一種新型牽引變流器功率模塊IPM測試裝置

彭 湃

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲412001）

目前牽引變流器功率模塊IPM測試如圖1所示，采用三菱提供的IPM光脈沖信號發生器，通過調節旋鈕式電位器來調節發送的光脈沖信號脈寬，從而控制功率模塊上的2個IPM通斷時間。測試過程中需有一臺示波器作為陪試品來監測IPM的反饋信號波形。

圖1 現有技術測試方法

由于采用旋鈕式電位器模擬調節方式，在調節過程中無法直觀地顯示出對應的脈寬值，在測試過程中需多次調節才能輸出制定脈寬的光脈沖信號，而且在測試過程中需增加一臺示波器用于檢測發送以及反饋波形，無疑增加了測試成本。

通過分析牽引變流器功率模塊IPM測試的原理，以及IPM光信號發生器調節發送光脈沖信號的機制，設計出一套新型的IPM測試裝置，用于取代目前測試方法中的IPM光信號發生器和示波器。

1 系統整體方案設計

利用嵌入式單片機控制技術，將現有技術測試方法中的IPM光信號發生器和示波器兩者的功能做到一個裝置上如下圖2所示，通過薄膜按鍵設定光脈沖的脈寬值，利用定時器的定時輸出功能輸出指定的光脈沖信號給IPM，同時利用單片機的輸入捕獲功能實現IPM反饋波形的捕獲并顯示在LCD液晶屏上。

圖2 IPM測試裝置測試方法

IPM光信號測試裝置系統結構框圖如圖2所示，采用兩片32位單片機主從結構設計，主CPU用來處理按鍵輸入，LCD液晶屏顯示GUI界面以及IGBT的通斷檢測；從CPU負責光脈沖的發送和反饋脈沖的捕獲。主CPU通過串口發送命令控制從CPU的執行，同時從CPU將捕獲的數據發送給主CPU，主CPU將波形圖顯示在LCD液晶屏上。

2 硬件設計[1]

采用ARM Cortex-M3內核的STM32F103系列的處理器，最高工作頻率可以達到72 MHz.定時器/計數器通過分頻可以達到1 MHz的工作頻率，可以滿足波形捕獲的要求。主CPU采用LQFP48封裝的STM32F103VCT6，從 CPU采用 LQFP100封裝的STM32F103C8T6.

主CPU的外圍電路有時鐘電路、復位電路、按鍵電路、LCD顯示接口電路、外部存儲電路、IGBT通斷電路（見圖3）；從CPU的外圍電路有時鐘電路、復位電路、光電轉換電路。電源電路和程序下載電路為主CPU和從CPU的共用電路，程序下載電路通過跳帽進行選擇與主CPU還是從CPU相連。

圖3 系統結構框圖

IGBT通斷檢測電路：IGBT通斷檢測電路如下圖4所示，通過4個電阻分壓，每個IGBT上承受3 V的電壓。當觸發IGBT導通時，分壓電阻上的電壓由3 V降到0 V，再通過光耦進行隔離輸出到主控制器CPU的IO端口，CPU通過檢測IO端口電平的變化即可知道IGBT是否導通或者關斷。

圖4 IGBT通斷檢測圖

光電轉換電路：為了實現電信號脈沖到光信號脈沖的轉換采用松下的ENQD553E8光收發模塊，該轉換模塊工作電壓為5 V而CPU的IO端口輸出電平只有3.3 V，為了保證光轉換模塊可靠工作在兩者間加入了三態總線緩沖器 74HC540（反向）和74HC541.

3 程序設計

本裝置采用C語言編程實現各項功能[2]，程序分為兩部分：主CPU程序，從CPU程序。

主CPU程序如下圖5所示，負責按鍵輸入、LCD液晶屏顯示輸出控制、IGBT的通斷檢測、控制命令的發送。開機系統初始化后進入功能顯示菜單，通過按鍵選擇可以進入功率模塊試驗或者IPM測試兩個功能。

圖5 主CPU主程序流程圖

從CPU是主CPU命令的執行者，主要負責發送光脈沖信號，以及對光脈沖的輸入捕獲。通過對IPM反饋的光脈沖信號上升沿與下降沿的捕獲，從而獲得IGBT的通斷時間，并將IGBT的通斷時間發送給主CPU用于顯示，從CPU主程序流程圖、外部中斷程序流程圖如圖6、圖7所示。

圖6 從CPU主程序流程圖

圖7 從CPU外部中斷程序流程圖

4 結束語

通過采用新型的牽引變流器功率模塊IPM測試裝置，經過現場測試驗證完全滿足原有的測試試驗要求，同時將IPM光信號發生器和示波器兩者的功能合二為一，降低了測試環境的復雜度，采用數字式的脈寬調節方式極大地方便了現場調試人員操作，對現場調試試驗效率的提升有著顯著地效果。

參考文獻：

[1]（美）諾爾加德.嵌入式系統硬件與軟件架構[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[2]譚浩強.C程序設計[M].2版.北京：清華大學出版社，1999.