基于CPLD的智能固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的研制

鐵路行車速度的不斷提高對鐵路信號設(shè)備和供電設(shè)備的可靠性提出了更高要求。鐵路信 號電源由貫通和自閉兩條線路供電，經(jīng)過自動轉(zhuǎn)換開關(guān)(ATS)輸出給信號燈。ATS 應(yīng)具有 遠程遙分遙合、過電流保護、開關(guān)狀態(tài)指示、當(dāng)?shù)厥謩拥裙δ堋Ｄ壳艾F(xiàn)場ATS 主要有兩種 實現(xiàn)方法：1、采用斷路器、機械聯(lián)鎖裝置及控制器組合而成;2、采用具有*分合功 能的低壓電控開關(guān)[1]。國外也提出了利用可編程控制器(PLC)的實現(xiàn)方法[2]。幾種方法都 屬于有觸點控制方式，壽命較短、響應(yīng)速度慢，而機械執(zhí)行機構(gòu)的存在降低了可靠性。本文 提出了以CPLD 為核心的智能ATS 技術(shù)，采用半導(dǎo)體功率器件構(gòu)成主電路實現(xiàn)無觸點控制， 同時提供多種功能選擇以適應(yīng)現(xiàn)場的不同需要。

1 主電路設(shè)計

信號燈的額定供電為單相 220V/50Hz，額定工作電流5A，半導(dǎo)體器件可以采用雙向晶 閘管或者固態(tài)繼電器、全控型功率開關(guān)器件如MOSFET、IGBT 等。前者為半控型器件，需 要額外的關(guān)斷電路才能控制斷開，否則只能靠交流電源換向關(guān)斷，不能滿足重度過載或負(fù)載 側(cè)短路時速斷的要求，因此選用后者。

鐵路信號電源采用貫通、自閉兩條線路獨立供電，因此本文設(shè)計的兩路主電路拓?fù)湎嗤?其中一路的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]如圖1 所示，兩路輸出并聯(lián)連接給負(fù)載(信號燈)供電。

圖中，M1、M2 為N 溝道增強型MOS-FET，Y1、Y2 為壓敏電阻，D1-D4 和D5-D8 分別構(gòu)成的整流橋電路在具體實現(xiàn)時可以直接利用整流橋BR1、BR2 代替。

通過控制 MOS 管M1、M2 的同時通斷可以控制本線路是否對負(fù)載供電。

由于自閉、貫通兩條線路獨立供電，因此正常情況下兩線路主電路MOS 控制信號應(yīng) 為互補關(guān)系，而故障狀況下(如負(fù)載側(cè)短路)則兩路控制信號都應(yīng)使MOS 處于關(guān)斷狀態(tài)。 根據(jù)分析結(jié)果，實際選擇整流橋 BR1、BR2 為kbpc3510，UR=1000V，IFAV=35A。 選用IXYS 公司的N 溝道增強型IXFH26N50，ID=26A，UDS=1000V，RDS(on)=0.20Ω。

2 控制電路硬件設(shè)計

系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動切換、過流保護、過載保護、自動重合閘及本地手動操作等功能，因 此設(shè)計的控制電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖中A、B 兩路代表供電的兩條線路。智能ATS 還提 供給用戶四種開關(guān)特性曲線，便于針對現(xiàn)場應(yīng)用特點進行選擇。

2.1 AC/DC 隔離電源

由兩路電源(貫通和自閉)輸入，輸出五路相互隔離的電源，其中一路輸出供給CPLD 及外圍電路，另外四路供給MOS 管的驅(qū)動電路。這樣可以保證任意一條線路正常供電時， ATS 都能夠正常工作。

2.2 電壓檢測電路

通過電壓互感器檢測兩路電源電壓，判斷比較結(jié)果送給 CPLD 作為供電切換的依據(jù)。

2.3 負(fù)載電流檢測放大及判斷

利用交流電流互感器(5A/2.5mA)檢測負(fù)載電流，采樣電壓信號經(jīng)有源低通濾波放大 電路再進行判斷比較，輸出不同的過流信號送給CPLD。

2.4 MOS 管驅(qū)動及互鎖電路

CPLD 輸出的四路MOS 管控制信號經(jīng)過光電耦合器隔離和驅(qū)動電路去控制MOS 管的 導(dǎo)通和關(guān)斷。為避免各種干擾可能造成的兩路同時給負(fù)載供電的意外狀況，設(shè)計了A、B 兩 路驅(qū)動脈沖的硬件互鎖電路。

2.5 本控接口和遠控接口

本地接口主要與裝置的開關(guān)、按鈕和LED 狀態(tài)指示燈進行連接，包括方式選擇開關(guān)、 遠控/本控開關(guān)、分B 合A 按鈕、分A 合B 按鈕、本地復(fù)位按鈕、LED 指示。

遠控接口則用于接收低壓監(jiān)控系統(tǒng)的控制，同時向監(jiān)控裝置匯報包括供電狀況、工作狀 況、故障狀況等重要信息。包括控制信號：RM_EN(遠方有效信號)、RM_A(分B 合A 信 號);RM_B(分A 合B 信號)、RM_RST(遠方復(fù)位信號)。后三個信號必須在RM_EN 有 效的情況下才起作用。

2.6 CPLD 及時鐘、硬件復(fù)位電路

CPLD 即復(fù)雜可編程邏輯器件，內(nèi)部可以集成高達幾十萬甚至上百萬門的數(shù)字邏輯電 路，在線編程功能使用戶可以靈活地改變設(shè)定的功能，同時在設(shè)計過程中通過仿真工具進行硬件仿真，便于調(diào)試[4][5]，因此CPLD 得到了廣泛的應(yīng)用。時鐘電路為CPLD 提供穩(wěn)定可靠 的時鐘信號。利用MAXIM 公司的MAX705 構(gòu)成的硬件WATCHDOG 電路，為系統(tǒng)上電時 提供可靠的復(fù)位信號，解決干擾可能造成的死機問題，提高系統(tǒng)工作的可靠性。

3 CPLD 的邏輯功能實現(xiàn)

3.1 CPLD 要完成的功能

1)供電的自動切換

根據(jù)不同的開關(guān)設(shè)置及信號情況，信號燈有本控主備方式、本控優(yōu)先方式、遠控方式三種工作模式，對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

在本控主備模式下，CPLD 設(shè)定A 為主路，B 為備用。只要A 路電源正常，則由A 路供電，否則才由B 路供電，一旦A 路電源恢復(fù)正常，則自動切換到A 路供電。

在本控優(yōu)先和遠控優(yōu)先模式下，兩路優(yōu)先等級相同。假設(shè) A 路正在工作時電源故障，則自動切換到B 路供電，但A 路電源恢復(fù)正常后并不切換到A 路供電，而由B 路繼續(xù)供電。

本控優(yōu)先模式下本地強制切換控制信號(BUTT_A、BUTT_B)作用，而遠控強制切換控制(REM_A、REM_B)和遠方復(fù)位則無效。遠控優(yōu)先模式則正好相反。

2)過流和過載保護

當(dāng)負(fù)載側(cè)出現(xiàn)短路故障時立即封鎖 MOS 管驅(qū)動脈沖停止對負(fù)載供電，即短路速斷功能。當(dāng)出現(xiàn)過載且持續(xù)相應(yīng)時間后封鎖 MOS 管驅(qū)動脈沖，持續(xù)時間根據(jù)過載電流大小的不

同而不同。

3)故障后延時供電功能

故障停電后在恢復(fù)供電之前經(jīng)過適當(dāng)延時，減少對供電電源的頻繁沖擊而影響其他信號燈的正常工作。

4)自動重投功能

故障停電延時后，自動嘗試恢復(fù)對信號燈的供電。

5)延時切換

A、B 兩路之間切換設(shè)置延時，以避免無延時可能造成的兩路電源的直接短接。

3.2 CPLD 程序設(shè)計

采用 TOP-DOWN 的設(shè)計思想和模塊化編程方法，先將總體功能劃分為五個一級模塊：

1)工作模式模塊

接收本控和遠控信號，結(jié)合當(dāng)前的電源供電狀況，輸出無故障狀況下的A、B 路控制信號以及復(fù)位信號。

2)過流時間設(shè)定及計時模塊

用戶可以根據(jù)實際狀況的不同在 4 種方式中選擇合適的過流持續(xù)時間。不同的設(shè)定與常 用斷路器的不同特性曲線完全對應(yīng)。當(dāng)出現(xiàn)過流時，計時模塊開始工作，達到設(shè)定的時間后 模塊輸出有效過流信號，可以避免外部干擾造成的假過流停機問題。

3)停機時間設(shè)定及計時模塊

用戶可以根據(jù)實際狀況的不同在 4 種方式中選擇過流故障出現(xiàn)后停機的持續(xù)時間。當(dāng)?shù)竭_設(shè)定時間時，模塊輸出可以重新合閘信號，以便恢復(fù)對信號燈的供電。

4)重合閘次數(shù)設(shè)定及計數(shù)模塊 用于用戶設(shè)定需要的過流保護后重新合閘的次數(shù)。如重合次數(shù)達到設(shè)定值則封鎖 MOS 管驅(qū)動脈沖使負(fù)載保持?jǐn)嚯?，直到?fù)位或裝置重新上電。

5)綜合處理模塊 處理來自以上四個模塊的信號，提供合適的 MOS 管觸發(fā)信號，控制給信號燈的供電。 每個一級模塊利用幾個二級模塊組合實現(xiàn)，同時軟件設(shè)計利用狀態(tài)機(State Machine) 作為中間變量，加入冗余處理技術(shù)，提高邏輯的可靠性和抗干擾能力，保證信號燈供電的連 續(xù)性，避免不必要的兩路之間的切換。

3.3 邏輯綜合、仿真

在 MAX+PLUSII[6]編程環(huán)境下，采用了圖形輸入和AHDL 語言編程相結(jié)合的方式，經(jīng) 過實際編譯、功能仿真、定時仿真及不斷的優(yōu)化過程，最終選擇了Altera 公司MAX7000S 系列的EPM7128S-15。仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖中，下述信號高電平有效。OCH 為負(fù)載側(cè)短路信號，OCM、OCL 分別為負(fù)載側(cè)電流 過流、過載信號;A_AC、B_AC 分別為A、B 兩路電源的狀況;A_DRV_M1、B_DRV_M1 分別為A、B 兩路MOS 管的驅(qū)動信號;FAULT 為故障狀況。

4 結(jié)論

根據(jù)上述技術(shù)方案研制的裝置經(jīng)過實際試驗，結(jié)果表明可以實現(xiàn)貫通和自閉兩路供電的 自動無觸點切換、過流保護、過載保護、自動重合閘等功能，提供了多種工作模式供使用者 選擇，滿足實際需求，完全可以替代目前現(xiàn)場應(yīng)用的ATS，提高鐵路信號燈供電的可靠性。 同時這一技術(shù)也可以推廣應(yīng)用于其他場合和行業(yè)，但是大功率場合的應(yīng)用必須考慮本方案存 在的功耗偏大的缺點。

本文的創(chuàng)新點：提出一種基于 CPLD 的智能固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的技術(shù)方案，實現(xiàn)兩路電源的 無觸點切換，提高了可靠性和壽命，多種功能的設(shè)置適合于現(xiàn)場應(yīng)用。