基于MINI平臺(tái)的內(nèi)燃機(jī)車輔助變流器控制

徐文龍

摘要：本文介紹了MINI平臺(tái)（輔助變流器控制平臺(tái)--MINI平臺(tái)）的原理框架。介紹了內(nèi)燃車輔助變流器變頻控制，同時(shí)針對(duì)內(nèi)燃車市場(chǎng)產(chǎn)品的應(yīng)用中的問題給出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過本文的介紹提供一種基于MINI平臺(tái)的應(yīng)用思路以及為避免市場(chǎng)應(yīng)用中相關(guān)問題的解決途徑。

關(guān)鍵詞：MINI平臺(tái)；SVPWM；變頻控制；

ABSTRACT：This paper introduces the principle framework of MINI platform（Auxiliary converter control platform-MINI platform）. AND describes an variable frequency auxiliary converter control. At the same time refer to the problems of diesel locomotive（or diesel motor vehicle） application products to give the solutions. Through the introduction of this paper provides a thought for application based on the MINI platform and the ways to resolve the similar problems.

Key Words： MINI platform； SVPWM； Variable Frequency-Control；

0 引言

為了提高內(nèi)燃車市場(chǎng)的競(jìng)爭力，更快的響應(yīng)市場(chǎng)需求，更好的符合客戶的要求，時(shí)代電氣自2012年開始自主研發(fā)內(nèi)燃車輔助控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要以模塊式平臺(tái)和MINI平臺(tái)為軟件開發(fā)載體，采用高精度數(shù)字計(jì)算基于SVPWM變頻控制原理根據(jù)負(fù)載的特性選擇不同的曲線包絡(luò)，或恒頻恒壓或變頻變壓對(duì)柴油機(jī)冷卻風(fēng)扇、牽引通風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、空調(diào)機(jī)組以及一些照明設(shè)備進(jìn)行供電。由于是首次對(duì)內(nèi)燃車市場(chǎng)進(jìn)行技術(shù)拓展，期間也遇到了一些棘手的問題，比如空壓機(jī)輸入低壓（AC200V）時(shí)突投引起輸出端電流波動(dòng)問題等，本文針對(duì)以上問題進(jìn)行分析并給出解決方案。我們致力于開發(fā)符合基于現(xiàn)有硬件平臺(tái)的內(nèi)燃車輔助變流器軟件控制架構(gòu)平臺(tái)，為響應(yīng)后續(xù)內(nèi)燃車市場(chǎng)拓展提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 MINI平臺(tái)基本原理架構(gòu)

MINI平臺(tái)主要包括CPU控制單元和接口擴(kuò)展板，關(guān)聯(lián)關(guān)系如下圖1，CPU控制單元的主要電路功能模塊有：AD采樣、數(shù)字量采集、PWM脈沖、電平轉(zhuǎn)換、RS232通信、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、故障記錄以及與外部網(wǎng)絡(luò)的RS485通信功能等等，擴(kuò)展板的主要功能就是為CPU控制單元做過度接口，根據(jù)輸入輸出的要求完成信號(hào)連接，同時(shí)提供PLC與DSP之間的RS485通信功能。

2 輔助變流器變頻控制

2.1 基于DSP（TMS320F28335）實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量脈寬控制（SVPWM）

系統(tǒng)采用10KHz頻率進(jìn)行AD采樣，再對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行二階低通濾波處理，然后將濾波后的采樣值送給PWM脈沖計(jì)算單元作為參數(shù)輸入。PWM的中斷周期即輔助變流器的開關(guān)頻率為3KHz。PWM脈沖計(jì)算直接利用DSP集成的FPU（Floating-Point Unit）單元進(jìn)行空間矢量計(jì)算，結(jié)合AD采樣中斷輸入的參數(shù)，首先計(jì)算空間電壓矢量變量V1和V2分別作用時(shí)間T1、T2以及零矢量（V0或者V7）作用時(shí)間T0，T1、T2、T0的計(jì)算公式如式（2），然后根據(jù)實(shí)時(shí)角度所在的扇區(qū)用已知的T1、T2以及T0計(jì)算出PWM比較寄存器COMP1～COMP3的值。下文對(duì)空間矢量的計(jì)算和DSP所集成的PWM脈沖產(chǎn)生單元的參數(shù)配置進(jìn)行介紹。

電壓空間矢量脈寬控制采用兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量合成參考電壓空間矢量Vref，如圖7所示由六條模均為 的電壓空間矢量將復(fù)平面均分為6個(gè)扇區(qū)。在任一扇區(qū)內(nèi)Vref由所在扇區(qū)的空間變量V1和V2以及相應(yīng)的零矢量（V0或者V7）合成如圖8所示。假設(shè)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)Vref不變，所以可以得到Vref*Ts=V1*T1+V2*T2，同時(shí)Ts=T1+T2+T0，假設(shè)Vref與實(shí)軸的夾角為θ，則由正弦定律可以推導(dǎo)出公式（1）

DSP（TMS320F28335）芯片集成了PWM脈沖產(chǎn)生模塊，所以實(shí)現(xiàn)PWM比較方便。具體設(shè)置如下幾個(gè)步驟：

（1）設(shè)置TBCTL寄存器將PWM時(shí)鐘為18.75MHz并將定時(shí)器的計(jì)數(shù)模式設(shè)置為連續(xù)增/減模式。

（2）設(shè)置CMPR寄存器使能比較功能，將PWM中斷設(shè)置為下溢中斷。

（3）設(shè)置AQCTLA寄存器定義比較輸出管腳的輸出方式為高電平有效。

利用公式（2）計(jì)算CMPR的值在SVPWM中斷時(shí)重新裝載CMPR寄存器

2.2 基于SVPWM的逆變器變頻輸出

MINI平臺(tái)采用DSP（TMS320F28335）的頻率可達(dá)到150MHz，CPU采用32位定點(diǎn)并包含單精度浮點(diǎn)單元FPU，所以其能夠執(zhí)行復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，所以根據(jù)公式（2）很容易計(jì)算出空間矢量T1、T2和T0然后按照表1在不同扇區(qū)裝載不同CMPR比較值（PWM輸出高電平有效）。

由上文可以精確地計(jì)算出每個(gè)扇區(qū)的CMPR值，在此基礎(chǔ)上只要改變比較器的載波頻率就可以實(shí)現(xiàn)變頻SVPWM波形輸出。變頻可以通過改變每個(gè)周期的分頻數(shù)來實(shí)現(xiàn)

2.3 采用逆變器變頻控制緩解負(fù)載突投沖擊

以伊拉克動(dòng)車項(xiàng)目的空壓機(jī)柜為例，變頻控制可以緩解負(fù)載突投對(duì)供電系統(tǒng)的沖擊，具體應(yīng)用如下：

空壓機(jī)柜（空壓機(jī)柜當(dāng)輸入電壓在AC200～AC400范圍內(nèi)輸出160V/50Hz，然后經(jīng)升壓變壓器后輸出380V/50Hz為負(fù)載供電）在輸入低壓（AC200V），空壓機(jī)軟啟動(dòng)輸出電壓達(dá)到160V/50Hz時(shí)，突投空壓機(jī)負(fù)載引起空壓機(jī)柜輸出端電流波動(dòng)引起過載保護(hù)。針對(duì)以上現(xiàn)象做了如下實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)1：在輸入低壓（AC200V）時(shí)，先將空壓機(jī)負(fù)載投入，然后讓空壓機(jī)柜從10Hz～50Hz按照一定的函數(shù)包絡(luò)軟啟動(dòng)，在這種情況下沒有出現(xiàn)空壓機(jī)柜輸出端電流波動(dòng)以及過載保護(hù)。

實(shí)驗(yàn)2：在輸入低壓（AC200V）時(shí)，分別讓空壓機(jī)柜的輸出電壓頻率為40Hz、30Hz、20Hz等頻率工作時(shí)突投空壓機(jī)負(fù)載，雖然也引起了空壓機(jī)柜輸出端的電流波動(dòng)但是電流波動(dòng)的范圍以及電流的最大值都有不同程度的減小或者降低。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：空壓機(jī)負(fù)載在工頻逆變模塊供電時(shí)起動(dòng)和加速?zèng)_擊很大，而當(dāng)使用變頻逆變模塊供電時(shí)，這些沖擊就要弱一些。工頻直接起動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的起動(dòng)電流，而當(dāng)使用變頻逆變模塊時(shí)，變頻逆變模塊的輸出電壓和頻率是逐漸加到空壓機(jī)負(fù)載上的，所以空壓機(jī)負(fù)載的起動(dòng)電流和對(duì)空壓機(jī)供電系統(tǒng)的沖擊變小。

針對(duì)問題現(xiàn)象以及實(shí)驗(yàn)結(jié)論采取如下方案：根據(jù)電流的超載幅度采取不同的降頻降壓速度，以降頻降壓的方式拉低突投電流對(duì)系統(tǒng)的沖擊，當(dāng)電流恢復(fù)正常時(shí)，模塊按一定的壓頻比恢復(fù)到380V/50Hz供電。此方案實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證已經(jīng)解決了空壓機(jī)在低壓段突投負(fù)載引起過載保護(hù)問題。

3 實(shí)驗(yàn)波形

圖4和圖5分別為內(nèi)燃車輔變模塊的正常啟動(dòng)和停止波形，啟動(dòng)和停止均采用了變頻變壓控制方式，因?yàn)閮?nèi)燃車負(fù)載大部分為電機(jī)負(fù)載，采用這種方式目的是緩解電機(jī)突投或者突切時(shí)對(duì)系統(tǒng)的沖擊。圖6和圖7是輔變模塊沒有濾波器的輸出波形。圖8、圖9和圖10為模塊輸出經(jīng)過濾波器后的波形。實(shí)驗(yàn)波形表明基于MINI平臺(tái)的內(nèi)燃車輔助變流器的輸出特性良好。

4 結(jié)束語

本文介紹了MINI平臺(tái)的基本原理框架。介紹了輔助變流器的變頻控制以及針對(duì)相關(guān)問題的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過本文為后續(xù)應(yīng)用相同平臺(tái)或者內(nèi)燃車產(chǎn)品領(lǐng)域的開發(fā)提供設(shè)計(jì)的一種思路。實(shí)驗(yàn)波形也表明變流器輸出特性良好?；贛INI平臺(tái)的內(nèi)燃機(jī)車或者內(nèi)燃動(dòng)車的控制系統(tǒng)具有可實(shí)施性和很好的市場(chǎng)應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)：

[1]林征宇.“基于DSP的功率變換器控制的研究”.碩士學(xué)位論文，浙江大學(xué)，2000年12月.

[2]熊樂進(jìn).“基于DSP的單芯片數(shù)字控制UPS電源”.碩士學(xué)位論文，浙江大學(xué)，2002年2月.

[3]TMS320F2812 DSP 原理與應(yīng)用實(shí)例/三恒星科技編著.北京：電子工業(yè)出版社，2009.2

[4]Dewan，S.B.，Slemon，G.R.，and Straughen，A.Power Semiconductor Drives.New York：Wileg，1984

[5]Rashid，M.H.，Power Electronics，2nd Ed.Prentice-Hall，Inc，1993

[6]Lander，C.W.，電力電子技術(shù)，郭彩霞譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987