文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)03-0009-03
城市軌道交通具有運量大、速度快、安全、準點、保護環(huán)境、節(jié)約能源和用地等特點，被認為是解決城市交通的根本出路。城市軌道交通的特點是線路較短，車站布置相對較密，列車在運行過程中需要頻繁地啟動和制動。由于在列車制動時，直流電機處于發(fā)電機的工作狀態(tài)，會向牽引網(wǎng)回饋能量，致使牽引網(wǎng)電壓上升，對系統(tǒng)中供電設(shè)備的穩(wěn)定運行產(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750 V直流供電的列車在制動時的能量回饋問題，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)計方案和技術(shù)重點，并在實際城市軌道交通線路上進行了試驗。
1 總體方案
電阻耗能與逆變回饋相結(jié)合的再生制動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，裝置的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其中基于DSP的控制器模塊是整個裝置的核心，主要功能是測量750 V直流母線的電壓情況，判斷當前母線電壓VD的變化情況，利用測量的母線電壓值與設(shè)定的VD1、VD2、VD3 3個電壓閥值進行逐級比較，其中VD3>VD2>VD1。當VD<VD1時，直流母線工作正常，裝置不動作；當VD2>VD>VD1時，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VD3>VD>VD2時,為保護電網(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VD>VD3時，直流母線電壓值過大，DSP控制器切斷CJ1開關(guān)，同時發(fā)出報警信號以保護電網(wǎng)安全。
2 控制器的硬件設(shè)計
本文介紹的控制器包括DSP主控板、模擬量采集電路、人機界面液晶顯示、光纖轉(zhuǎn)接板和驅(qū)動板5個部分。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)及程序存儲量大、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等特點。得益于浮點運算單元的優(yōu)勢，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，與液晶屏進行連接，設(shè)計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)換為小信號傳遞給DSP的A/D模塊進行A/D轉(zhuǎn)換，測量模擬量的數(shù)值；計算采集的模擬量數(shù)據(jù)，按照判據(jù)計算得出所需的占空比進行PWM方波輸出，控制光纖轉(zhuǎn)換成0或1的光信號，在IGBT驅(qū)動板上轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的低電平和高電平控制逆變電路，實現(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DGND，而引腳4、10是TPS767D301的工作使能引腳，低電平有效，接DGND信號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，同時在引腳22、28產(chǎn)生一個2個時鐘的低電平輸出DSP_RST，作為DSP芯片復位信號，保證DSP正常啟動和工作，而后DSP_RST變?yōu)楦唠娖健?br/>2.2 人機界面接口
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，此時引腳3為低電平，液晶屏復位啟動；C35充電完畢，引腳3即為高電平，液晶屏完成啟動；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，并且單獨引出LCD_CS引腳作為液晶屏的使能端，DSP輸出2個周期低電平而后變?yōu)楦唠娖?，使能液晶屏；再利用GPIO外接5個按鍵開關(guān)，另一端連接DC 3.3 V，設(shè)計了5個按鍵，其中4個方向選擇鍵，1個確認鍵。
2.3 模擬量采集電路
電壓、電流傳感器將電網(wǎng)上的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為0～20 mA的小電流信號，再通過電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，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AIN、AGND，通過電阻R4產(chǎn)生0～2 V電壓信號；電阻R42和電容C36構(gòu)成RC濾波電路，將轉(zhuǎn)換的小電壓信號進行濾波處理，輸出AIN0提供A/D轉(zhuǎn)換模塊。
3 控制器的軟件設(shè)計
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)定程序和采集計算中斷子程序?？刂破鞒跏蓟?，進入循環(huán)程序，等待采集計算中斷子程序。而中斷子程序響應(yīng)后，計算A/D轉(zhuǎn)換過來的數(shù)據(jù)，通過和設(shè)定電壓值的對比計算所需占空比，輸出方波，控制對應(yīng)的開關(guān)和IGBT模塊，達到了控制和保護效果?？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；利用人機界面，設(shè)定參數(shù)VD1、VD2、VD3的數(shù)值；控制器進入循環(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VD≤VD1時，跳出子程序，返回程序；當VD2≥VD>VD1時，DSP控制器通過GPIO引腳變位，由初始化的低電平變?yōu)楦唠娖?，對?yīng)的光纖驅(qū)動板輸出信號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VD3≥VD>VD2時，開啟電阻耗能電路，將多余的電能消耗掉，返回主程序；當VD>VD3時，切斷CJ1開關(guān)，在人機界面發(fā)出告警信號，以確保電網(wǎng)工作正常。
4 試驗結(jié)果
基于以上設(shè)計方案，在北京地鐵某線路上進行了現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明，本文中設(shè)計的控制器能有效地控制逆變回饋系統(tǒng)實現(xiàn)制動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)合的再生制動能量吸收裝置的控制器的設(shè)計，描述了控制器的原理和軟硬件設(shè)計方案，并通過現(xiàn)場試驗驗證了整套裝置的的可用性和可靠性?，F(xiàn)場試驗的結(jié)果表明，本文中設(shè)計的逆變回饋系統(tǒng)實現(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，達到了預(yù)期效果，具備了投入工程應(yīng)用的條件。
參考文獻
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