机车制动能量回馈系统中新型锁相环的设计

张胜红，全惠敏

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙 410082)

机车制动能量回馈系统中新型锁相环的设计

张胜红，全惠敏

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙 410082)

为了实现快速锁相，通过在线修改锁相环中PI滤波器的控制参数，达到系统最优控制，提出了一种基于模糊控制技术的自适应方案。介绍了模糊PI控制器的结构和模糊规则，以及机车制动能量回馈系统中的新型锁相环的软硬件结构。仿真及实验结果表明，新型锁相环能够进行较快锁相，具有良好的应用价值。

锁相环；模糊PI控制；坐标变换

城市轨道列车在再生制动时会将制动能量反馈回直流牵引网，提供同一线路的邻近车辆吸收，实现能源的充分利用。但是，若制动能量未能被完全吸收会造成直流电网电压上升，对供电系统设备造成损害。轨道交通制动能量回馈系统就是将这部分多余能量通过逆变器回馈至交流电网，以维持直流电网电压稳定。图1为轨道交通车辆制动能量回馈系统方框图，其工作过程：DSP实时监测直流牵引电网电压，当电网电压超过设定值之后，产生SVPWM波，开启逆变桥，经滤波器、并网开关及隔离变压器后，将多余的直流能量回馈至交流电网。因其节能效果好，成为城市轨道交通制动方式发展趋势[1-3]。为使回馈系统并网时不产生冲击电流，必须满足以下条件：逆变输出电压与电网电压的幅度相同；频率和相位相同；相序严格相同[4]。

图1 轨道交通制动能量回馈系统方框图

锁相环(PLL)是一个闭环的相位控制系统，常用来跟踪输入信号的频率和相位，使外部的输入信号与目标信号同步。锁相环一般分硬件锁相和软件锁相。硬件锁相是用锁相环电路实时跟踪信号频率变化，从而实时调整输出频率，使用简单、实时性好，但其可靠性不高、线路复杂、元件易老化、有零漂、不便于调试[5]。软件同步方法是采用微处理器通过软件算法来实现同步。这种方法简化了硬件电路，其精度较高，在具体应用中具有很强的灵活性[5-7]。对于三相电网，采用提取单相的方法很难精确实现0旋转坐标系与电网三相电压合成矢量的同步，必须综合三相电压的相位信息，采用三相软件同步的方法来实现相位同步，获取需要的基波电压相位。

本文采用基于坐标变换的三相数字锁相环[8]，并运用模糊自适应理论在线调整环路滤波器参数，该锁相环结构简单，动态响应速度快，锁相精度高。

1 数字锁相硬件电路设计

采用TI公司TMS320F2812(以下简称F2812)为核心控制器，完成包括信号处理、锁相控制、PWM波产生等多种功能。F2812拥有两个事件管理器EVA和EVB及16路12位的A/D转换通路。锁相电路硬件框图如图2所示，采用STVD-500V电压传感器，输出电流为0～20 mA，经取样电阻转化电压信号，再经高频滤波电路，滤除高频干扰信号，再对输入信号进行限幅，将输入信号限制在0～3.3 V，输入到DSP的ADC端口。DSP再对采样的信号进行处理，通过调整PWM波，来改变逆变输出信号的频率和相位，达到输出跟随输入电压的目的。

图2 锁相电路硬件框图

2 模糊控制原理

2.1 模糊自适应PI控制器设计

模糊自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，它与传统PI控制相结合，实现系统最佳控制[9]。本文设计一个二维模糊控制器，如图3所示。

图3 模糊PI控制器

表1 模糊控制规则表

使用模糊逻辑AND操作，并采用“centroid”反模糊化，利用式(1)计算得到Δ，即控制量Δ。

2.2 基于模糊控制的数字锁相环设计

令在PD环节，从反馈端输入的分别是关于输出相位θ0的正弦余弦函数，得：

图4 基于坐标变换的三相锁相环基本结构

2.3 数字锁相环软件设计

文献[10]介绍了SVPWM波的实现方式，可知，只要改变定时器周期寄存器和比较寄存器的值，就可以改变逆变输出电压的频率和相位。

图5 软件流程图

锁相部分软件流程图如图5所示，首先完成系统控制寄存器和系统变量初始化，设定采样频率s=5 kHz，输出频率=50 Hz，预设时钟信号，开中断。采样中断程序将在=，2，…，时刻对市电进行采样。完成初始化之后，系统将一直检测直流电网电压，直流电网电压没有超过设定值时，重复检测。一旦发现电压超过设定值，马上调取市电采样值，按式(3)进行clarke变换，再查表得到当前时刻-变换所需的正余弦值，再按式(4)park变换，得出误差信号，并计算出误差变化率Δ，再根据模糊理论推导出、，然后根据式(1)计算出控制量Δ。再根据控制量Δ，调整定时器1的周期寄存器和比较寄存器的值，用以改变SVPWM波的频率和脉宽，乃至三相逆变电压的频率和相位。

3 实验结果

实验平台搭建：调压变压器连接交流电网，采用三相不控整流方式整流，采用两个2 200 μF串联进行滤波，均压电阻为38 K/20 W，设定直流电压高于180 V时，逆变输出。采用F2812为控制芯片，采用三菱的CM200DY构成的三相全桥逆变桥，输出接隔离滤波器，输出滤波电容为10 μF。图6为采用衰减比为100的高压探头测得锁相稳定后的输入A相电压波形和输出A相电压波形。通过示波器的相位差检测功能可知，两个波形相位差不超过±0.4°，由此可见设计的锁相稳定可靠，且具有较高的精度。

4 结论

本文详细分析了新型锁相环的锁相原理，介绍了锁相电路硬件结构和软件流程。将其应用于轨道交通机车制动能量回馈系统，实验结果表明，新型锁相环能够实现快速锁相，并且锁相精度高，能够满足回馈系统的要求，有良好的应用价值。

图6 锁相波形图

[1]ADINOLFI A,LAMEDICA R,MODESTO C,et al.Experimental assessment of energy saving due to trains regenerative braking in an electrified subway line[J].IEEE Transactions on Industry applications,1998,13(4):1536-1542.

[2]王彦峥，苏鹏程．城市轨道交通再生电能回收技术方案的研究[J]．电气化铁道，2004(2)：37-40．

[3]王军，江平，杨海英．城市轨道交通制动能量逆变回馈系统研究[J]．城市轨道交通研究，2007(12)：23-27．

[4]梁有伟，胡志坚，陈允平．分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J]．电网技术，2003，27(12):71-77．

[5]龚益民，臧小惠．基于DSP的逆变电源锁相环的设计与研究[J]．通信电源技术，2007，24(6)：58-50．

[6]李彦栋，王凯斐，卓放，等．新型软件锁相环在动态电压恢复器中的应用[J].电网技术，2004，28(8)：42-45．

[7]张喻，陈新．基于DSP2812的软件锁相[J].电力电子技术，2008，42(2)：75-77．

[8]侯世英，张诣．新型数字锁相环在三相电压型SVPWM整流器中的应用[J]．电力自动化设备，2011，31(7)：48-51．

[9]刘金锟．智能控制[M]．北京：电子工业出版社，2005:54-56．

[10]徐科军，张瀚，陈智渊.TMS320X281X DSP原理与应用[M]．北京：北京航天航空大学出版社，2006:188-191．

Design of new PLL in braking energy feedback system of urban rail transit

ZHANG Sheng-hong,QUAN Hui-min

In order to realize the rapid phase lock,and achieve the optimal control of system by modifying the control parameters of PI filter in phase lock loop(PLL)online,a adaptive scheme based on fuzzy control technology was proposed.The structure and fuzzy rules of the fuzzy PI controller were presented.The structure of software and hardware of the novel PLL in the braking energy feedback system of urban rail transit were introduced.Simulation and experimental results show that the new PLL can be phase lock quickly,and has good application value.

PLL;fuzzy PI control;coordinate transformation

TM 571

A

1002-087 X(2014)02-0320-03

2013-06-23

广东省教育部产学研结合项目(2010B090400213)

张胜红(1986—)，男，湖南省人，硕士生，主要研究方向为智能控制和电力电子技术。导师：全惠敏(1971—)，女，湖北省人，博士，副教授，主要研究方向为语音图像信息处理、现代网络与通信。