專利名稱：脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置和電力機車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力機車控制技術(shù)，特別地涉及一種脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置和電力機車。
背景技術(shù)：
目前，地鐵和輕軌等軌道列車中，通常將電力機車作為牽引機車，為軌道列車提供牽引力或制動力，進而通過電力機車牽弓I各節(jié)車列運行。電力機車的供電系統(tǒng)中，越來越多的使用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation,簡稱PWM)整流器，將PWM整流器輸出的信號作為調(diào)節(jié)牽引力或者制動力大小的控制信號，將該信號進行處理后發(fā)送給電力機車上的控制器，進而，控制器控制相關(guān)設(shè)備為列車提供所需的牽引力或制動力。PWM整流器輸出的信號通常為一種周期固定，占空比可調(diào)的方波信號，圖1為現(xiàn)有技術(shù)提供的對PWM整流器輸出的方波信號進行處理的濾波電路原理圖，圖2為圖1所示電路中方波信號與輸出電壓的波形圖，如圖1所示，該濾波電路為RC電路，包括串聯(lián)的R和電容C。當(dāng)該RC電路的時間常數(shù)遠遠大于PWM整流器輸出方波信號的周期T時，方波信號Vin經(jīng)過濾波后輸出電壓Vout的波形如圖2所示。當(dāng)處于瞬態(tài)時，PWM整流器P輸出的方波信號Vin在高電平時向電容C充電，電容C積累電荷，在低電平時電容C放電，電容C釋放電荷。電容C積累的電荷數(shù)多余釋放的電荷數(shù)，因此電容C兩端的直流電壓不斷升高，最終達到穩(wěn)態(tài)。在達到穩(wěn)態(tài)后，電容C積累的電荷與釋放的電荷數(shù)量相等，輸出電壓Vout會在一個穩(wěn)定的電壓值附近做小幅度的波動。由上述描述可知，通過該濾波電路可將PWM整流器輸出的方波信號轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號，如果忽略輸出電壓波形中的紋波，則該方波信號的占空比越大，則電容C兩端的輸出電壓越大，因此，通過調(diào)節(jié)PWM整流器輸出方波信號的占空比可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。然后，可將代表該輸出電壓大小的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后發(fā)送給控制器，而控制器根據(jù)數(shù)字信號所代表的電壓大小控制相關(guān)設(shè)備為列車提供所需的牽引力或制動力。而方波信號的占空比的范圍一般從10% 90%，可將占空比為10%時，作為最小牽引力或制動力的控制信號，占空比越大代表牽引力或制動力越大，占空比為90%時，作為最大牽引力或制動力的控制信號，通過調(diào)節(jié)PWM整流器輸出的方波信號的占空比可實現(xiàn)列車所需牽引力或者制動力的調(diào)節(jié)。但是上述的這種濾波電路，由于輸出電壓存在波動，因此，根據(jù)該濾波電路將方波信號轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號后，根據(jù)該模擬電壓信號得到的數(shù)字信號所代表的電壓大小作為列車提供相應(yīng)的制動力或牽引力的依據(jù)，會造成一定偏差，因此，影響列車的安全穩(wěn)定行駛。
發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置和電力機車。本發(fā)明提供的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置，包括隔離變換模塊、整形模塊和有源濾波模塊，其中，所述隔離變換模塊與脈寬調(diào)制整流器相連，用于將脈寬調(diào)制整流器輸出的脈沖信號與所述整形模塊和有源濾波模塊電氣隔離并將所述脈沖信號的幅值縮小至設(shè)定倍數(shù)后輸出；所述整形模塊與所述隔離變換模塊相連，用于對幅值縮小至設(shè)定倍數(shù)的脈沖信號進行整形以輸出矩形波形式的脈沖信號；所述有源濾波模塊與所述整形模塊相連，用于過濾所述脈沖信號中包含的諧波并將所述脈沖信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，且所述模擬電壓信號所代表的電壓值與所述脈沖信號的占空比成線性關(guān)系。本發(fā)明還提供了一種電力機車，包括脈寬調(diào)制整流器，還包括本發(fā)明提供的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置。本發(fā)明提供脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置和電力機車，該轉(zhuǎn)換裝置尤其適用于電力機車中，可將電力機車中PWM整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號。通過隔離變換模塊將PWM整流器輸出的脈沖信號進行隔離變換，將脈沖信號與整形模塊和有源濾波模塊電氣隔離，避免PWM整流器輸出的脈沖信號對各模塊產(chǎn)生電磁干擾，因而不會影響各模塊工作的穩(wěn)定性，并通過整形模塊對脈沖信號整形，通過有源濾波模塊濾除脈沖信號中的諧波后將脈沖信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，提高了最后得到模擬電壓信號的質(zhì)量，消除了模擬電壓信號中的紋波，使最后輸出的模擬電壓信號所代表的電壓值與PWM整流器輸出的方波信號的占空比為線性關(guān)系，而該電壓值的大小為控制器控制相關(guān)設(shè)備為列車提供相應(yīng)的制動力或牽引力的依據(jù)，因此，通過調(diào)節(jié)PWM整流器輸出的脈沖信號的占空比可實現(xiàn)對列車所需牽引力或者制動力的平滑調(diào)節(jié)，提高列車運行的安全性和穩(wěn)定性。
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為現(xiàn)有技術(shù)提供的對PWM整流器輸出的方波信號進行處理的濾波電路原理圖；圖2為圖1所示電路中方波信號與輸出電壓的波形圖；圖3為本發(fā)明實施例所提供的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置的方框圖；圖4為本發(fā)明實施例所提供的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置中隔離變換模塊和整形模塊部分的電路圖；圖5為本發(fā)明實施例所提供的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置中有源濾波模塊的電路圖6為本發(fā)明實施例所提供的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置中驅(qū)動放大模塊的電路圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。在電力機車的供電系統(tǒng)中，通常設(shè)置有PWM整流器，將PWM整流器的輸出信號作為調(diào)節(jié)牽引力或者制動力大小的控制信號，并且，需將PWM整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，然后再將該模擬電壓信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后發(fā)送給控制器，而控制器根據(jù)數(shù)字信號所代表的電壓大小控制相關(guān)設(shè)備為列車提供所需的牽引力或制動力。本發(fā)明實施例提供了一種脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置，該轉(zhuǎn)換裝置用于對PWM整流器的輸出信號進行轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換裝置尤其適用于電力機車中，可將電力機車中PWM整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號。圖3為本發(fā)明實施例所提供的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置的方框圖，如圖3所示，該轉(zhuǎn)換裝置包括隔離變換模塊20、整形模塊21和有源濾波模塊22。隔離變換模塊20與脈寬調(diào)制整流器(圖中為示出)相連，用于將脈寬調(diào)制整流器輸出的脈沖信號與整形模塊和有源濾波模塊電氣隔離并將脈沖信號的幅值縮小至設(shè)定倍數(shù)后輸出。整形模塊21與隔離模塊20相連，用于對幅值縮小至設(shè)定倍數(shù)的脈沖信號進行整形以輸出矩形波形式的脈沖信號。有源濾波模塊22與整形模塊21相連，用于過濾脈沖信號中包含的諧波并將脈沖信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，且該模擬電壓信號所代表的電壓值與脈沖信號的占空比成線性關(guān)系。PWM整流器輸出的信號通常為方波形式的沖信號，該脈沖信號的幅值可能為IlOv或者220v的較高電壓的信號，并且通常為高頻信號，通過設(shè)置隔離變化模塊可將PWM整流器輸出的脈沖信號與整形模塊和有源濾波模塊電氣隔離，避免該脈沖信號對各模塊產(chǎn)生電磁干擾，而影響各模塊工作的穩(wěn)定性，并將該脈沖信號的幅值縮小至設(shè)定倍數(shù)后輸出，該縮小的設(shè)定倍數(shù)可根據(jù)需要設(shè)置。隔離變換模塊具體的可采用各種形式的光耦隔離芯片和通過設(shè)計相關(guān)的外圍電路實現(xiàn)。由于隔離變換模塊中通常包含有電容，而電容的充放電需要一個過程，因此，PWM整流器輸出的脈沖信號經(jīng)過隔離變換模塊后，該幅值縮小至設(shè)定倍數(shù)的脈沖信號會發(fā)生變形，該脈沖信號的上升沿或下降沿變成平緩上升或下降的形式，整形模塊可對該脈沖信號進行整形，以輸出邊沿陡峭的矩形波形式的脈沖信號。整形模塊可采用反相器或其他的相關(guān)電路實現(xiàn)，可利用反相器的電壓傳輸特性將經(jīng)過隔離變換模塊輸出的脈沖信號進行整形后可輸出邊沿陡峭的矩形波形式的脈沖信號。由于上述的隔離變換模塊和整形模塊，包括脈寬調(diào)制整流器中均免不了包含各種電力電子器件，比如，二極管、三極管和晶閘管等，因此，自脈寬調(diào)制整流器輸出脈沖信號，再經(jīng)過隔離變換模塊和整形模塊后輸出，整個信號傳輸過程中會產(chǎn)生諧波，而諧波的存在會造成信號波形的畸變，影響信號的質(zhì)量，因此，通過有源濾波模塊可將脈沖信號中存在的諧波濾除。有源濾波模塊通常為由RC元件與運算放大器組成的濾波電路，可讓一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，抑制或急劇衰減該頻率范圍以外的諧波，以得到所需要頻率的信號，并通過有源濾波模塊可將脈沖信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，該模擬電壓信號即可代表有源濾波模塊輸出電壓值的大小，并且該電壓值與脈沖信號的占空比成線性關(guān)系。由上述技術(shù)方案，本發(fā)明實施例提供的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置，該轉(zhuǎn)換裝置尤其適用于電力機車中，可將電力機車中PWM整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號。通過隔離變換模塊將PWM整流器輸出的脈沖信號進行隔離變換，將脈沖信號與整形模塊和有源濾波模塊電氣隔離，避免PWM整流器輸出的脈沖信號對各模塊產(chǎn)生電磁干擾，因而不會影響各模塊工作的穩(wěn)定性，并通過整形模塊對脈沖信號整形，通過有源濾波模塊濾除脈沖信號中的諧波后將脈沖信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，提高了最后得到模擬電壓信號的質(zhì)量，消除了模擬電壓信號中的紋波，使最后輸出的模擬電壓信號所代表的電壓值與PWM整流器輸出的方波信號的占空比為線性關(guān)系，而該電壓值的大小為控制器控制相關(guān)設(shè)備為列車提供相應(yīng)的制動力或牽引力的依據(jù)，因此，通過調(diào)節(jié)PWM整流器輸出的脈沖信號的占空比可實現(xiàn)對列車所需牽引力或者制動力的平滑調(diào)節(jié)，提高列車運行的安全性和穩(wěn)定性。在上述實施例的基礎(chǔ)上，進一步的，該轉(zhuǎn)換裝置中還可以設(shè)置驅(qū)動放大模塊，該驅(qū)動放大模塊與有源濾波模塊相連，用于將模擬電壓信號放大至設(shè)定倍數(shù)。驅(qū)動放大模塊可采用各種形式的運算放大器實現(xiàn)，對于放大倍數(shù)根據(jù)需要設(shè)置即可，該放大倍數(shù)與將該模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的采樣電壓大小有關(guān)，放大后的模擬電壓信號所代表的電壓值不能超過數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置的采樣電壓的最大值。通過該驅(qū)動放大模塊將有源濾波模塊輸出的模擬電壓信號放大后，該模擬電壓信號所代表的電壓值的取值范圍更大，因此，可將該取值范圍內(nèi)的不同點分割成更多的不同電壓值，而控制器根據(jù)該不同的電壓值控制相應(yīng)設(shè)備為列車提供不同牽引力和制動力，因此，電壓值的取值范圍越大，對應(yīng)列車各牽引力和制動力的點越多，對列車運行速度的調(diào)節(jié)越精確，可進一步提高列車運行的穩(wěn)定性。上述的隔離變換模塊、整形模塊、有源濾波模塊和驅(qū)動放大模塊可通過多種形式的電路或硬件實現(xiàn)，下面結(jié)合附圖介紹本發(fā)明實施例提供的實現(xiàn)上述各模塊功能的具體電路。圖4為本發(fā)明實施例所提供的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置中隔離變換模塊和整形模塊部分的電路圖，如圖4所示，該隔離變換模塊20包括光耦隔離器B1、第二電阻R2、第三電阻R3、第一電容Cl和第二電容C2。整形模塊21為兩個串聯(lián)的第一反相器IClB和第二反相器IC1C。光耦隔離器BI包括兩個輸入端和兩個輸出端，圖4中所示的光耦隔離器BI是型號為HCPL0661的高速光耦隔離芯片，該芯片包括四個輸入端和四個輸出端，本實施例中利用其中的兩個輸入端3、4和兩個輸出端5、6。光稱隔離器BI的兩個輸入端3、4分別為發(fā)光二極管LEDl的負極和正極,兩個輸出端5、6分別為三極管Al的發(fā)射極和集電極。光耦隔離器BI的第一輸入端4經(jīng)一穩(wěn)壓二極管VZl和第一電阻Rl與脈寬調(diào)制整流器相連，且光耦隔離器BI的第二輸入端3經(jīng)一反相器(圖中為示出)與脈寬調(diào)制整流器相連。光I禹隔離器BI的第一輸出端5接地,且該第一輸出端5經(jīng)第一電容Cl與直流電源連接，并經(jīng)第二電容C2與整形模塊21相連。光耦隔離器BI的第二輸出端6經(jīng)第二電阻R2連接至直流電源，并經(jīng)第三電阻R3與整形模塊21相連。上述電路的工作原理為PWM整流器輸出的脈沖信號經(jīng)過穩(wěn)壓二極管VZl和電阻Rl后流入發(fā)光二極管LEDl的正極，并且該脈沖信號經(jīng)過一反相器后相位反轉(zhuǎn)180度后流入發(fā)光二極管LEDl的負極。當(dāng)PWM整流器輸出的脈沖信號為低電平時，發(fā)光二極管LEDl的正負極之間的電壓差為零，發(fā)光二極管LEDl不能導(dǎo)通，沒有電流通過，三極管Al也截止，沒有電流流過R2和R3，此時，9點的電壓等于直流電源的電壓VCC，該VCC的電壓通常為5V，也就是該隔離變換模塊20的輸出電壓為VCC，而電容Cl和C2通過直流電源充滿電荷后兩端的電壓大小也為VCC，并且，電容Cl起到穩(wěn)定直流電源的電壓VCC的作用，電容C2起到穩(wěn)壓3點電壓的作用。當(dāng)脈沖信號的電壓為高電平時，發(fā)光二極管LEDl的正負極之間的電壓差為脈沖信號高電平電壓的兩倍，發(fā)光二極管LEDl導(dǎo)通發(fā)光，并產(chǎn)生光電流使發(fā)光二極管LED2導(dǎo)通，三極管Al也導(dǎo)通，將有電流流過R2和R3并從三極管Al的集電極流向發(fā)射極再流入地，此時，由于電容C2上的電荷將短時間內(nèi)釋放完畢，使9點的電壓變?yōu)榱?。由上述描述可?點的電壓,在PWM整流器輸出的脈沖信號為低電平時為VCC的電壓，在PWM整流器輸出的脈沖信號為高電平時變?yōu)榱悖虼?，PWM整流器輸出的脈沖信號經(jīng)過隔離變換模塊20后輸出的信號也為脈沖信號。但是，由于電容C2放電需要一個短暫的過程，輸出的該脈沖信號的下降邊沿并非陡峭變化的脈沖信號。為對經(jīng)過隔離變換模塊輸出的該脈沖信號進行整形，本實施例中將串聯(lián)的第一反相器IClB和第二反相器IClC作為整形模塊，經(jīng)過對該脈沖信號的兩級反相后可輸出邊沿陡峭的矩形波脈沖信號。圖5為本發(fā)明實施例所提供的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置中有源濾波模塊的電路圖，如圖5所示，該有源濾波模塊包括第一運算放大器U1B、第四電阻R4、第五電阻R5、第三電容C3和第四電容C4。第一運算放大器UlB的同相輸入端10經(jīng)第四電容C4接地，第一運算放大器UlB的反相輸入端11與第一運算放大器UlB的輸出端12短接。第一運算放大器UlB的同相輸入端10經(jīng)第四電阻R4和第五電阻R5與整形模塊相連，第四電阻R4和第五電阻R5之間的一連接點VM與第一運算放大器UlB的反相輸入端12之間連接第三電容C3。由圖5所示的電路圖可知
權(quán)利要求
1.一種脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，包括隔離變換模塊、整形模塊和有源濾波模塊，其中，所述隔離變換模塊與所述脈寬調(diào)制整流器相連，用于將脈寬調(diào)制整流器輸出的脈沖信號與所述整形模塊和有源濾波模塊電氣隔離并將所述脈沖信號的幅值縮小至設(shè)定倍數(shù)后輸出；所述整形模塊與所述隔離變換模塊相連，用于對幅值縮小至設(shè)定倍數(shù)的脈沖信號進行整形以輸出矩形波形式的脈沖信號；所述有源濾波模塊與所述整形模塊相連，用于過濾所述脈沖信號中包含的諧波并將所述脈沖信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，且所述模擬電壓信號所代表的電壓值與所述脈沖信號的占空比成線性關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，還包括驅(qū)動放大模塊，與所述有源濾波模塊相連，用于將所述模擬電壓信號放大至設(shè)定倍數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述隔離變換模塊包括光耦隔離器、第二電阻、第三電阻、第一電容和第二電容，其中，所述光耦隔離器包括兩個輸入端和兩個輸出端，所述光耦隔離器的第一輸入端經(jīng)一穩(wěn)壓二極管和第一電阻與脈寬調(diào)制整流器相連，且所述光耦隔離器的第二輸入端經(jīng)一反相器與脈寬調(diào)制整流器相連；所述光耦隔離器的第一輸出端接地，且所述光耦隔離器的第一輸出端經(jīng)第一電容與直流電源連接，并經(jīng)第二電容與所述整形模塊相連；所述光耦隔離器的第二輸出端經(jīng)第二電阻連接至所述直流電源，并經(jīng)第三電阻與所述整形模塊相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述整形模塊包括串聯(lián)的第一反相器和第二反相器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述有源濾波模塊包括第一運算放大器、第四電阻、第五電阻、第三電容和第四電容，其中，所述第一運算放大器的同相輸入端經(jīng)所述第四電容接地，所述第一運算放大器的反相輸入端與第一運算放大器的輸出端短接；所述第一運算放大器的同相輸入端經(jīng)第四電阻和第五電阻與所述整形模塊相連，所述第四電阻和第五電阻之間的一連接點與所述第一運算放大器的反相輸入端之間連接所述第三電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述驅(qū)動放大模塊包括第二運算放大器、第六電阻、第七電阻和第八電阻，其中，所述第二運算放大器的反相輸入端經(jīng)所述第七電阻接地，所述第二運算放大器的反相輸入端與第二運算放大器的輸出端之間經(jīng)所述第八電阻連接；所述第二運算放大器的同相輸入端經(jīng)第六電阻與所述有源濾波模塊相連。
7.一種電力機車，包括脈寬調(diào)制整流器，其特征在于，還包括權(quán)利要求1-6任一所述的脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種脈寬調(diào)制整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換裝置和電力機車，該轉(zhuǎn)換裝置包括隔離變換模塊、整形模塊和有源濾波模塊，其中，隔離變換模塊與脈寬調(diào)制整流器相連；整形模塊與隔離模塊相連；有源濾波模塊與整形模塊相連。該轉(zhuǎn)換裝置尤其適用于電力機車中，可將電力機車中PWM整流器的輸出信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，消除了輸出的模擬電壓信號中的紋波，而該模擬電壓信號中代表的電壓值的大小為控制器控制相關(guān)設(shè)備為列車提供相應(yīng)的制動力或牽引力的依據(jù)，可實現(xiàn)對列車所需牽引力或者制動力的平滑調(diào)節(jié)，提高列車運行的安全性和穩(wěn)定性。
文檔編號H02M1/12GK103051163SQ201110315429
公開日2013年4月17日 申請日期2011年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月17日
發(fā)明者韓紅彬, 郭向紅, 尚冰 申請人:中國北車股份有限公司大連電力牽引研發(fā)中心