機(jī)車(chē)制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)中新型鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)

張勝紅，全惠敏

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082)

機(jī)車(chē)制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)中新型鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)

張勝紅，全惠敏

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082)

為了實(shí)現(xiàn)快速鎖相，通過(guò)在線修改鎖相環(huán)中PI濾波器的控制參數(shù)，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)控制，提出了一種基于模糊控制技術(shù)的自適應(yīng)方案。介紹了模糊PI控制器的結(jié)構(gòu)和模糊規(guī)則，以及機(jī)車(chē)制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)中的新型鎖相環(huán)的軟硬件結(jié)構(gòu)。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型鎖相環(huán)能夠進(jìn)行較快鎖相，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

鎖相環(huán)；模糊PI控制；坐標(biāo)變換

城市軌道列車(chē)在再生制動(dòng)時(shí)會(huì)將制動(dòng)能量反饋回直流牽引網(wǎng)，提供同一線路的鄰近車(chē)輛吸收，實(shí)現(xiàn)能源的充分利用。但是，若制動(dòng)能量未能被完全吸收會(huì)造成直流電網(wǎng)電壓上升，對(duì)供電系統(tǒng)設(shè)備造成損害。軌道交通制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)就是將這部分多余能量通過(guò)逆變器回饋至交流電網(wǎng)，以維持直流電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。圖1為軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)方框圖，其工作過(guò)程：DSP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流牽引電網(wǎng)電壓，當(dāng)電網(wǎng)電壓超過(guò)設(shè)定值之后，產(chǎn)生SVPWM波，開(kāi)啟逆變橋，經(jīng)濾波器、并網(wǎng)開(kāi)關(guān)及隔離變壓器后，將多余的直流能量回饋至交流電網(wǎng)。因其節(jié)能效果好，成為城市軌道交通制動(dòng)方式發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。為使回饋系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)不產(chǎn)生沖擊電流，必須滿足以下條件：逆變輸出電壓與電網(wǎng)電壓的幅度相同；頻率和相位相同；相序嚴(yán)格相同[4]。

圖1 軌道交通制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)方框圖

鎖相環(huán)(PLL)是一個(gè)閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，常用來(lái)跟蹤輸入信號(hào)的頻率和相位，使外部的輸入信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)同步。鎖相環(huán)一般分硬件鎖相和軟件鎖相。硬件鎖相是用鎖相環(huán)電路實(shí)時(shí)跟蹤信號(hào)頻率變化，從而實(shí)時(shí)調(diào)整輸出頻率，使用簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好，但其可靠性不高、線路復(fù)雜、元件易老化、有零漂、不便于調(diào)試[5]。軟件同步方法是采用微處理器通過(guò)軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。這種方法簡(jiǎn)化了硬件電路，其精度較高，在具體應(yīng)用中具有很強(qiáng)的靈活性[5-7]。對(duì)于三相電網(wǎng)，采用提取單相的方法很難精確實(shí)現(xiàn)0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與電網(wǎng)三相電壓合成矢量的同步，必須綜合三相電壓的相位信息，采用三相軟件同步的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)相位同步，獲取需要的基波電壓相位。

本文采用基于坐標(biāo)變換的三相數(shù)字鎖相環(huán)[8]，并運(yùn)用模糊自適應(yīng)理論在線調(diào)整環(huán)路濾波器參數(shù)，該鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，鎖相精度高。

1 數(shù)字鎖相硬件電路設(shè)計(jì)

采用TI公司TMS320F2812(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F2812)為核心控制器，完成包括信號(hào)處理、鎖相控制、PWM波產(chǎn)生等多種功能。F2812擁有兩個(gè)事件管理器EVA和EVB及16路12位的A/D轉(zhuǎn)換通路。鎖相電路硬件框圖如圖2所示，采用STVD-500V電壓傳感器，輸出電流為0～20 mA，經(jīng)取樣電阻轉(zhuǎn)化電壓信號(hào)，再經(jīng)高頻濾波電路，濾除高頻干擾信號(hào)，再對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限幅，將輸入信號(hào)限制在0～3.3 V，輸入到DSP的ADC端口。DSP再對(duì)采樣的信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)調(diào)整PWM波，來(lái)改變逆變輸出信號(hào)的頻率和相位，達(dá)到輸出跟隨輸入電壓的目的。

圖2 鎖相電路硬件框圖

2 模糊控制原理

2.1 模糊自適應(yīng)PI控制器設(shè)計(jì)

模糊自適應(yīng)控制運(yùn)用現(xiàn)代控制理論在線辨識(shí)對(duì)象特征參數(shù)，實(shí)時(shí)改變其控制策略，它與傳統(tǒng)PI控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳控制[9]。本文設(shè)計(jì)一個(gè)二維模糊控制器，如圖3所示。

圖3 模糊PI控制器

表1 模糊控制規(guī)則表

使用模糊邏輯AND操作，并采用“centroid”反模糊化，利用式(1)計(jì)算得到Δ，即控制量Δ。

2.2 基于模糊控制的數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

令在PD環(huán)節(jié)，從反饋端輸入的分別是關(guān)于輸出相位θ0的正弦余弦函數(shù)，得：

圖4 基于坐標(biāo)變換的三相鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)

2.3 數(shù)字鎖相環(huán)軟件設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[10]介紹了SVPWM波的實(shí)現(xiàn)方式，可知，只要改變定時(shí)器周期寄存器和比較寄存器的值，就可以改變逆變輸出電壓的頻率和相位。

圖5 軟件流程圖

鎖相部分軟件流程圖如圖5所示，首先完成系統(tǒng)控制寄存器和系統(tǒng)變量初始化，設(shè)定采樣頻率s=5 kHz，輸出頻率=50 Hz，預(yù)設(shè)時(shí)鐘信號(hào)，開(kāi)中斷。采樣中斷程序?qū)⒃?，2，…，時(shí)刻對(duì)市電進(jìn)行采樣。完成初始化之后，系統(tǒng)將一直檢測(cè)直流電網(wǎng)電壓，直流電網(wǎng)電壓沒(méi)有超過(guò)設(shè)定值時(shí)，重復(fù)檢測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)電壓超過(guò)設(shè)定值，馬上調(diào)取市電采樣值，按式(3)進(jìn)行clarke變換，再查表得到當(dāng)前時(shí)刻-變換所需的正余弦值，再按式(4)park變換，得出誤差信號(hào)，并計(jì)算出誤差變化率Δ，再根據(jù)模糊理論推導(dǎo)出、，然后根據(jù)式(1)計(jì)算出控制量Δ。再根據(jù)控制量Δ，調(diào)整定時(shí)器1的周期寄存器和比較寄存器的值，用以改變SVPWM波的頻率和脈寬，乃至三相逆變電壓的頻率和相位。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建：調(diào)壓變壓器連接交流電網(wǎng)，采用三相不控整流方式整流，采用兩個(gè)2 200 μF串聯(lián)進(jìn)行濾波，均壓電阻為38 K/20 W，設(shè)定直流電壓高于180 V時(shí)，逆變輸出。采用F2812為控制芯片，采用三菱的CM200DY構(gòu)成的三相全橋逆變橋，輸出接隔離濾波器，輸出濾波電容為10 μF。圖6為采用衰減比為100的高壓探頭測(cè)得鎖相穩(wěn)定后的輸入A相電壓波形和輸出A相電壓波形。通過(guò)示波器的相位差檢測(cè)功能可知，兩個(gè)波形相位差不超過(guò)±0.4°，由此可見(jiàn)設(shè)計(jì)的鎖相穩(wěn)定可靠，且具有較高的精度。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)分析了新型鎖相環(huán)的鎖相原理，介紹了鎖相電路硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程。將其應(yīng)用于軌道交通機(jī)車(chē)制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型鎖相環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)快速鎖相，并且鎖相精度高，能夠滿足回饋系統(tǒng)的要求，有良好的應(yīng)用價(jià)值。

圖6 鎖相波形圖

[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]王彥崢，蘇鵬程．城市軌道交通再生電能回收技術(shù)方案的研究[J]．電氣化鐵道，2004(2)：37-40．

[3]王軍，江平，楊海英．城市軌道交通制動(dòng)能量逆變回饋系統(tǒng)研究[J]．城市軌道交通研究，2007(12)：23-27．

[4]梁有偉，胡志堅(jiān)，陳允平．分布式發(fā)電及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究綜述[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(12):71-77．

[5]龔益民，臧小惠．基于DSP的逆變電源鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)與研究[J]．通信電源技術(shù)，2007，24(6)：58-50．

[6]李彥棟，王凱斐，卓放，等．新型軟件鎖相環(huán)在動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(8)：42-45．

[7]張喻，陳新．基于DSP2812的軟件鎖相[J].電力電子技術(shù)，2008，42(2)：75-77．

[8]侯世英，張?jiān)劊滦蛿?shù)字鎖相環(huán)在三相電壓型SVPWM整流器中的應(yīng)用[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(7)：48-51．

[9]劉金錕．智能控制[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2005:54-56．

[10]徐科軍，張瀚，陳智淵.TMS320X281X DSP原理與應(yīng)用[M]．北京：北京航天航空大學(xué)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

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(2010B090400213)

張勝紅(1986—)，男，湖南省人，碩士生，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂坪碗娏﹄娮蛹夹g(shù)。導(dǎo)師：全惠敏(1971—)，女，湖北省人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)檎Z(yǔ)音圖像信息處理、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與通信。