基于CPLD的智能固态转换开关的研制

3 CPLD 的逻辑功能实现

3.1 CPLD 要完成的功能

1）供电的自动切换

根据不同的开关设置及信号情况，信号灯有本控主备方式、本控优先方式、远控方式三种工作模式，对应关系如表1 所示。

在本控主备模式下，CPLD 设定A 为主路，B 为备用。只要A 路电源正常，则由A 路供电，否则才由B 路供电，一旦A 路电源恢复正常，则自动切换到A 路供电。

在本控优先和远控优先模式下，两路优先等级相同。假设 A 路正在工作时电源故障，则自动切换到B 路供电，但A 路电源恢复正常后并不切换到A 路供电，而由B 路继续供电。

本控优先模式下本地强制切换控制信号（BUTT_A、BUTT_B）作用，而远控强制切换控制（REM_A、REM_B）和远方复位则无效。远控优先模式则正好相反。

2）过流和过载保护

当负载侧出现短路故障时立即封锁 MOS 管驱动脉冲停止对负载供电，即短路速断功能。当出现过载且持续相应时间后封锁 MOS 管驱动脉冲，持续时间根据过载电流大小的不

同而不同。

3）故障后延时供电功能

故障停电后在恢复供电之前经过适当延时，减少对供电电源的频繁冲击而影响其他信号灯的正常工作。

4）自动重投功能

故障停电延时后，自动尝试恢复对信号灯的供电。

5）延时切换

A、B 两路之间切换设置延时，以避免无延时可能造成的两路电源的直接短接。

3.2 CPLD 程序设计

采用 TOP-DOWN 的设计思想和模块化编程方法，先将总体功能划分为五个一级模块：

1）工作模式模块

接收本控和远控信号，结合当前的电源供电状况，输出无故障状况下的A、B 路控制信号以及复位信号。

2）过流时间设定及计时模块

用户可以根据实际状况的不同在 4 种方式中选择合适的过流持续时间。不同的设定与常 用断路器的不同特性曲线完全对应。当出现过流时，计时模块开始工作，达到设定的时间后 模块输出有效过流信号，可以避免外部干扰造成的假过流停机问题。

3）停机时间设定及计时模块

用户可以根据实际状况的不同在 4 种方式中选择过流故障出现后停机的持续时间。当到达设定时间时，模块输出可以重新合闸信号，以便恢复对信号灯的供电。

4）重合闸次数设定及计数模块 用于用户设定需要的过流保护后重新合闸的次数。如重合次数达到设定值则封锁 MOS 管驱动脉冲使负载保持断电，直到复位或装置重新上电。

5）综合处理模块 处理来自以上四个模块的信号，提供合适的 MOS 管触发信号，控制给信号灯的供电。 每个一级模块利用几个二级模块组合实现，同时软件设计利用状态机（State Machine） 作为中间变量，加入冗余处理技术，提高逻辑的可靠性和抗干扰能力，保证信号灯供电的连 续性，避免不必要的两路之间的切换。

3.3 逻辑综合、仿真

在 MAX+PLUSII[6]编程环境下，采用了图形输入和AHDL 语言编程相结合的方式，经 过实际编译、功能仿真、定时仿真及不断的优化过程，最终选择了Altera 公司MAX7000S 系列的EPM7128S-15。仿真结果如图3 所示。

图中，下述信号高电平有效。OCH 为负载侧短路信号，OCM、OCL 分别为负载侧电流 过流、过载信号；A_AC、B_AC 分别为A、B 两路电源的状况；A_DRV_M1、B_DRV_M1 分别为A、B 两路MOS 管的驱动信号；FAULT 为故障状况。

4 结论

根据上述技术方案研制的装置经过实际试验，结果表明可以实现贯通和自闭两路供电的 自动无触点切换、过流保护、过载保护、自动重合闸等功能，提供了多种工作模式供使用者 选择，满足实际需求，完全可以替代目前现场应用的ATS，提高铁路信号灯供电的可靠性。 同时这一技术也可以推广应用于其他场合和行业，但是大功率场合的应用必须考虑本方案存 在的功耗偏大的缺点。

本文的创新点：提出一种基于 CPLD 的智能固态转换开关的技术方案，实现两路电源的 无触点切换，提高了可靠性和寿命，多种功能的设置适合于现场应用。