基于ZYNQ的地铁牵引逆变器监测与控制系统设计

摘要：设计了基于ZYNQ的地铁牵引逆变器监测与控制系统，本系统在Xilinx的 Zynq7000 SOC芯片平台上进行软硬件设计。PS端ARM核1运行Linux操作系统，控制以太网芯片与列车网路交互数据。PS端ARM核2运行电机控制算法，生成PWM脉冲周期和占空比。PL端FPGA生成PWM脉冲，完成电压、电流、速度采样，执行接触器控制与逆变器保护逻辑。试验结果表明，该监测与控制系统可以在进行牵引逆变器控制的同时，对其运行状态进行了监测与保护，保证了地铁车辆的安全可靠运行。

关键词：ZYNQ；牵引逆变器；ARM；FPGA

1.概述

城市轨道交通的快速发展对地铁车载设备的可靠性、可维护性、轻量化提出了更高的要求。牵引逆变器作为地铁车辆的主要驱动设备，肩负着其他设备不可匹敌的重要作用。牵引逆变器由牵引监测与控制系统及外部主电路元件如接触器、功率器件、电容、电感、传感器等组成。牵引逆变器监测与控制系统的主要执行机构是牵引控制单元，文中以牵引控制单元作为研究对象。牵引控制单元是整个牵引逆变器的大脑，它不但要接收来自列车网络系统的指令，还需要将指令通过一系列的算法与逻辑驱动功率器件，使牵引电机带动列车运行。牵引控制单元中集成了通信技术、信号处理技术、电机控制技术、操作系统、数据处理技术等[1-4]，传统的牵引控制单元采用了众多诸如DSP、FPGA、CPLD、ARM等可以编程的芯片，各个芯片之前有着复杂的总线来交互数据以达到控制单元预期功能，这类控制单元设计原理复杂、开发周期长、可靠性差、维护困难。

综上考虑，本文选用Xilinx的ZYNQ-7000系列的XC7Z045为主控芯片，提出了一种基于ZYNQ的新型监测与控制系统架构。XC7Z045内部集成两个ARM核，并且集成了一块FPGA，FPGA与ARM之间可以通过内部高速总线AXI交换数据，使得控制单元不需要众多的编程芯片，可以在一片XC7Z045芯片上完成逻辑、算法、通信等功能，控制单元的板卡数量也大为减少，并且可靠性及性能较传统的控制单元更为优秀。

2. 监测与控制系统架构

监测与控制系统架构如图1所示，其主要执行机构为牵引控制单元，主要构成包括：DI/DO接口电路、PWM脉冲光电转换电路、A/D转换电路、转速采集电路、以太网接口电路、ZYNQ主控芯片及外围电路。

3.硬件设计

牵引控制单元的主控芯片采用Xilinx的Zynq7000 SOC芯片XC7Z045，该芯片采用ARM+FPGA SOC技术将双核ARM Cortex-A9和FPGA可编程逻辑集成在一颗芯片上。XC7Z045芯片可分成处理器系统部分Processor System（PS）和可编程逻辑部分Programmable Logic（PL）。在XC7Z045芯片的PS端挂载2片共2GB高速DDR3 SDRAM芯片作为ARM核1的Linux操作系统的运行内存，在PL端挂载 2 片共2GB 高速 DDR3 SDRAM 芯片作为FPGA运行时的高速数据缓存，使得ARM系统和FPGA系统能独立处理和存储的数据的功能。在PS端挂载1片16GB的 EMMC 存储芯片作为数据存储器，同时挂载2片256Mb的QSPI FLASH芯片作为XC7Z045的操作系统、固件及应用程序的存储介质。在PS 端挂载2片千兆以太网芯片作为与列车总线进行交互数据的接口。

4.软件功能设计

4.1 ARM核1功能设计

ARM核1中集成Linux操作系统，实现功能如下：1）通过以太网接口接收来自列车网络的命令，经AXI总线送给XC7Z045的PL端FPGA。2）通过以太网接口，上传给列车网络牵引逆变器的实时状态信息，如电机电流、转速、接触器状态、故障状态等信息。3）接收来自PL端FPGA发送的牵引逆变器的实时运行状态数据和故障数据，并以文件的形式存储到外部存储器（EMMC）中，提供FTP服务供PC查询和下载。4）建立存储器（EMMC）存储空间监测与清理线程，在存储空间达到一定程度清理存储空间，保留最近若干天的数据。5）建立TCP/IP服务器，并在上位机通过以太网口连接控制单元时，为上位机提供牵引逆变器实时运行状态数据。

4.2 ARM核2功能设计

ARM核2中运行裸机程序，实现如下功能：1）读取列车网络命令（ARM核1-> FPGA-> ARM核。2）从FPGA读取AD采样数据，运行电机控制算法，计算出PWM脉冲的周期和占空比，通过AXI总线发送给FPGA。3）将牵引逆变器运行过程中的电压、电流、温度、转速、转矩等数据通过AXI总线发送给PL端FPGA。

4.3 PL端FPGA功能设计

PL端FPGA中实现如下功能：1）FPGA对电压、电流等模拟信号进行采样，并将采样结果放到AXI总线上等待ARM核2读取。2）根据ARM核2发送的PWM周期和占空比生成带有死区的PWM脉冲，通过光电转换电路驱动功率单元工作。3）接收ARM核1发送的列车网络指令，并根据一定的逻辑吸合关断接触器。4）在变流器发生故障时及时断开接触器，并将PWM脉冲置为低电平，快速保护功率器件不受损坏。5）在内部块RAM中存储逆变器的实时运行数据，并且以先进先出的形式存储，在逆变器故障发生时刻保留最近一段时间的数据，通过AXI总线发送给ARM核1。

4.4 AXI总线设计

在ZYNQ中支持三种AXI总线，拥有三种AXI接口，用的都是AXI协议。 其中三种AXI总线分别为：AXI4、AXI4-Lite、AXI4-Stream；三种AXI接口分别为AXI-GP、AXI-HP、AXI-ACP。

本文采用AXI4-Lite总线AXI-GP接口，以PS端是AXI-GP的Master接口，PL端是Slave接口。PS端ARM核1与PL端FPGA建立一条AXI-GP通路，分配读写地址。ARM核1定时读取PL端FPGA的数据，完成数据上传网路，同时，ARM核1将接收到的网络指令写给PL端FPGA。PS端ARM核2与PL端FPGA建立一条AXI-GP通路，分配读写地址。ARM核2读取PL端FPGA采集的传感器数据，执行电机控制算法，同时，ARM核2将电机运行状态写给PL端FPGA。

5.试验验证与结论

本文设计的牵引逆变器监测与控制系统已经在某地铁项目上成功应用，运行效果良好。该监测与控制系统实现了牵引逆变器的控制与运行状态监测，与列车网络建立通信，执行故障保护逻辑，存储运行过程中故障数据与状态数据，保证了地铁车辆的安全可靠运行。此外，本设计使用一片ZYNQ芯片代替了传统方案中使用DSP、FPGA、CPLD、ARM等众多可编程芯片的状况，降低了牵引控制单元的设计与研发成本，可以在工程中推广应用。

参考文献

[1]侯俊杰，赵宇，李孟委.基于Zynq的步进电机控制系统[J]. 国外电子测量技术，2021，40（3）：108-112.

[2]项松，王庆峰，李相强，等.基于ZYNQ的动车组牵引网电能质量监测装置[J].仪表技术与传感器，2024，30（3）：38-43.

[3]陆学峰，孙帆，马文涛，等. 基于Zynq的医用内窥镜视频流采集与处理系统设计与研究[J].电子器件，2023，46（6）：1726-1733.

[4] 李明峰，叶剑利，林平，等.基于FPGA无速度传感器直接转矩控制系统[J].电力电子技术，2003，37（2）：32-34.

作者简介：杨伟（1983—），男，汉族，陕西汉中，西安中车永电捷通电气有限公司高级工程师，研究方向为电力电子与电气传动。