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、保護環境、節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，直流電機處于發電機的工作狀態，會向牽引網回饋能量，致使牽引網電壓上升，對系統中供電設備的穩定運行產生不利影響。因此，需要一定的裝置將列車回饋牽引網的能量消耗掉，以維持牽引網電壓的穩定[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、設計方案和技術重點，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，裝置的拓撲結構如圖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開關閉合，逆變電路投入使用，并將逆變后的電能并入電網內；當VD3>VD>VD2時,為保護電網，開啟電阻耗能電路，將多余的電能消耗掉，來保證并網電壓的純潔性；當VD>VD3時，直流母線電壓值過大，DSP控制器切斷CJ1開關，同時發出報警信號以保護電網安全。
2 控制器的硬件設計
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、光纖轉接板和驅動板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、外設集成度高、數據及程序存儲量大、A/D轉換更精確快速等特點。得益于浮點運算單元的優勢，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，包括了利用開關電源將市電轉換為DC 5 V的電源，通過主控板上的電源電路轉換成DSP內部使用的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換為小信號傳遞給DSP的A/D模塊進行A/D轉換，測量模擬量的數值；計算采集的模擬量數據，按照判據計算得出所需的占空比進行PWM方波輸出，控制光纖轉換成0或1的光信號，在IGBT驅動板上轉化成對應的低電平和高電平控制逆變電路，實現整套系統的控制。
2.1 電源電路
由開關電源提供穩定的直流5 V電源，利用TPS76-7D301雙路輸出低壓差電壓調整器，將DC 5 V調整為2路輸出DC 1.8 V和DC 3.3 V，提供給DSP穩定的工作電源和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，以提供電壓調整的電壓源；TPS767D301引腳3、9外接開關電源提供的地信號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整轉換狀態；TPS767D301產生2路電壓DC 1.8 V、DC 3.3 V，同時在引腳22、28產生一個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變為高電平。
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置參數。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)，作為數據傳輸使用，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為高電平，使能液晶屏；再利用GPIO外接5個按鍵開關，另一端連接DC 3.3 V，設計了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、電流傳感器將電網上的電壓、電流信號轉換為0～20 mA的小電流信號，再通過電阻轉換為電壓信號，輸入到DSP的A/D轉換模塊。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產生0～2 V電壓信號；電阻R42和電容C36構成RC濾波電路，將轉換的小電壓信號進行濾波處理，輸出AIN0提供A/D轉換模塊。
3 控制器的軟件設計
控制器的軟件包括DSP初始化程序、控制器參數初始化程序、電壓值設定程序和采集計算中斷子程序。控制器初始化后，進入循環程序，等待采集計算中斷子程序。而中斷子程序響應后，計算A/D轉換過來的數據，通過和設定電壓值的對比計算所需占空比，輸出方波，控制對應的開關和IGBT模塊，達到了控制和保護效果。控制器主程序流程圖如圖7所示。
DSP芯片和參數的初始化后；利用人機界面，設定參數VD1、VD2、VD3的數值；控制器進入循環，等待響應中斷子程序。
中斷子程序包括采集模擬量VD以及判斷VD與設定參數的關系。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為高電平，對應的光纖驅動板輸出信號1，控制CJ1開關閉合，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，在人機界面發出告警信號，以確保電網工作正常。
4 試驗結果
基于以上設計方案，在北京地鐵某線路上進行了現場試驗。結果表明，本文中設計的控制器能有效地控制逆變回饋系統實現制動能量的吸收并回饋電網，從而限制了牽引網電壓的上升，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的電阻耗能與逆變回饋相結合的再生制動能量吸收裝置的控制器的設計，描述了控制器的原理和軟硬件設計方案，并通過現場試驗驗證了整套裝置的的可用性和可靠性。現場試驗的結果表明，本文中設計的逆變回饋系統實現了限制直流母線電壓和向交流側電網回饋能量的功能，達到了預期效果，具備了投入工程應用的條件。
參考文獻
[1] 許愛國，謝少軍，姚遠，等.基于超級電容的城市軌道交通車輛再生制動能量吸收系統[J].電工技術學報，2010，25(3)：117-123.
[2] 肖啟洋，張忠慧，方元.基于DSP的聲反饋抑制系統的研究與實現[J].電子技術應用，2013，39(1)：30-31.
[3] 陳貴榮，劉少克.唐山中低速磁懸浮列車試驗線地面再生制動能量吸收裝置的設計[J].機車電傳動，2008(2)：38-41.