無節點直流轉轍機驅動模塊的研究與設計

李朝金，任喜國

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

1 鐵路信號系統集中控制方式的發展趨勢

隨著通信技術的發展以及前端計算能力的提升，未來的鐵路信號系統將是集無線通信、光纖通信等先進的通信技術于一體，將安全執行單元產品置于軌旁，通過建立各個獨立設備間的通信連接，實現區間、站內一體化和通信、信號一體化的高水平系統。采用軌旁安全執行單元產品，將邏輯控制電路置于現場，實現信號的分布式遠程控制，可以大幅度減少信號電纜的使用量，減少能源消耗，減低工程造價；通過設備的就近控制和閉環控制，可有效提高地面控制系統的可靠性和安全性。

現有的集中控制方式勢必要逐步退出歷史的舞臺。隨著國內對鐵路運輸能力要求的提高，軌旁設備的可靠性及安全性的要求日趨嚴格。與此同時，國外很多信號廠商已開始設計其各自軌旁控制器，而國內的軌旁控制單元僅存在于理論階段，尚未有可以與國外相媲美的軌旁控制設備。

2 無節點直流轉轍機驅動模塊的結構設計

無節點直流轉轍機驅動模塊（簡稱驅動模塊）是軌旁安全執行單元的一個基礎模塊。其基本原理如圖1所示。

整個模塊通過通信線纜接收遠程控制中心的命令。通過雙系同步通信數據后開始執行控制中心的命令。雙CPU同時產生動態控制信號。通過控制強電中高頻電壓轉換器的驅動電路的供電，以保證當任意一個CPU失效時，強電電路無輸出。而強電電路中由于在高頻電壓轉換器中存在高頻變壓器，變壓器原副邊均為物理隔離，因此無論高頻電壓轉換器失效與否，變壓器的副邊均不會有輸出，以保證轉轍機模塊的可靠性及安全性。驅動模塊在驅動輸出時有輸出電壓、電流檢測，可以實時監控輸出的變化，當有異常時驅動模塊停止輸出。驅動完成后通過動態采集電路判斷轉轍機是否到位，將轉轍機的驅動狀態上報給遠程控制中心。

驅動模塊集監測、控制及通信多元一體化的方式，具有遠程通信，道岔位置監測，轉轍機驅動及監測等功能，可以實現遠程控制中心對軌旁轉轍機的實時監控。無節點的特點不僅降低了整個系統的風險性，而且還具有配線簡單、維護方便、成本低廉等特點。

3 驅動模塊的功能

針對直流轉轍機的軌旁執行單元，驅動模塊采用電壓電流雙閉環控制并對輸出驅動電路采用與信號機類似的“雙斷”安全驅動技術，兩個CPU之間獨立接收命令并運算，輸出安全驅動模塊的控制信號，以實現安全驅動模塊的“故障-安全”功能，驅動模塊主要可以實現以下幾個功能。

1）接收遠程中心的控制信號，并進行自我校驗，雙CPU校驗通過后方可執行；

2）實時采集轉轍機的位置及狀態；

3）驅動轉轍機進行定/反位運行，到位后自動停止輸出；

4）對驅動時電壓/電流進行實時檢測、監控；

5）驅動及表示電路自檢。

驅動模塊主要由雙CPU、動態電源輸出電路、高頻電壓轉換電路、動態采集電路、電源轉換電路組成。

4 驅動模塊的硬件控制部分

與全電子電路及機械式安全繼電器不同的是，整個強電與弱電之間不采用任何繼電器節點，且要保證能安全輸出。

4.1 供電

整個模塊的取電部分均從軌旁220 V分為兩路：一路通過開關電源將220 V的交流電轉換為24 V的安全直流電，再經過DC-DC隔離電源模塊為控制芯片等弱電電路進行供電；另一路作為驅動模塊的輸入電壓通過電力變換達到額定輸出電壓。

4.2 CPU

采用標準的“二取二結構”，每個CPU分別從通信線上獲取控制信息，獨立的構成閉環控制結構，通過二取二邏輯后判斷命令是否一致，進行轉轍機位置判斷，定/反位驅動輸出控制及檢測。CPU與采集、驅動之間采用高頻磁耦隔離，通過兩個CPU產生的安全信號來控制驅動輸出芯片的供電，保證當一系CPU異常時，整個模塊無輸出。

4.3 采集電路

采集電路分為驅動采集及到位采集兩個部分。驅動采集通過采集驅動及自檢時的輸出電壓、輸出電流信息，采用隔離運放將輸出強電與采集電路進行隔離。采集電路采用異構的結構，將采集輸出分別傳輸至對應的CPU中，兩個CPU通過對采集電路傳輸的輸出電壓、輸出電流信號進行“二取二”控制：判斷輸出是否正常、驅動是否到位等信息。其原理如圖2所示。

到位采集采用動態采集電路，通過對動態信號的采集判斷轉轍機處于定位或反位還是四開狀態。

4.4 驅動電路

通過將220 V交流電壓經過PFC等交流濾波電路后，經過高頻電壓轉換電路，將220 V的交流信號轉換為高頻脈沖信號，采用高頻變壓器將高頻脈沖信號進行電壓變換后，經過整流濾波電路將電壓轉換為直流轉轍機所需電壓后采用“雙斷”的控制方式進行輸出，采用的開關選用耐壓高、通流量大的電力電子器件進行輸出。其原理如圖3所示。

高頻電壓變換電路由驅動芯片控制電壓信號由直流電壓轉換為可控的高頻交流電壓。高頻電壓變換電路的控制信號由CPU通過電壓、電流采集后經過計算得出控制信號的幅值，經過光耦隔離送到驅動芯片，同時CPU產生兩路不同頻率的動態信號，通過兩級動態電路產生一恒定的安全電源為高壓驅動芯片供電。當且僅當CPU正常工作且動態信號正常時，驅動電路才可以正常工作，以控制高頻電壓轉換電路工作。否則整個電路無輸出。

由于高頻變壓器具有天然的原副邊隔離優勢，因此高頻變壓器的原邊器件發生器件故障時，不會將變壓器原邊的能量向變壓器副邊傳遞或直接使變壓器原邊短路燒斷入口保險，變壓器副邊無能量輸出。變壓器副邊元器件發生故障時，有采集電路發現后，停止動態信號，由此保證驅動芯片無電源供電，來切斷高頻電壓變換電路的驅動供電，停止驅動，由此保證驅動輸出的安全性及可靠性。

5 驅動模塊的軟件設計

驅動模塊的軟件主要完成與控制中心安全通信，并控制硬件完成控制中心發出的命令，當發現異常時停止采集、輸出，并向控制中心上報。兩個CPU軟件同樣采用的是“二取二”結構進行設計。其具體流程如圖4所示。

軟件模塊主要實現各個子模塊的調度控制功能。上電進行上電初始化，對各個寄存器進行配置，配置完成后進行上電自檢。當自檢通過后開始對轉轍機的狀態進行采集，經過雙CPU同步處理將采集的信息上傳至控制中心。當控制中心發出驅動命令后，兩個CPU分別從各自的總線獲取控制信息，經同步比較、獲取一致信息后，開始對到位采集電路進行控制，將采集到的信息進行分析。與控制命令進行比較，如果位置信息不一致，調用驅動模塊進行驅動輸出，驅動完畢后，再次調用到位采集電路，將再次采集到的信息進行分析，再次與控制命令進行比較，比較一致后，向控制中心發出命令執行完畢信息。空閑時模塊按規定時間進行自檢操作。

6 結論

直流轉轍機是軌旁控制器的重要組成部分，驅動模塊的好壞將直接決定軌道列車的通行效率，甚至事關生命安全。無節點直流轉轍機驅動模塊采用“故障-安全”原則進行設計，驅動輸出采用高頻變壓器隔離，驅動電路定時自檢，到位表示電路采用動態采集表示電路的方式保證整個模塊的安全性、可靠性?，F代軌旁控制單元采用此模塊將顯著減少信號電纜的敷設工程，減少設備室的數量，減輕維護人員的工作量，縮短故障排除時間。無節點直流轉轍機驅動模塊性能穩定，具有較強的實用價值，將在未來的軌旁控制器中發揮重要的作用。