基于DSP的再生制动能量吸收装置控制器的设计

林云志，周志宇

(中铁电气化局集团公司，北京 100036)

城市轨道交通具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点，被认为是解决城市交通的根本出路。城市轨道交通的特点是线路较短，车站布置相对较密，列车在运行过程中需要频繁地启动和制动。由于在列车制动时，直流电机处于发电机的工作状态，会向牵引网回馈能量，致使牵引网电压上升，对系统中供电设备的稳定运行产生不利影响。因此，需要一定的装置将列车回馈牵引网的能量消耗掉，以维持牵引网电压的稳定[1]。

本文针对750 V直流供电的列车在制动时的能量回馈问题，介绍了一套基于DSP的电阻耗能与逆变回馈相结合的再生制动能量吸收装置，主要阐述了装置中控制器模块的基本原理、设计方案和技术重点，并在实际城市轨道交通线路上进行了试验。

1 总体方案

电阻耗能与逆变回馈相结合的再生制动能量吸收装置包括逆变电路、电阻耗能电路和基于DSP的控制器3部分，装置的拓扑结构如图1所示。

图1 再生制动能量吸收装置扑结构原理图

其中基于DSP的控制器模块是整个装置的核心，主要功能是测量750 V直流母线的电压情况，判断当前母线电压VD的变化情况，利用测量的母线电压值与设定的 VD1、VD2、VD33个电压阀值进行逐级比较， 其中 VD3＞VD2＞VD1。 当 VD＜VD1时，直流母线工作正常，装置不动作；当 VD2＞VD＞VD1时，DSP控制器控制 CJ1开关闭合， 逆变电路投入使用，并将逆变后的电能并入电网内；当VD3＞VD＞VD2时,为保护电网，开启电阻耗能电路，将多余的电能消耗掉，来保证并网电压的纯洁性；当 VD＞VD3时，直流母线电压值过大，DSP控制器切断CJ1开关，同时发出报警信号以保护电网安全。

2 控制器的硬件设计

本文介绍的控制器包括DSP主控板、模拟量采集电路、人机界面液晶显示、光纤转接板和驱动板5个部分。其中，DSP主控板是控制器的核心。DSP采用美国TI公司的TMS320F28335芯片，具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外设集成度高、数据及程序存储量大、A/D转换更精确快速等特点。得益于浮点运算单元的优势，性能与前代DSP相比提高了50%。

DSP主控板的逻辑框图如图2所示，包括了利用开关电源将市电转换为DC 5 V的电源，通过主控板上的电源电路转换成DSP内部使用的DC 1.8 V和DC 3.3 V，提供给DSP以及GPIO使用；通过GPIO口，与液晶屏进行连接，设计了液晶显示界面和简单的按键操作按钮；利用互感器将模拟量转换为小信号传递给DSP的A/D模块进行A/D转换，测量模拟量的数值；计算采集的模拟量数据，按照判据计算得出所需的占空比进行PWM方波输出，控制光纤转换成0或1的光信号，在IGBT驱动板上转化成对应的低电平和高电平控制逆变电路，实现整套系统的控制。

图2 DSP主控板逻辑框图

2.1 电源电路

由开关电源提供稳定的直流5 V电源，利用TPS76-7D301双路输出低压差电压调整器，将DC 5 V调整为2路输出DC 1.8 V和DC 3.3 V，提供给DSP稳定的工作电源和GPIO接口电源，原理如图3所示。

图3 TPS767D301双路输出低压差电压调整器原理图

图3中DVDD5.0信号为开关电源提供的5 V电源电压，分别接到TPS767D301的电源输入引脚，以提供电压调整的电压源；TPS767D301引脚 3、9外接开关电源提供的地信号DGND，而引脚4、10是TPS767D301的工作使能引脚，低电平有效，接DGND信号可以保证芯片始终处于电压调整转换状态；TPS767D301产生2路电压DC 1.8 V、DC 3.3 V，同时在引脚 22、28产生一个 2个时钟的低电平输出DSP_RST，作为DSP芯片复位信号，保证DSP正常启动和工作，而后DSP_RST变为高电平。

2.2 人机界面接口

利用DSP的GPIO，通过排线连接到液晶屏幕，以显示采集的模拟量以及设置参数。电路原理图如图4所示。图中液晶屏需要TPS767D301提供的DC 3.3 V电源电压供电，利用电阻、电容组成的振荡电路，连接引脚3，系统上电为电容 C35充电，此时引脚 3为低电平，液晶屏复位启动；C35充电完毕，引脚3即为高电平，液晶屏完成启动；利用DSP一组GPIO引脚连接液晶屏(如图中的D0～D7)，作为数据传输使用，并且单独引出LCD_CS引脚作为液晶屏的使能端，DSP输出2个周期低电平而后变为高电平，使能液晶屏；再利用GPIO外接5个按键开关，另一端连接DC 3.3 V，设计了5个按键，其中4个方向选择键，1个确认键。

图4 DSP与液晶屏通过排线连接原理图

2.3 模拟量采集电路

电压、电流传感器将电网上的电压、电流信号转换为0～20 mA的小电流信号，再通过电阻转换为电压信号，输入到DSP的A/D转换模块。电路原理图如图5所示。图中J1、J2为模拟量输出端子，用来检测电网或直流供电母线电压、电流情况；H1为互感器，输出小电流信号 AIN、AGND，通过电阻 R4产生 0～2 V电压信号；电阻R42和电容C36构成RC滤波电路，将转换的小电压信号进行滤波处理，输出AIN0提供A/D转换模块。

图5 A/D转换原理图

2.4 PWM控制信号输出和A/D转换模块

模拟量采集电路输出的信号传递给DSP本身的A/D转换接口，如图6所示。ADCINA0～ADCINA7引脚外接由模拟量采集电路传输过来的对应信号，引脚AGND与模拟量采集电路的AGND连接形成参考地信号；利用DSP本身的18路PWM输出中的6路，如图6中的XPWM1～XPWM6引脚，通过芯片内部算法，输出所需要的方波，利用光纤转换设备，将电信号转换成分别为0和1的光信号，控制IGBT开关的断开或闭合。

图6 DSP主控板A/D转换与PWM脉冲调制接口原理图

3 控制器的软件设计

控制器的软件包括DSP初始化程序、控制器参数初始化程序、电压值设定程序和采集计算中断子程序。控制器初始化后，进入循环程序，等待采集计算中断子程序。而中断子程序响应后，计算A/D转换过来的数据，通过和设定电压值的对比计算所需占空比，输出方波，控制对应的开关和IGBT模块，达到了控制和保护效果。控制器主程序流程图如图7所示。

DSP芯片和参数的初始化后；利用人机界面，设定 参 数 VD1、VD2、VD3的 数值；控制器进入循环，等待响应中断子程序。

中断子程序包括采集模拟量 VD以及判断 VD与设定参数的关系。当VD≤VD1时，跳出子程序，返回程序；当 VD2≥VD＞VD1时，DSP控制器通过 GPIO引脚变位，由初始化的低电平变为高电平，对应的光纤驱动板输出信号 1，控制CJ1开关闭合，利用 PWM功能，输出需要占空比的方波，控制逆变电路工作，完成后返回主程序；当 VD3≥VD＞VD2时，开启电阻耗能电路，将多余的电能消耗掉，返回主程序；当 VD＞VD3时，切断CJ1开关，在人机界面发出告警信号，以确保电网工作正常。

图7 DSP控制器主程序流程图

4 试验结果

基于以上设计方案，在北京地铁某线路上进行了现场试验。结果表明，本文中设计的控制器能有效地控制逆变回馈系统实现制动能量的吸收并回馈电网，从而限制了牵引网电压的上升，可以加以推广使用。

本文完成了可用于城市轨道交通牵引系统的电阻耗能与逆变回馈相结合的再生制动能量吸收装置的控制器的设计，描述了控制器的原理和软硬件设计方案，并通过现场试验验证了整套装置的的可用性和可靠性。现场试验的结果表明，本文中设计的逆变回馈系统实现了限制直流母线电压和向交流侧电网回馈能量的功能，达到了预期效果，具备了投入工程应用的条件。

[1]许爱国，谢少军，姚远，等.基于超级电容的城市轨道交通车辆再生制动能量吸收系统[J].电工技术学报，2010，25(3)：117-123.

[2]肖启洋，张忠慧，方元.基于DSP的声反馈抑制系统的研究与实现[J].电子技术应用，2013，39(1)：30-31.

[3]陈贵荣，刘少克.唐山中低速磁悬浮列车试验线地面再生制动能量吸收装置的设计[J].机车电传动，2008(2)：38-41.