PWM转换装置在地铁工程车上的设计与应用

 摘 要：脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是将数据转换为脉波的一种技术，一般转换后脉波的周期固定，但脉波的占空比会依数据的内容而改变。由于在地铁工程车控制系统应用中，其工况和所需条件相对复杂，需要一种中继装置用于转化PWM信号为易于传输、控制的电模拟信号，本文研究、设计了一种PWM转换装置，该装置用于地铁工程车制动系统中，使PWM信号更加精确的控制相关设备。

关键词：PWM;

Design and Application of PWM conversion device for
locomotive
Abstract: Pulse Width Modulation(PWM) is a modulation technique that conforms the width of the pulse, formally the pulse duration, based on modulator signal information. Because of relatively complex working situation and required conditions, a relay equipment is required to transform the PWM signal into an electric simulation signal which is easily to be transferred and controlled. This thesis mainly studies and designs a PWM signal conversion equipment, which makes the PWM-controlled devices for locomotive more accurate.

Key words: Pulse Width Modulation(PWM);

1.引言
PWM技术是一种对数据的数字编码方法，通过使用高分辨率计数器（调制频率）调制方波的占空比，从而实现对一个数据进行编码。在控制系统中应用广泛。由于地铁工程车控制系统应用中, 其工作电压低（DC24V),工况和所需条件相对复杂，低幅值PWM信号存在被干扰的现象，使由PWM信号控制的设备有可能不能准确动作，所以，需加装一种中继装置用于转化PWM信号为易于传输、控制的电模拟信号。一般用于控制的电模拟信号有电流和电压两种信号，其中，电流信号具有抗干扰能力强、兼容性好、通用性强等优点，其抗干扰能力比PWM信号更能适应地铁工程车控制系统，而且大多数变送器信号为4～20mA电流信号,这样就能与众多变送器兼容，易于地铁工程车控制系统的信号处理。在地铁工程车上，根据总体控制要求，设计了一种PWM信号转换装置，以满足系统的控制需要。

2.工作原理
PWM转换装置原理图如图1所示，其工作电源为+24V，PWM方波信号为输入信号，4～20mA的直流、ALARM告警为输出信号。PWM转换装置在接收到输入的PWM方波后，自动检测方波频率，并将方波的占空比转换为4～20mA 的标准电流信号输出。来自PLC的比例阀PWM控制信号转换为4～20mA电流信号供比例控制阀使用。当方波频率出现超差（方波频率误差大于1%）或占空比出现超差（占空比误差大于2%）时，延时数秒后告警输出，告警输出时ALARM信号由24V变为0V。

图1 工作原理图

3．硬件构成
PWM转换装置硬件结构如图示2所示。
其中包括输入、输出的光电隔离模块，与供电电源连接的电源隔离变换模块、积分变换、仪表运算放大、多路分频器、中央逻辑处理单元、告警信号隔离变换、数码显示模块、环路电流自检单元、PWM方波自检单元。

3.1 电源隔离变换模块
PWM转换装置内部需要相互独立不干扰的工作电源，电源隔离变换模块主要是将输入的24v直流电源通过二次变换得到相互隔离的直流5v、9v 、24V电源。其中U2(B2409D-2W)为隔离电源芯片，输入输出隔离高达AC1500V；应用U3(REF102BP)精密基准电源芯片，作为PWM信号转换为电压信号时的基准电压，是保证转换精度的关键元件。

图3 电源变换图

3.2 PWM信号转换模块
如图4所示，PWM信号转换模块主要是由光电隔离、积分变换、运算放大器构成。输入的PWM方波信号首先通过光电隔离元件（U11)与转换电路隔离，这样很好的起到了防干扰扰作用，电气隔离强度达到了AC2500V，同事对PWM方波信号源实现了无损采集；PWM方波信号转换核心由单刀双掷模拟开关U10(MAX4544)及由R11、C7、R12、C8的双LC积分电路构成，产生了一个与PWM方波信号相对应的直流电压信号，该直流电压信号经U9B调理、U9A去共模信号后，变换为4-20mA电流环的高精度电压信号输入源。输入的PWM方波信号经过多路分频器U12分成两路信号，一路供CPU在LED数码显示模块上实时显示出输入PWM方波的占空比；另一路64分频后用作输入PWM信号的有效性指示。

图4 PWM电压转换模块

4～20mA电流环发送电路如图5，由线性光藕U16、放大器U14、4～20mA环流传输器U13组成。4～20mA电流信号对应于PWM信号占空比16%～80%。该电路转换精度可达到0.2%。

图5 4～20mA电流环发送电路

3.2 自检单元
装置工作是否正常、精确度如何直接影响了PWM转换的准确度，所以有必要每经过段时间就对装置自我检测，以此来判定装置的工作状态是否符合要求，自检是通过装置上的按钮人工给装置输入自检命令。装置自检包括两部分：PWM（输入）信号自检、4～20mA电流（输出）信号自检。
PWM（输入）信号自检。CPU输出标准的PWM方波信号，经信号转换后输出4～20mA电流。同时在LED数码显示自检的频率、占空比。
4～20mA（输出）信号自检。环路接收器电路（如图6）直接采集4～20mA的输出环路，转换为电压信号（TESTVolt）供CPU的ADC,同时在LED数码显示检测到的环路电流值。

图6 4～20mA电流环自检电路

3.2 中央逻辑处理单元(CPU)
主要包括高速输入输出单元(HSIO)、时钟单元(CLK)、COM口、中断单元。CPU通过程序检测方波信号频率、占空比、积分变换后的电压信号,处理并在LED显示模块上实时显示；当按下自检按钮时，中断其他任务进入自检程序。

图7 CPU单元

4.软件流图

5.结束语
PWM信号转换装置将系统中的PWM信号转换为4-20mA的标准模拟信号，具有更好的抗干扰能力，更能适应机车控制系统内复杂的环境，使控制系统更稳定，同时，4-20mA的标准模拟信号输出也能与各种适应常见的自控设备，降低设备间兼容难度，使控制系统的设计更为灵活可靠。
目前，该装置已成功在地铁工程车上使用，运行良好。

参考文献：
Maxim integrated 应用笔记266 为双频单混频器IC分离IF
《单片机应用技术选编》 何立民 北京航天航空大学出版社