车组变流器控制装置，包括：模拟量采集处理单元插件、脉冲转换单元插件、网侧信号处理单元插件、机侧信号处理单元插件、实时控制单元插件、数字量输入输出单元插件和系统管理单元插件。所述模拟量采集处理单元插件采集来自于电网、变压器和变流器的电压或电流信号。所述脉冲转换单元插件将所述实时控制单元插件发出的控制信号进行转换后输出至所述变流器，并接收所述变流器的元件故障信息进行转换后输出至所述实时控制单元插件。所述网侧信号处理单元插件根据所述模拟量采集处理单元插件采集到的信号向所述实时控制单元插件输出保护动作信号，并根据所述脉冲转换单元插件采集到的元件故障信息执行保护动作，同时将元件故障信息输出至所述系统管理单元插件。所述机侧信号处理单元插件向所述实时控制单元插件输出电机的速度信号，根据所述模拟量采集处理单元插件、脉冲转换单元插件采集到的信号执行保护动作，并将相应的信息输出至所述系统管理单元插件。所述实时控制单元插件根据所述模拟量采集处理单元插件、网侧信号处理单元插件和机侧信号处理单元插件的输出信号实现所述变流器的控制和保护。所述数字量输入输出单元插件实现主断路器及接触器控制电路控制，并将主断路器及接触器状态反馈信号输出至系统管理单元插件。所述系统管理单元插件，根据所述网侧信号处理单元插件和机侧信号处理单元插件输出的信号进行牵引/制动特性的控制，并向所述数字量输入输出单元插件输出主断路器及接触器控制指令。

优选的，所述模拟量采集处理单元插件，采集来自于电压/电流传感器的电网、变压器原边、次边、整流模块、滤波中间直流电路、逆变模块和辅变模块的电压或电流信号；

所述脉冲转换单元插件，将所述实时控制单元插件发出的控制脉冲信号进行电平转换后并分别输出至对应的所述整流模块、滤波中间直流电路、逆变模块和辅变模块；同时接收来自于对应所述整流模块、滤波中间直流电路、逆变模块和辅变模块的元件故障信息，进行电平转换后输出至所述实时控制单元插件实现元件的保护；

所述网侧信号处理单元插件，对来自于所述模拟量采集处理单元插件的电网的电压信号、整流模块的输入电流信号、变压器的原边电流信号，以及滤波中间直流电路的中间直流电压信号、半电压信号进行判断后作出相应的保护动作，并同时对来自于所述模拟量采集处理单元插件的信号进行滤波处理后输出至所述实时控制单元插件；接收来自于所述脉冲转换单元插件的整流模块元件故障信息，根据设定的控制策略进行相应的保护动作，并将所述元件故障信息输出至所述系统管理单元插件；

所述机侧信号处理单元插件，对来自于电机的速度信号进行处理，并输出至实时控制单元插件；对来自于所述模拟量采集处理单元插件的逆变模块的输入电流、斩波电流信号，以及滤波中间直流电路的中间直流电压信号、半电压信号进行判断并根据设定的控制策略作出相应的保护动作，同时对所述模拟量采集处理单元插件的输出信号进行滤波处理后输出至所述实时控制单元插件；接收来自于所述脉冲转换单元插件的逆变模块和辅变模块元件故障信息，根据设定的控制策略进行相应的保护动作，并将所述元件故障信息输出至所述系统管理单元插件；

所述实时控制单元插件，根据所述模拟量采集处理单元插件、网侧信号处理单元插件和机侧信号处理单元插件输出的信号生成分别用于控制所述整流模块、逆变模块和辅变模块的控制脉冲信号；根据所述网侧信号处理单元插件和机侧信号处理单元插件传输的元件故障信息对所述整流模块、逆变模块和辅变模块进行脉冲封锁保护；

所述数字量输入输出单元插件，将来自于主断路器及接触器控制电路的主断路器及接触器状态反馈信号输出至系统管理单元插件，并向所述主断路器及接触器控制电路发出接触器控制指令；

所述系统管理单元插件，根据所述网侧信号处理单元插件和机侧信号处理单元插件输出的信号进行牵引/制动特性的控制，向所述整流模块、逆变模块和辅变模块输出启停控制信号，并向所述数字量输入输出单元插件输出主断路器及接触器控制指令。

优选的，所述模拟量采集处理单元插件进一步包括第一模拟量采集处理单元插件和第二模拟量采集处理单元插件。所述第一模拟量采集处理单元插件采集所述变压器原边的电流、所述整流模块的输入电流、所述滤波中间直流电路的直流电压和温度信号，并输出至所述网侧信号处理单元插件。所述第二模拟量采集处理单元插件采集所述电机的电流、温度，所述逆变模块中斩波模块的斩波电流，所述辅变模块的电流、电压信号，变流器柜体内外的温度，以及变流器水冷装置的水压信号，并输出至所述机侧信号处理单元插件。

优选的，所述实时控制单元插件进一步包括网侧控制插件、电机控制插件和辅变控制插件；

所述网侧控制插件，根据经过所述第一模拟量采集处理单元插件和网侧信号处理单元插件处理后的所述变压器原边的电流、所述整流模块的输入电流、所述滤波中间直流电路的直流电压信号进行计算，实现包括锁相环、双闭环控制、PWM调制在内的控制算法，完成对所述整流模块的实时控制；根据所述网侧信号处理单元插件传输的元件故障信息对所述整流模块进行脉冲封锁保护；

所述电机控制插件，根据经过所述第二模拟量采集处理单元插件和机侧信号处理单元插件处理后的所述电机的速度、电压、电流、温度、所述逆变模块的斩波电流进行计算，实现包括闭环控制、PWM调制在内的控制算法，完成对所述逆变模块的实时控制，实现所述电机的控制；根据所述机侧信号处理单元插件传输的元件故障信息对所述逆变模块进行脉冲封锁保护；

所述辅变控制插件，根据经过所述第二模拟量采集处理单元插件处理后的所述辅变模块的电流、电压信号进行计算，实现包括闭环控制、PWM调制在内的控制算法，完成所述辅变模块的并联控制；根据所述第二模拟量采集处理单元插件传输的元件故障信息对所述辅变模块进行脉冲封锁保护。

优选的，所述脉冲转换单元插件进一步包括第一脉冲转换单元插件和第二脉冲转换单元插件；

所述第一脉冲转换单元插件，将来自于所述整流模块的元件故障信息进行电平转换后通过所述网侧信号处理单元插件传输至所述网侧控制插件；对所述网侧控制插件输出的控制脉冲信号进行电平转换后输出至所述整流模块，实现所述整流模块的控制与脉冲封锁保护；

所述第二脉冲转换单元插件，将来自于所述逆变模块的元件故障信息进行电平转换后通过所述机侧信号处理单元插件传输至所述电机控制插件；将来自于所述辅变模块的元件故障信息进行电平转换后通过所述机侧信号处理单元插件传输至所述辅变控制插件；对所述电机控制插件输出的控制脉冲信号进行电平转换后输出至所述逆变模块，实现所述逆变模块的控制与脉冲封锁保护；对所述辅变控制插件输出的控制脉冲信号进行电平转换后输出至所述辅变模块，实现所述辅变模块的控制与脉冲封锁保护。

优选的，所述变流器控制装置还包括背板，所述背板用于实现所述网侧控制插件、电机控制插件、辅变控制插件、网侧信号处理单元插件、机侧信号处理单元插件、数字量输入输出单元插件和系统管理单元插件之间的信号互联，所述背板采用多功能绕线式单元结构。

优选的，所述变流器控制装置还包括电源处理单元插件，所述电源处理单元插件为所述网侧控制插件、电机控制插件、辅变控制插件、第一模拟量采集处理单元插件、第二模拟量采集处理单元插件、网侧信号处理单元插件、机侧信号处理单元插件、第一脉冲转换单元插件、第二脉冲转换单元插件、数字量输入输出单元插件和系统管理单元插件，以及所述整流模块、逆变模块和辅变模块提供工作电源。

优选的，所述网侧控制插件、电机控制插件、辅变控制插件、网侧信号处理单元插件、机侧信号处理单元插件、数字量输入输出单元插件、系统管理单元插件之间通过并行AMS数据总线进行通信。

优选的，所述网侧信号处理单元插件，对所述电网的电流、电压信号进行滤波、放大处理后形成网压瞬时值、有效值信号，以实现所述电网的过压保护；对所述整流模块的输入电流信号进行滤波、放大处理后形成电流瞬时值、过流信号，以实现所述整流模块的输入过流保护；对所述滤波中间直流电路的中间直流电压信号进行滤波、放大处理以形成电压瞬时值、过压信号，以实现所述滤波中间直流电路的过压保护；对所述滤波中间直流电路的中间直流半电压信号进行滤波、放大处理后与所述中间直流电压信号合成，形成主回路接地判断信号，以实现主回路接地保护；对所述变压器的原边电流信号进行滤波、放大、合成处理后形成原边电流瞬时值、原边过流信号、原边接地信号，以实现所述变压器的原边过流、接地保护。

优选的，所述网侧信号处理单元插件对所述电网的电压信号进行滤波、放大处理后还生成网压同步信号，以实现与其它变流器控制装置的网压同步信号互传。所述网侧信号处理单元插件还与制动控制单元进行信号交互。

优选的，所述机侧信号处理单元插件对来自于所述电机的速度信号进行滤波和多选一处理，并输出至所述电机控制插件。所述机侧信号处理单元插件根据所述电机控制插件输出的控制信号实现所述逆变模块的输出过流、中间直流过压、斩波过流、辅助逆变器输出过流/过压和三相不平衡保护。所述系统管理单元插件操作所述机侧信号处理单元插件产生故障复位信号，对所述网侧信号处理单元插件、机侧信号处理单元插件、第一脉冲转换单元插件、第二脉冲转换单元插件，以及所述整流模块、逆变模块和辅变模块进行复位。

本发明还另外具体提供了一种电动车组变流器控制系统的技术实现方案，电动车组变流器控制系统，包括：如上所述的变流器控制装置，以及与所述变流器控制装置相连的主断路器及接触器控制电路、整流模块、滤波中间直流电路、逆变模块、辅变模块、电机和变压器。

通过实施上述本发明提供的电动车组变流器控制装置及系统，具有如下有益效果：

（1）本发明能够完成四象限整流器，主变流器和辅助变流器的控制功能且控制任务分工明确清晰，实时控制单元插件具有强大的数据采集能力及运算能力，保证了数据处理的速度，实时性强；

（2）本发明控制装置的单元插件可配置性强，可以根据不同控制功能的需求进行配置，衍生出不同种类的控制装置；

（3）本发明采用插件式的控制单元结构，具有丰富的人机接口，在故障排查，产品维护等方面都较为便捷；

（4）本发明采用高度集成的控制单元，由系统管理插件进行系统管理，具有强大的管理能力。

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的介绍。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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1是本发明电动车组变流器控制装置所应用的牵引变流器主电路结构框图；

图2是本发明电动车组变流器控制装置一种具体实施方式的系统结构框图；

图3是本发明电动车组变流器控制系统一种具体实施方式的结构功能框图；

图4是本发明电动车组变流器控制装置一种具体实施方式中模拟信号处理单元插件的结构组成框图；

图5是本发明电动车组变流器控制装置一种具体实施方式中脉冲转换单元插件的结构组成框图；

图6是本发明电动车组变流器控制装置一种具体实施方式中网测信号单元插件的结构组成框图；

图7是本发明电动车组变流器控制装置一种具体实施方式中电机信号单元插件的结构组成框图；

图8是本发明电动车组变流器控制装置一种具体实施方式中实时控制单元插件的结构组成框图；

图9是本发明电动车组变流器控制装置一种具体实施方式中系统管理单元插件的结构组成框图；

图中：1-主断路器及接触器控制电路，2-整流模块，3-滤波中间直流电路，4-逆变模块，5-辅变模块，6-辅变负载，7-电机，8-变压器，9-电机速度传感器，10-牵引变流器，11-电压/电流传感器，100-传动控制单元（DCU），200-制动控制单元（BCU），300-电网，101-模拟单元处理电路，102-脉冲及故障信号处理单元，103-速度信号处理单元，104-逆变控制单元，105-整流控制单元，106-辅变控制单元，107-数字量输入/输出控制单元，108-并行数据总线，109-系统管理单元，201-网侧控制插件，202-电机控制插件，203-辅变控制插件，204-第一模拟量采集处理单元插件，205-第二模拟量采集处理单元插件，206-网侧信号处理单元插件，207-机侧信号处理单元插件，208-第一脉冲转换单元插件，209-第二脉冲转换单元插件，210-数字量输入输出单元插件，211-系统管理单元插件，212-电源处理单元插件，213-背板。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

PCU：Pulse Convert Unit，脉冲转换单元插件的简称；

APA：Analog Process A，模拟量采集处理单元A的简称；

APB：Analog Process B，模拟量采集处理单元B的简称；

LSC：Line Signal Card，网侧信号处理单元插件的简称；

LCC：Line Control Card，网侧控制插件的简称；

MSC：Motor Signal Card，机测信号处理单元插件的简称；

MCC：Motor Control Card，电机控制插件的简称；

ACC：Assist Control Card，辅变控制插件的简称；

SMC：System Manage Card，系统管理插件的简称；

DIO：Digital Input and Output，数字量输入输出单元插件的简称；

MVB：Multifunction Vehicle Bus，多功能车辆总线的简称；

BCU：Brake Control Unit，制动控制单元的简称；

DSP：Digital Signal Processor，数字处理芯片的简称；

FPGA：Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列的简称；

CI：牵引变流器的简称；

DCU：Drive Control Unit，传动控制单元的简称；

VHDL：Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，高速集成电路硬件描述语言的简称；

PWM：Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制的简称；

IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管的简称。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

如附图1至附图9所示，给出了本发明电动车组变流器控制装置及系统的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示，为本发明电动车组变流器控制装置所应用的牵引变流器主电路结构框图。牵引变流器10包括主断路器及接触器控制电路1、变流器、传动控制单元100（DCU）、制动控制单元200（BCU），变流器进一步包括整流模块2、滤波中间直流电路3、逆变模块4和辅变模块5。来自于电网300的单相工频电网电压输入信号经过变压器8输入主断路器及接触器控制电路1，其中一路依次经整流模块2、滤波中间直流电路3、逆变模块4后驱动电机7，另一路依次经整流模块2、滤波中间直流电路3、辅变模块5后驱动辅变负载6。其中，传动控制单元100（DCU）即为本发明具体实施例描述的电动车组变流器控制装置。

如附图3所示，为本发明电动车组变流器控制系统一种具体实施方式的结构功能框图。一种电动车组变流器控制系统的具体实施例，包括：如上所述的变流器控制装置，以及与变流器控制装置相连的主断路器及接触器控制电路1、整流模块2、滤波中间直流电路3、逆变模块4、辅变模块5、电机7和变压器8。变流器控制装置（即附图中的传动控制单元100）在系统功能模块组成上划分为：模拟单元处理电路101、脉冲及故障信号处理单元102、速度信号处理单元103、逆变控制单元104、整流控制单元105、辅变控制单元106、数字量输入/输出控制单元107和系统管理单元109。逆变控制单元104、整流控制单元105、辅变控制单元106、数字量输入/输出控制单元107和系统管理单元109之间通过并行数据总线108实现信号互联。

对应于本发明电动车组变流器控制装置的系统结构组成，如附图2所示的具体实施例以功能单元插件的方式将电动车组变流器控制装置划分成了模拟量采集处理单元插件、脉冲转换单元插件、网侧信号处理单元插件206、机侧信号处理单元插件207、实时控制单元插件、数字量输入输出单元插件210和系统管理单元插件211。其中，具体对应关系为：模拟单元处理电路101对应于第一模拟量采集处理单元插件204、第二模拟量采集处理单元插件205；脉冲及故障信号处理单元102对应于第一脉冲转换单元插件208、第二脉冲转换单元插件209；速度信号处理单元103对应于机侧信号处理单元插件207；逆变控制单元104对应于电机控制插件202；整流控制单元105对应于网侧控制插件201；辅变控制单元106对应于辅变控制插件203；数字量输入/输出控制单元107对应于数字量输入输出单元插件210；系统管理单元109对应于系统管理单元插件211。

如附图2所示，为本发明电动车组变流器控制装置一种具体实施方式的系统结构框图。一种电动车组变流器控制装置的具体实施例，包括：模拟量采集处理单元插件、脉冲转换单元插件、网侧信号处理单元插件206、机侧信号处理单元插件207、实时控制单元插件、数字量输入输出单元插件210和系统管理单元插件211。模拟量采集处理单元插件采集来自于电网300、变压器8和变流器的电压或电流信号。脉冲转换单元插件将实时控制单元插件发出的控制信号进行转换后输出至变流器，并接收变流器的元件故障信息进行转换后输出至实时控制单元插件。网侧信号处理单元插件206根据模拟量采集处理单元插件采集到的信号向实时控制单元插件输出保护动作信号，并根据脉冲转换单元插件采集到的元件故障信息执行保护动作，同时将元件故障信息输出至系统管理单元插件211。机侧信号处理单元插件207向实时控制单元插件输出电机7的速度信号，根据模拟量采集处理单元插件、脉冲转换单元插件采集到的信号执行保护动作，并将相应的信息输出至系统管理单元插件211。实时控制单元插件根据模拟量采集处理单元插件、网侧信号处理单元插件206和机侧信号处理单元插件207的输出信号实现变流器的控制和保护。数字量输入输出单元插件210实现主断路器及接触器控制电路1控制，并将主断路器及接触器状态反馈信号输出至系统管理单元插件211。系统管理单元插件211，根据网侧信号处理单元插件206和机侧信号处理单元插件207输出的信号进行牵引/制动特性的控制，并向数字量输入输出单元插件210输出主断路器及接触器控制指令。需要特别说明的是，鉴于篇幅原因，在附图2所示的框图中并未示出每个功能单元插件的全部功能。

如附图4所示，模拟量采集处理单元插件，采集来自于电压/电流传感器11的电网300、变压器8原边、次边、整流模块2、滤波中间直流电路3、逆变模块4和辅变模块5的电压或电流信号，进行转换、隔离、滤波、放大等处理。由于在逆变模块4中还集成了斩波模块，因此模拟量采集处理单元插件也同样采集斩波电流。

模拟量采集处理单元插件进一步包括第一模拟量采集处理单元插件（APA）204和第二模拟量采集处理单元插件（APB）205。第一模拟量采集处理单元插件204和第二模拟量采集处理单元插件205采用相同的硬件结构，均包括信号调理单元、驱动信号处理单元、放大器、采样电阻和箍位电路。来自于外部传感器的电压、电流信号经过箍位电路进行限位，采样电阻进行采样后通过放大器进行放大，再经信号调理单元进行信号调理整形处理后通过自定义总线输出至背板213。驱动信号处理单元为外部的温度、压力传感器提供驱动信号。

第一模拟量采集处理单元插件204采集变压器8原边的电流、整流模块2的输入电流、滤波中间直流电路3的直流电压和温度信号，并输出至网侧信号处理单元插件206。第二模拟量采集处理单元插件205采集电机7的电流、温度，逆变模块4中斩波模块的斩波电流，辅变模块5的电流、电压信号，变流器柜体内外的温度，以及变流器水冷装置的水压信号，并输出至机侧信号处理单元插件207。

如附图5所示，脉冲转换单元插件（PCU），将实时控制单元插件发出的控制脉冲信号、使能信号和复位信号进行电平转换后通过脉冲分配板分别输出至对应的整流模块2、滤波中间直流电路3、逆变模块4和辅变模块5。脉冲转换单元插件同时接收来自于对应整流模块2、滤波中间直流电路3、逆变模块4和辅变模块5的元件故障信息，进行电平转换后输出至实时控制单元插件实现元件的保护。脉冲转换单元插件的对外电气接口可根据实际需求配置成光信号或者电信号连接方式。

脉冲转换单元插件进一步包括第一脉冲转换单元插件208和第二脉冲转换单元插件209。第一脉冲转换单元插件208和第二脉冲转换单元插件209采用相同的硬件结构，均包括信号转换单元一、信号转换单元二和逻辑控制单元一。（IGBT）元件故障信号通过信号转换单元一进行电平转换，再通过逻辑控制单元一进行逻辑处理后通过自定义总线输出至背板213。来自于背板213的脉冲信号经过逻辑控制单元一进行逻辑处理后输出至信号转换单元一进行电平转换，对外输出PWM控制脉冲信号。

第一脉冲转换单元插件208将来自于整流模块2的元件故障信息进行电平转换后通过网侧信号处理单元插件206传输至网侧控制插件201。第一脉冲转换单元插件208对网侧控制插件201输出的控制脉冲信号进行电平转换后输出至整流模块2，实现整流模块2的控制与脉冲封锁保护。

第二脉冲转换单元插件209将来自于逆变模块4的元件故障信息进行电平转换后通过机侧信号处理单元插件207传输至电机控制插件202。第二脉冲转换单元插件209将来自于辅变模块5的元件故障信息进行电平转换后通过机侧信号处理单元插件207传输至辅变控制插件203。第二脉冲转换单元插件209对电机控制插件202输出的控制脉冲信号进行电平转换后输出至逆变模块4，实现逆变模块4的控制与脉冲封锁保护。第二脉冲转换单元插件209对辅变控制插件203输出的控制脉冲信号进行电平转换后输出至辅变模块5，实现辅变模块5的控制与脉冲封锁保护。

如附图6所示，网侧信号处理单元插件（LSC）206进一步包括信号处理单元一、逻辑控制单元二和信号处理单元二。外部的网压信号、BCU信号，以及DCU同步信号通过信号处理单元一进行处理后输出至逻辑控制单元二。来自于背板213的（IGBT）元件（管）故障信号，以及来自于背板213经过信号处理单元二处理后的整流模块电压、电流信号输入逻辑控制单元二。逻辑控制单元二通过对上述信号进行逻辑处理后，通过自定义总线向背板213输出信号。

网侧信号处理单元插件206对来自于模拟量采集处理单元插件的电网300的电压信号、整流模块2的输入电流信号、变压器8的原边电流信号，以及滤波中间直流电路3的中间直流电压信号、半电压信号进行判断后作出相应的保护动作，并同时对来自于模拟量采集处理单元插件的信号进行滤波处理后输出至实时控制单元插件。网侧信号处理单元插件206接收来自于脉冲转换单元插件的整流模块2元件故障信息，根据设定的控制策略进行相应的保护动作，实现IGBT元件故障保护，并将所有的元件故障信息输出至系统管理单元插件211。IGBT元件故障保护的门槛值可以通过上位机的软件远程设置，可实现信号处理通道及保护门槛的自检功能。

网侧信号处理单元插件206对电网300的电流、电压信号进行滤波、放大处理后形成网压瞬时值、有效值信号，以实现电网300的过压保护。网侧信号处理单元插件206对整流模块2的输入电流信号进行滤波、放大处理后形成电流瞬时值、过流信号，以实现整流模块2的输入过流保护。网侧信号处理单元插件206对滤波中间直流电路3的中间直流电压信号进行滤波、放大处理以形成电压瞬时值、过压信号，以实现滤波中间直流电路3的过压保护。网侧信号处理单元插件206对滤波中间直流电路3的中间直流半电压信号进行滤波、放大处理后与中间直流电压信号合成，形成主回路接地判断信号，以实现主回路接地保护。网侧信号处理单元插件206对变压器8的原边电流信号进行滤波、放大、合成处理后形成原边电流瞬时值、原边过流信号、原边接地信号，以实现变压器8的原边过流、接地保护。这些信号在经过网侧信号处理单元插件206处理后会传送至实时控制单元插件，同时网侧信号处理单元插件206上集成有硬件比较电路直接生成保护信号，比较严重的网络信号会直接发出保护动作，部分次级重要的网络信号则需要经过实时控制单元插件或系统管理单元插件211经过判断后再发出保护动作信号。

网侧信号处理单元插件206对电网300的电压信号进行滤波、放大处理后还生成网压同步信号，以实现与其它变流器控制装置的网压同步信号互传。网侧信号处理单元插件206还与制动控制单元200进行信号交互。通常动车组内包括一个以上的变流模块，而多个变流模块需要同步工作时就需要利用网压同步信号。而与制动控制单元200接口的信号包括电制动力请求、反馈、以及载荷信号等信号。

如附图7所示，机侧信号处理单元插件（MSC）207进一步包括逻辑控制单元三、信号处理单元三、信号处理单元四和电源模块。外部的电机速度信号经过信号处理单元三进行信号处理后输出至逻辑控制单元三。来自于背板213的（IGBT）元件（管）故障信号，以及来自于背板213经过信号处理单元四处理后的逆变模块电压、电流信号输入逻辑控制单元三。逻辑控制单元三通过对上述信号进行逻辑处理后，向背板213输出电机速度信号、元件故障信息、逆变模块输入电流、斩波电流信号等。电源模块为外部的电机速度传感器提供工作电源。

机侧信号处理单元插件207是实现机侧变流器（即逆变模块4）控制的外围插件，对来自于电机7的速度信号进行处理，并将电机速度信号输出至实时控制单元插件。机侧信号处理单元插件207对来自于模拟量采集处理单元插件的逆变模块4的输入电流、斩波电流信号，以及滤波中间直流电路3的中间直流电压信号、半电压信号进行判断并根据设定的控制策略作出相应的保护动作，同时对模拟量采集处理单元插件的输出信号进行滤波处理后输出至实时控制单元插件。机侧信号处理单元插件207接收来自于脉冲转换单元插件的逆变模块4和辅变模块5的IGBT元件故障信息，根据设定的控制策略进行相应的保护动作，并将元件故障信息输出至系统管理单元插件211。

机侧信号处理单元插件207对来自于电机7的速度信号进行滤波和多选一处理，并将电机速度信号输出至电机控制插件202。机侧信号处理单元插件207根据电机控制插件202输出的控制信号实现逆变模块4的输出过流、中间直流过压、斩波过流、辅助逆变器输出过流/过压和三相不平衡保护。系统管理单元插件211操作机侧信号处理单元插件207产生故障复位信号，对网侧信号处理单元插件206、机侧信号处理单元插件207、第一脉冲转换单元插件208、第二脉冲转换单元插件209，以及整流模块2、逆变模块4和辅变模块5进行复位。IGBT元件故障保护的门槛值可以通过上位机的软件远程设置，可实现信号处理通道及保护门槛的自检功能。

如附图8所示，实时控制单元插件，根据模拟量采集处理单元插件、网侧信号处理单元插件206和机侧信号处理单元插件207输出的信号生成分别用于控制整流模块2、逆变模块4和辅变模块5的PWM控制脉冲信号。根据网侧信号处理单元插件206和机侧信号处理单元插件207传输的元件故障信息对整流模块2、逆变模块4和辅变模块5进行脉冲封锁保护。

实时控制单元插件进一步包括一块网侧控制插件（LCC）201、两块电机控制插件（MCC）202和一块辅变控制插件（ACC）203。网侧控制插件201、电机控制插件202和辅变控制插件203采用相同的硬件结构，均包括以太网模块一、第一DSP、第二DSP、逻辑控制单元四和信号处理单元五。以电机控制插件202为例，元件故障信息以硬线信息的形式输入逻辑控制单元四，经逻辑控制单元四处理后分别输出至第一DSP和第二DSP。电机速度、电压、电流、温度、逆变模块的斩波电流信号经信号处理单元五处理后输出至第二DSP。第一DSP根据逻辑控制单元四的输出信号进行计算处理，并通过自定义总线向背板213输出脉冲封锁保护信号。第二DSP根据信号处理单元五和第一DSP的输出信号进行计算处理，并向背板213输出逆变模块控制脉冲信号。

网侧控制插件201根据经过第一模拟量采集处理单元插件204和网侧信号处理单元插件206处理后的变压器8原边的电流、整流模块2的输入电流、滤波中间直流电路3的直流电压信号进行计算，实现包括锁相环、双闭环控制、PWM调制在内的控制算法，生成网侧整流器（整流模块2）控制所需的PWM信号，实现整流控制功能，完成对整流模块2（即网侧变流器）的实时控制。网侧控制插件201根据网侧信号处理单元插件206通过背板213传输的元件故障信息对整流模块2进行脉冲封锁保护。

电机控制插件202根据经过第二模拟量采集处理单元插件205和机侧信号处理单元插件207处理后的电机7的速度、电压、电流、温度、逆变模块4的斩波电流进行计算，实现包括闭环控制、PWM调制在内的控制算法，生成逆变器（逆变模块4）控制所需的PWM信号，实现电机控制功能，完成对逆变模块4（即机侧变流器）的实时控制，实现电机7的控制。电机控制插件202根据机侧信号处理单元插件207通过背板213传输的元件故障信息对逆变模块4进行脉冲封锁保护。

辅变控制插件203根据经过第二模拟量采集处理单元插件205处理后的辅变模块5的电流、电压信号进行计算，实现包括闭环控制、PWM调制在内的控制算法，生成辅助逆变器（辅变模块5）控制所需的PWM信号，实现辅变并联控制功能，完成辅变模块5的并联控制。辅变控制插件203根据第二模拟量采集处理单元插件205通过背板213传输的元件故障信息对辅变模块5进行脉冲封锁保护。

数字量输入输出单元插件210将来自于主断路器及接触器控制电路1的主断路器及接触器状态反馈信号输出至系统管理单元插件211，并向主断路器及接触器控制电路1发出接触器控制指令。其中，主断路器和充电短接接触器是主电路上电时，根据不同的控制逻辑实现上电冲击电流的控制，同时根据实时控制单元的指令做出保护跳主断路器动作后，使主电路掉电保护内部电气线路，其他的断路器及接触器也是实现类似的功能。数字量输入信号经过光电隔离进行信号转换，继电器类型的数字量采用触头控制输出，MOSFET类型的数字量输出，额定容量大，可直接驱动接触器线圈。

如附图9所示，系统管理单元插件（SMC）211进一步包括以太网模块二、处理器、逻辑控制单元五、CAN通信模块和RS485通信模块。系统管理单元插件211，根据经过逻辑控制单元五处理后的网侧信号处理单元插件206和机侧信号处理单元插件207输出的信号进行牵引/制动特性的控制，通过自定义总线向整流模块2、逆变模块4和辅变模块5输出启停控制信号，并向数字量输入输出单元插件210输出主断路器及接触器控制指令。同时，处理器还通过以太网模块二向上位机传输信息。此外，系统管理单元插件211还用于实现机箱AMS总线管理；数字信号管理及系统控制逻辑；与网络系统的MVB通讯；RS232/RS485串口通讯；通过以太网与车辆交换机相连，可构成实时以太网节点；系统故障的软件保护；系统故障记录与实时监控；变流器控制装置中各单元插件程序或参数的单点下载。

变流器控制装置还包括背板213，背板213用于实现网侧控制插件201、电机控制插件202、辅变控制插件203、网侧信号处理单元插件206、机侧信号处理单元插件207、数字量输入输出单元插件210和系统管理单元插件211之间的信号互联，背板213采用多功能绕线式单元结构。采用多功能绕线结构的背板213将控制装置内的其它功能单元插件互连起来，提供装置内部数据交互的载体。背板213可根据实际控制需求灵活绕线，满足系统的可配置要求。

变流器控制装置还包括电源处理单元插件212，电源处理单元插件212为网侧控制插件201、电机控制插件202、辅变控制插件203、第一模拟量采集处理单元插件204、第二模拟量采集处理单元插件205、网侧信号处理单元插件206、机侧信号处理单元插件207、第一脉冲转换单元插件208、第二脉冲转换单元插件209、数字量输入输出单元插件210和系统管理单元插件211，以及整流模块2、逆变模块4和辅变模块5提供工作电源。在本发明具体实施例中，还可以根据控制对象的需要增加更多的脉冲转换单元插件，如：第三脉冲转换单元插件等。电源处理单元插件212内部的DC/DC处理电源可以移至需要所需该等级电源的其他单元插件内部实现。电源处理单元插件212采用开关电源单元插件结构，将外部供电接入面板插头，经变换后为机箱内各个功能单元插件、风扇层、电流电压传感器、变流器模块等提供直流电源。

网侧控制插件201、电机控制插件202、辅变控制插件203、网侧信号处理单元插件206、机侧信号处理单元插件207、数字量输入输出单元插件210、系统管理单元插件211之间通过并行AMS数据总线进行通信，也可以采用其它专用并行总线或其它高速总线替代。

上述具体实施例描述的变流器控制装置各单元插件中的数字信号处理单元可以采用浮点型DSP实现，逻辑控制单元可以采用FPGA实现，处理器可以采用基于POWERPC的处理器芯片，同时具备MVB、以太网等对外通讯接口。因此，上述插件组成的变流器控制装置，通过各处理器的强大能力可以实现电气系统四象限整流器、主变流器及辅助变流器的实时控制，充分满足车辆在牵引/制动特性、逻辑控制及与列车网络通信、诊断检测及故障保护等方面的要求。

在本发明的具体实施例中，各种不同类型接口信号处理单元插件的功能模块可以根据系统控制的要求进行不同形式的组合，只需更改单元插件对内、对外的电气接口即可实现相应的控制功能。例如：机侧信号处理单元插件207中的速度信号处理单元功能也可完全转移至第一模拟量采集处理单元插件（APA）204或第二模拟量采集处理单元插件（APB）205中实现。脉冲转换单元插件（PCU）的故障处理以及脉冲信号处理也可以转移至数字量输入输出单元插件（DIO）210中实现。对于实现基本控制功能的电机速度、电压、电流等模拟量是必须采集的，整流和逆变模块的脉冲信号和故障信号也是必须处理的。而通过增加采集压力，温度等信号则可以更好地完成装置的控制精度及性能。同时，模拟信号和数字信号处理单元也可以混合使用。因此，熟悉本领域的一般技术人员采用本发明具体实施例描述的控制装置衍生出来的任何单对象的控制装置，以及其他类似的单元插件组成的控制装置也在本专利的保护范畴之内。

通过实施本发明具体实施例描述的电动车组变流器控制装置及系统，能够达到以下技术效果：

（1）本发明具体实施例描述的电动车组变流器控制装置及系统能够完成四象限整流器，主变流器和辅助变流器的实时控制功能且控制任务分工明确清晰，能够满足车辆在牵引/制动特性、逻辑控制及与列车网络通信、诊断检测及故障保护等方面的要求；

（2）本发明具体实施例描述的电动车组变流器控制装置的单元插件可配置性强，可以根据不同控制功能的需求进行配置，衍生出不同种类的控制装置；具备丰富的外部接口，能够实时采集牵引传动系统的电压、电流、温度、压力、接触器、IGBT元件等信号状态，实现与车辆制动系统、网络系统等完成数据交互；

（3）本发明具体实施例描述的电动车组变流器控制装置采用插件式的控制单元结构，具有丰富的人机接口，在故障排查，产品维护等方面都较为便捷；同时，平台易用性强、节约了系统成本、缩小了变流器空间、提高了控制集成度、方便生产制造；

（4）本发明具体实施例描述的电动车组变流器控制装置及系统采用高度集成的控制单元，由系统管理插件进行系统管理，具有强大的管理能力；

（5）本发明具体实施例描述的电动车组变流器控制装置实时控制单元插件具有强大的数据采集能力及运算能力，FPGA和DSP的高速运算内核保证了数据处理的速度，实时性强；

（6）本发明具体实施例描述的电动车组变流器控制装置软件易于开发，本控制单元选用的DSP和FPGA采用的都是控制领域内通用的C语言和VHDL语言进行开发，非常方便程序的移植。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。