解析新型直線(xiàn)電機運輸系統中開(kāi)關(guān)電源的設計方案

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

2.2 控制系統設計

內蒙新型直線(xiàn)電機運輸系統采用數字控制系統，以TI公司的TMS320F28335型DSPxpfzxzjqtd_67615.html' target='_blank'>DSP芯片和ALTERA公司的Cyclone型FPGA芯片共同構成控制系統的核心。該控制系統主要包括6大模塊：主控模塊、A/D采樣與調理模塊、DI與DO模塊、LED顯示模塊、IGBT脈沖驅動(dòng)模塊以及通信模塊。系統整體結構如圖3所示。

主控模塊包括DSP和FPGA兩部分，負責A/D轉換、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，是控制系統的核心：

A/D采樣與調理模塊負責將主電路中傳感器輸出的小電流信號轉換成小電壓信號，再經(jīng)過(guò)濾波、限幅電路，接入DSP的A/D轉換接口，為控制系統提供系統當前工作狀態(tài);

DI與DO模塊可以實(shí)現I/O信號的輸出與檢測，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段顯示數碼管組成，可根據主控模塊指令顯示電源當前工作狀態(tài)和故障信息;

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

同時(shí)模塊內設有保護功能，對IGBT進(jìn)行過(guò)流、過(guò)溫保護;通信模塊負責與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的高效、穩定運作。

2.3 控制策略

文中所設計開(kāi)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(guò)A/D調理，送入DSP芯片進(jìn)行A/D轉換，利用其強大的計算能力實(shí)現數字化PI調節，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，FPGA負責發(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)結構相同，互不影響。公式(11)～(16)所示為DSP芯片中PI調節模塊計算過(guò)程。

圖4所示為PI調節模塊的結構圖。

除了以上闡述的傳統PI控制，本系統還應用了前饋補償的思想，不再只以PI決定控制脈沖占空比，加入了前饋補償計算結果，使得控制系統的反應速度更快。PI調節模塊作為“微調”，使得輸出電壓紋波系數更小，穩定性更佳，有效抑制了系統因沖擊、震蕩所引起的輸出劇烈波動(dòng)。具體應用方法如公式(17)所示。

上式中，D為最終IGBT控制脈沖占空比;PLout為PI調節模塊計算結果;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果。

2.4 保護策略

如前文所述，內蒙新型直線(xiàn)電機運輸系統試驗線(xiàn)存在弓網(wǎng)關(guān)系差的問(wèn)題，在某些區段頻繁出現短時(shí)掉電-再上電的現象，進(jìn)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的損害作用最大。經(jīng)仿真，采用前文所選電路器件參數和閉環(huán)控制策略，10 ms脫弓情況下，電流沖擊一般會(huì )達到90A。除此之外，系統還可能出現各種過(guò)壓、過(guò)流故障。因此，采取有效的保護策略，抑制沖擊電流過(guò)大，保證系統穩定是十分必要的。具體保護邏輯如下：

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，若此時(shí)并無(wú)過(guò)壓情況，則重新啟動(dòng)脈沖。DC/DC變換電路直接恢復至保護前占空比，BUCK電路進(jìn)入軟啟動(dòng)模式，以當前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達到額定值為止。輸入過(guò)壓保護值取1800V。

2)輸入欠壓——這種故障中主要出現于網(wǎng)側短時(shí)掉電情況下。輸入欠壓保護后，僅封鎖BUCK電路控制脈沖，在控制系統每一時(shí)序周期對網(wǎng)壓進(jìn)行監測，一旦恢復正常，BUCK電路進(jìn)入軟啟動(dòng)模式，方式同I。輸入欠壓保護值取1 000 V。

3)DC600V過(guò)壓——封鎖全部控制脈沖，中間電壓經(jīng)由壓倉電阻緩慢泄放，當低于550 V時(shí)，系統重新啟動(dòng)脈沖。方式同I。DC600 V過(guò)壓保護值取700V。

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

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

3 系統仿真

利用MATLAB軟件實(shí)現系統仿真，搭建模型如圖5所示。

圖6所示為系統仿真電壓波形圖。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。