基于DSP的再生制動(dòng)能量吸收裝置控制器的設(shè)計(jì)

林云志，周志宇

(中鐵電氣化局集團(tuán)公司，北京 100036)

城市軌道交通具有運(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)點(diǎn)、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源和用地等特點(diǎn)，被認(rèn)為是解決城市交通的根本出路。城市軌道交通的特點(diǎn)是線路較短，車站布置相對(duì)較密，列車在運(yùn)行過程中需要頻繁地啟動(dòng)和制動(dòng)。由于在列車制動(dòng)時(shí)，直流電機(jī)處于發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)，會(huì)向牽引網(wǎng)回饋能量，致使?fàn)恳W(wǎng)電壓上升，對(duì)系統(tǒng)中供電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。因此，需要一定的裝置將列車回饋牽引網(wǎng)的能量消耗掉，以維持牽引網(wǎng)電壓的穩(wěn)定[1]。

本文針對(duì)750 V直流供電的列車在制動(dòng)時(shí)的能量回饋問題，介紹了一套基于DSP的電阻耗能與逆變回饋相結(jié)合的再生制動(dòng)能量吸收裝置，主要闡述了裝置中控制器模塊的基本原理、設(shè)計(jì)方案和技術(shù)重點(diǎn)，并在實(shí)際城市軌道交通線路上進(jìn)行了試驗(yàn)。

1 總體方案

電阻耗能與逆變回饋相結(jié)合的再生制動(dòng)能量吸收裝置包括逆變電路、電阻耗能電路和基于DSP的控制器3部分，裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 再生制動(dòng)能量吸收裝置撲結(jié)構(gòu)原理圖

其中基于DSP的控制器模塊是整個(gè)裝置的核心，主要功能是測(cè)量750 V直流母線的電壓情況，判斷當(dāng)前母線電壓VD的變化情況，利用測(cè)量的母線電壓值與設(shè)定的 VD1、VD2、VD33個(gè)電壓閥值進(jìn)行逐級(jí)比較， 其中 VD3＞VD2＞VD1。 當(dāng) VD＜VD1時(shí)，直流母線工作正常，裝置不動(dòng)作；當(dāng) VD2＞VD＞VD1時(shí)，DSP控制器控制 CJ1開關(guān)閉合， 逆變電路投入使用，并將逆變后的電能并入電網(wǎng)內(nèi)；當(dāng)VD3＞VD＞VD2時(shí),為保護(hù)電網(wǎng)，開啟電阻耗能電路，將多余的電能消耗掉，來保證并網(wǎng)電壓的純潔性；當(dāng) VD＞VD3時(shí)，直流母線電壓值過大，DSP控制器切斷CJ1開關(guān)，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)以保護(hù)電網(wǎng)安全。

2 控制器的硬件設(shè)計(jì)

本文介紹的控制器包括DSP主控板、模擬量采集電路、人機(jī)界面液晶顯示、光纖轉(zhuǎn)接板和驅(qū)動(dòng)板5個(gè)部分。其中，DSP主控板是控制器的核心。DSP采用美國TI公司的TMS320F28335芯片，具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)量大、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等特點(diǎn)。得益于浮點(diǎn)運(yùn)算單元的優(yōu)勢(shì)，性能與前代DSP相比提高了50%。

DSP主控板的邏輯框圖如圖2所示，包括了利用開關(guān)電源將市電轉(zhuǎn)換為DC 5 V的電源，通過主控板上的電源電路轉(zhuǎn)換成DSP內(nèi)部使用的DC 1.8 V和DC 3.3 V，提供給DSP以及GPIO使用；通過GPIO口，與液晶屏進(jìn)行連接，設(shè)計(jì)了液晶顯示界面和簡單的按鍵操作按鈕；利用互感器將模擬量轉(zhuǎn)換為小信號(hào)傳遞給DSP的A/D模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，測(cè)量模擬量的數(shù)值；計(jì)算采集的模擬量數(shù)據(jù)，按照判據(jù)計(jì)算得出所需的占空比進(jìn)行PWM方波輸出，控制光纖轉(zhuǎn)換成0或1的光信號(hào)，在IGBT驅(qū)動(dòng)板上轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的低電平和高電平控制逆變電路，實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的控制。

圖2 DSP主控板邏輯框圖

2.1 電源電路

由開關(guān)電源提供穩(wěn)定的直流5 V電源，利用TPS76-7D301雙路輸出低壓差電壓調(diào)整器，將DC 5 V調(diào)整為2路輸出DC 1.8 V和DC 3.3 V，提供給DSP穩(wěn)定的工作電源和GPIO接口電源，原理如圖3所示。

圖3 TPS767D301雙路輸出低壓差電壓調(diào)整器原理圖

圖3中DVDD5.0信號(hào)為開關(guān)電源提供的5 V電源電壓，分別接到TPS767D301的電源輸入引腳，以提供電壓調(diào)整的電壓源；TPS767D301引腳 3、9外接開關(guān)電源提供的地信號(hào)DGND，而引腳4、10是TPS767D301的工作使能引腳，低電平有效，接DGND信號(hào)可以保證芯片始終處于電壓調(diào)整轉(zhuǎn)換狀態(tài)；TPS767D301產(chǎn)生2路電壓DC 1.8 V、DC 3.3 V，同時(shí)在引腳 22、28產(chǎn)生一個(gè) 2個(gè)時(shí)鐘的低電平輸出DSP_RST，作為DSP芯片復(fù)位信號(hào)，保證DSP正常啟動(dòng)和工作，而后DSP_RST變?yōu)楦唠娖健?/p>

2.2 人機(jī)界面接口

利用DSP的GPIO，通過排線連接到液晶屏幕，以顯示采集的模擬量以及設(shè)置參數(shù)。電路原理圖如圖4所示。圖中液晶屏需要TPS767D301提供的DC 3.3 V電源電壓供電，利用電阻、電容組成的振蕩電路，連接引腳3，系統(tǒng)上電為電容 C35充電，此時(shí)引腳 3為低電平，液晶屏復(fù)位啟動(dòng)；C35充電完畢，引腳3即為高電平，液晶屏完成啟動(dòng)；利用DSP一組GPIO引腳連接液晶屏(如圖中的D0～D7)，作為數(shù)據(jù)傳輸使用，并且單獨(dú)引出LCD_CS引腳作為液晶屏的使能端，DSP輸出2個(gè)周期低電平而后變?yōu)楦唠娖?，使能液晶屏；再利用GPIO外接5個(gè)按鍵開關(guān)，另一端連接DC 3.3 V，設(shè)計(jì)了5個(gè)按鍵，其中4個(gè)方向選擇鍵，1個(gè)確認(rèn)鍵。

圖4 DSP與液晶屏通過排線連接原理圖

2.3 模擬量采集電路

電壓、電流傳感器將電網(wǎng)上的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～20 mA的小電流信號(hào)，再通過電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸入到DSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊。電路原理圖如圖5所示。圖中J1、J2為模擬量輸出端子，用來檢測(cè)電網(wǎng)或直流供電母線電壓、電流情況；H1為互感器，輸出小電流信號(hào) AIN、AGND，通過電阻 R4產(chǎn)生 0～2 V電壓信號(hào)；電阻R42和電容C36構(gòu)成RC濾波電路，將轉(zhuǎn)換的小電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理，輸出AIN0提供A/D轉(zhuǎn)換模塊。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換原理圖

2.4 PWM控制信號(hào)輸出和A/D轉(zhuǎn)換模塊

模擬量采集電路輸出的信號(hào)傳遞給DSP本身的A/D轉(zhuǎn)換接口，如圖6所示。ADCINA0～ADCINA7引腳外接由模擬量采集電路傳輸過來的對(duì)應(yīng)信號(hào)，引腳AGND與模擬量采集電路的AGND連接形成參考地信號(hào)；利用DSP本身的18路PWM輸出中的6路，如圖6中的XPWM1～XPWM6引腳，通過芯片內(nèi)部算法，輸出所需要的方波，利用光纖轉(zhuǎn)換設(shè)備，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成分別為0和1的光信號(hào)，控制IGBT開關(guān)的斷開或閉合。

圖6 DSP主控板A/D轉(zhuǎn)換與PWM脈沖調(diào)制接口原理圖

3 控制器的軟件設(shè)計(jì)

控制器的軟件包括DSP初始化程序、控制器參數(shù)初始化程序、電壓值設(shè)定程序和采集計(jì)算中斷子程序?？刂破鞒跏蓟?，進(jìn)入循環(huán)程序，等待采集計(jì)算中斷子程序。而中斷子程序響應(yīng)后，計(jì)算A/D轉(zhuǎn)換過來的數(shù)據(jù)，通過和設(shè)定電壓值的對(duì)比計(jì)算所需占空比，輸出方波，控制對(duì)應(yīng)的開關(guān)和IGBT模塊，達(dá)到了控制和保護(hù)效果。控制器主程序流程圖如圖7所示。

DSP芯片和參數(shù)的初始化后；利用人機(jī)界面，設(shè)定 參 數(shù) VD1、VD2、VD3的 數(shù)值；控制器進(jìn)入循環(huán)，等待響應(yīng)中斷子程序。

中斷子程序包括采集模擬量 VD以及判斷 VD與設(shè)定參數(shù)的關(guān)系。當(dāng)VD≤VD1時(shí)，跳出子程序，返回程序；當(dāng) VD2≥VD＞VD1時(shí)，DSP控制器通過 GPIO引腳變位，由初始化的低電平變?yōu)楦唠娖剑瑢?duì)應(yīng)的光纖驅(qū)動(dòng)板輸出信號(hào) 1，控制CJ1開關(guān)閉合，利用 PWM功能，輸出需要占空比的方波，控制逆變電路工作，完成后返回主程序；當(dāng) VD3≥VD＞VD2時(shí)，開啟電阻耗能電路，將多余的電能消耗掉，返回主程序；當(dāng) VD＞VD3時(shí)，切斷CJ1開關(guān)，在人機(jī)界面發(fā)出告警信號(hào)，以確保電網(wǎng)工作正常。

圖7 DSP控制器主程序流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

基于以上設(shè)計(jì)方案，在北京地鐵某線路上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，本文中設(shè)計(jì)的控制器能有效地控制逆變回饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的吸收并回饋電網(wǎng)，從而限制了牽引網(wǎng)電壓的上升，可以加以推廣使用。

本文完成了可用于城市軌道交通牽引系統(tǒng)的電阻耗能與逆變回饋相結(jié)合的再生制動(dòng)能量吸收裝置的控制器的設(shè)計(jì)，描述了控制器的原理和軟硬件設(shè)計(jì)方案，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了整套裝置的的可用性和可靠性?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果表明，本文中設(shè)計(jì)的逆變回饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了限制直流母線電壓和向交流側(cè)電網(wǎng)回饋能量的功能，達(dá)到了預(yù)期效果，具備了投入工程應(yīng)用的條件。

[1]許愛國，謝少軍，姚遠(yuǎn)，等.基于超級(jí)電容的城市軌道交通車輛再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25(3)：117-123.

[2]肖啟洋，張忠慧，方元.基于DSP的聲反饋抑制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(1)：30-31.

[3]陳貴榮，劉少克.唐山中低速磁懸浮列車試驗(yàn)線地面再生制動(dòng)能量吸收裝置的設(shè)計(jì)[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2008(2)：38-41.