解析新型直線電機運輸系統(tǒng)中開關(guān)電源的設(shè)計方案

作者：時間：2012-10-16 來源：網(wǎng)絡(luò)

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

內(nèi)蒙新型直線電機運輸 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、硬件保護、與上位機通信、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轉(zhuǎn)換成小電壓信號，再經(jīng)過濾波、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模塊可以實現(xiàn)I/O信號的輸出與檢測，主要用于繼電器控制和開關(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)動模塊將IGBT控制脈沖進行推挽放大，增大其驅(qū)動功率，控制IGBT通斷。

同時模塊內(nèi)設(shè)有保護功能，對IGBT進行過流、過溫保護;通信模塊負(fù)責(zé)與DSP共同完成同上位機之間的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)定運作。

2.3 控制策略

文中所設(shè)計開關(guān)電源采用兩級電壓閉環(huán)控制模式。由主電路中的電壓傳感器檢測電壓反饋值，經(jīng)過A/D調(diào)理，送入DSP芯片進行A/D轉(zhuǎn)換，利用其強大的計算能力實現(xiàn)數(shù)字化PI調(diào)節(jié)，完成電壓閉環(huán)。DSP實時生成下一刻開關(guān)管的占空比指令，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)發(fā)生IGBT控制脈沖。前級電壓閉環(huán)將DC1 500 V降至DC600 V，后級電壓閉環(huán)將DC600 V變至DC24 V，兩級閉環(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)模塊計算過程。

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)用了前饋補償?shù)乃枷?，不再只以PI決定控制脈沖占空比，加入了前饋補償計算結(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。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)模塊計算結(jié)果;Uref為前饋補償計算給定值，這里取各級電壓閉環(huán)的額定輸出電壓;Uin為前饋補償計算輸入值，這里取各級電壓閉環(huán)的輸入電壓。因此，Uref/Uin即為前饋補償計算結(jié)果。

2.4 保護策略

如前文所述，內(nèi)蒙新型直線電機運輸系統(tǒng)試驗線存在弓網(wǎng)關(guān)系差的問題，在某些區(qū)段頻繁出現(xiàn)短時掉電-再上電的現(xiàn)象，進而在前級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，電流沖擊一般會達到90A。除此之外，系統(tǒng)還可能出現(xiàn)各種過壓、過流故障。因此，采取有效的保護策略，抑制沖擊電流過大，保證系統(tǒng)穩(wěn)定是十分必要的。具體保護邏輯如下：

1)輸入過壓——封鎖全部控制脈沖，過一段時間后(10 s)進行檢測，若此時并無過壓情況，則重新啟動脈沖。DC/DC變換電路直接恢復(fù)至保護前占空比，BUCK電路進入軟啟動模式，以當(dāng)前UDC600V/UDC1500V為占空比起始點，依時序逐漸增大占空比，直到DC600 V達到額定值為止。輸入過壓保護值取1800V。

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

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

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

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