解析新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案

DC/DC變換電路IGBT額定電壓、額定電流的計(jì)算相對(duì)較簡(jiǎn)單，故在此不做贅述，只給出結(jié)論：Q2需要選擇1 200 V、15 A等級(jí)的IGBT。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)蒙新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)采用數(shù)字控制系統(tǒng)，以TI公司的TMS320F28335型DSPxpfzxzjqtd_67615.html' target='_blank'>DSP芯片和ALTERA公司的Cyclone型FPGA芯片共同構(gòu)成控制系統(tǒng)的核心。該控制系統(tǒng)主要包括6大模塊：主控模塊、A/D采樣與調(diào)理模塊、DI與DO模塊、LED顯示模塊、IGBT脈沖驅(qū)動(dòng)模塊以及通信模塊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

主控模塊包括DSP和FPGA兩部分，負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換、DI/DO控制、PI控制、邏輯判斷、軟件保護(hù)、硬件保護(hù)、與上位機(jī)通信、發(fā)生IGBT控制脈沖、控制LED顯示特定信息等，是控制系統(tǒng)的核心：

A/D采樣與調(diào)理模塊負(fù)責(zé)將主電路中傳感器輸出的小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)濾波、限幅電路，接入DSP的A/D轉(zhuǎn)換接口，為控制系統(tǒng)提供系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài);

DI與DO模塊可以實(shí)現(xiàn)I/O信號(hào)的輸出與檢測(cè)，主要用于繼電器控制和開(kāi)關(guān)狀態(tài)反饋;

LED顯示模塊由7段顯示數(shù)碼管組成，可根據(jù)主控模塊指令顯示電源當(dāng)前工作狀態(tài)和故障信息;

IGBT脈沖驅(qū)動(dòng)模塊將IGBT控制脈沖進(jìn)行推挽放大，增大其驅(qū)動(dòng)功率，控制IGBT通斷。

同時(shí)模塊內(nèi)設(shè)有保護(hù)功能，對(duì)IGBT進(jìn)行過(guò)流、過(guò)溫保護(hù);通信模塊負(fù)責(zé)與DSP共同完成同上位機(jī)之間的485/CAN通信。6大模塊分工協(xié)作，共同保證了控制系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)作。

2.3 控制策略

文中所設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源采用兩級(jí)電壓閉環(huán)控制模式。由主電路中的電壓傳感器檢測(cè)電壓反饋值，經(jīng)過(guò)A/D調(diào)理，送入DSP芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，利用其強(qiáng)大的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)數(shù)字化PI調(diào)節(jié)，完成電壓閉環(huán)。DSP實(shí)時(shí)生成下一刻開(kāi)關(guān)管的占空比指令，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)發(fā)生IGBT控制脈沖。前級(jí)電壓閉環(huán)將DC1 500 V降至DC600 V，后級(jí)電壓閉環(huán)將DC600 V變至DC24 V，兩級(jí)閉環(huán)結(jié)構(gòu)相同，互不影響。公式(11)～(16)所示為DSP芯片中PI調(diào)節(jié)模塊計(jì)算過(guò)程。

圖4所示為PI調(diào)節(jié)模塊的結(jié)構(gòu)圖。

除了以上闡述的傳統(tǒng)PI控制，本系統(tǒng)還應(yīng)用了前饋補(bǔ)償?shù)乃枷?，不再只以PI決定控制脈沖占空比，加入了前饋補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果，使得控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度更快。PI調(diào)節(jié)模塊作為“微調(diào)”，使得輸出電壓紋波系數(shù)更小，穩(wěn)定性更佳，有效抑制了系統(tǒng)因沖擊、震蕩所引起的輸出劇烈波動(dòng)。具體應(yīng)用方法如公式(17)所示。

上式中，D為最終IGBT控制脈沖占空比;PLout為PI調(diào)節(jié)模塊計(jì)算結(jié)果;Uref為前饋補(bǔ)償計(jì)算給定值，這里取各級(jí)電壓閉環(huán)的額定輸出電壓;Uin為前饋補(bǔ)償計(jì)算輸入值，這里取各級(jí)電壓閉環(huán)的輸入電壓。因此，Uref/Uin即為前饋補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果。

2.4 保護(hù)策略

如前文所述，內(nèi)蒙新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)試驗(yàn)線存在弓網(wǎng)關(guān)系差的問(wèn)題，在某些區(qū)段頻繁出現(xiàn)短時(shí)掉電-再上電的現(xiàn)象，進(jìn)而在前級(jí)BUCK電路的電感、電容上產(chǎn)生沖擊電流、沖擊電壓。其中，尤以沖擊電流對(duì)系統(tǒng)的損害作用最大。經(jīng)仿真，采用前文所選電路器件參數(shù)和閉環(huán)控制策略，10 ms脫弓情況下，電流沖擊一般會(huì)達(dá)到90A。除此之外，系統(tǒng)還可能出現(xiàn)各種過(guò)壓、過(guò)流故障。因此，采取有效的保護(hù)策略，抑制沖擊電流過(guò)大，保證系統(tǒng)穩(wěn)定是十分必要的。具體保護(hù)邏輯如下：

1)輸入過(guò)壓——封鎖全部控制脈沖，過(guò)一段時(shí)間后(10 s)進(jìn)行檢測(cè)，若此時(shí)并無(wú)過(guò)壓情況，則重新啟動(dòng)脈沖。DC/DC變換電路直接恢復(fù)至保護(hù)前占空比，BUCK電路進(jìn)入軟啟動(dòng)模式，以當(dāng)前UDC600V/UDC1500V為占空比起始點(diǎn)，依時(shí)序逐漸增大占空比，直到DC600 V達(dá)到額定值為止。輸入過(guò)壓保護(hù)值取1800V。

2)輸入欠壓——這種故障中主要出現(xiàn)于網(wǎng)側(cè)短時(shí)掉電情況下。輸入欠壓保護(hù)后，僅封鎖BUCK電路控制脈沖，在控制系統(tǒng)每一時(shí)序周期對(duì)網(wǎng)壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦恢復(fù)正常，BUCK電路進(jìn)入軟啟動(dòng)模式，方式同I。輸入欠壓保護(hù)值取1 000 V。

3)DC600V過(guò)壓——封鎖全部控制脈沖，中間電壓經(jīng)由壓倉(cāng)電阻緩慢泄放，當(dāng)?shù)陀?50 V時(shí)，系統(tǒng)重新啟動(dòng)脈沖。方式同I。DC600 V過(guò)壓保護(hù)值取700V。

4)輸出過(guò)壓、欠壓——封鎖全部控制脈沖，5 s后系統(tǒng)重新啟動(dòng)。如果在1分鐘內(nèi)重啟次數(shù)超過(guò)3次，則系統(tǒng)停機(jī)，不再重啟，人工進(jìn)行故障修復(fù)。輸出過(guò)壓保護(hù)值取30 V，欠壓保護(hù)值取20 V。

5)輸出過(guò)流——當(dāng)Ifh Idl時(shí)，即輸出發(fā)生短路時(shí)，封鎖全部控制脈沖，系統(tǒng)停機(jī)，人工進(jìn)行故障修復(fù)。

3 系統(tǒng)仿真

利用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真，搭建模型如圖5所示。

圖6所示為系統(tǒng)仿真電壓波形圖。1通道為DC600 V波形;2通道為DC24 V波形;3通道為變壓器原邊波形;4通道為二極管整流后波形。