《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DSP的再生制動(dòng)能量吸收裝置控制器的設(shè)計(jì)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2014年第3期
林云志,周志宇
(中鐵電氣化局集團(tuán)公司,北京100036)
摘要: 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)。結(jié)果表明,該套再生制動(dòng)能量吸收裝置能較好地吸收制動(dòng)能量并回饋電網(wǎng),有效限制了牽引網(wǎng)電壓的上升。
中圖分類號(hào): TP2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)03-0009-03
Design of controller for regenerative braking energy absorption device based on DSP
Lin Yunzhi,Zhou Zhiyu
China CREC Railway Electrification Bureau Group,Beijing 100036,China
Abstract: This paper puts forward a kind of braking engery absorbing and feedback device based on DSP controller. The fundamental , design solution and key technology of the controller are described in detail. This device has been applied and operated well in real subway line. The result shows that the system can catch and absorb braking energy and feed back them as electricity to power grid, and avoid voltage surge.
Key words : DSP;regenerative braking;power electronic;electrical power traction;subway

    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。

    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、VD3 3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(guó)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(jiǎn)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。

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?br/>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。

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。

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。控制器初始化后,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??刂破髦鞒绦蛄鞒虉D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&le;VD1時(shí),跳出子程序,返回程序;當(dāng)VD2&ge;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?,?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&ge;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。
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。現(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。
參考文獻(xiàn)
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