徐文龍

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

關(guān)鍵詞：MINI平臺；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)燃車市場的競爭力，更快的響應市場需求，更好的符合客戶的要求，時代電氣自2012年開始自主研發(fā)內(nèi)燃車輔助控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要以模塊式平臺和MINI平臺為軟件開發(fā)載體，采用高精度數(shù)字計算基于SVPWM變頻控制原理根據(jù)負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柴油機冷卻風扇、牽引通風機、空壓機、空調(diào)機組以及一些照明設(shè)備進行供電。由于是首次對內(nèi)燃車市場進行技術(shù)拓展，期間也遇到了一些棘手的問題，比如空壓機輸入低壓（AC200V）時突投引起輸出端電流波動問題等，本文針對以上問題進行分析并給出解決方案。我們致力于開發(fā)符合基于現(xiàn)有硬件平臺的內(nèi)燃車輔助變流器軟件控制架構(gòu)平臺，為響應后續(xù)內(nèi)燃車市場拓展提供堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 MINI平臺基本原理架構(gòu)

MINI平臺主要包括CPU控制單元和接口擴展板，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、實時時鐘、故障記錄以及與外部網(wǎng)絡(luò)的RS485通信功能等等，擴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連接，同時提供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）實現(xiàn)電壓空間矢量脈寬控制（SVPWM）

系統(tǒng)采用10KHz頻率進行AD采樣，再對采樣結(jié)果進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脈沖計算直接利用DSP集成的FPU（Floating-Point Unit）單元進行空間矢量計算，結(jié)合AD采樣中斷輸入的參數(shù)，首先計算空間電壓矢量變量V1和V2分別作用時間T1、T2以及零矢量（V0或者V7）作用時間T0，T1、T2、T0的計算公式如式（2），然后根據(jù)實時角度所在的扇區(qū)用已知的T1、T2以及T0計算出PWM比較寄存器COMP1～COMP3的值。下文對空間矢量的計算和DSP所集成的PWM脈沖產(chǎn)生單元的參數(shù)配置進行介紹。

電壓空間矢量脈寬控制采用兩個非零矢量和一個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平面均分為6個扇區(qū)。在任一扇區(qū)內(nèi)Vref由所在扇區(qū)的空間變量V1和V2以及相應的零矢量（V0或者V7）合成如圖8所示。假設(shè)一個開關(guān)周期內(nèi)Vref不變，所以可以得到Vref*Ts=V1*T1+V2*T2，同時Ts=T1+T2+T0，假設(shè)Vref與實軸的夾角為θ，則由正弦定律可以推導出公式（1）

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

（1）設(shè)置TBCTL寄存器將PWM時鐘為18.75MHz并將定時器的計數(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）計算CMPR的值在SVPWM中斷時重新裝載CMPR寄存器

2.2 基于SVPWM的逆變器變頻輸出

MINI平臺采用DSP（TMS320F28335）的頻率可達到150MHz，CPU采用32位定點并包含單精度浮點單元FPU，所以其能夠執(zhí)行復雜的浮點運算，所以根據(jù)公式（2）很容易計算出空間矢量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算出每個扇區(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現(xiàn)變頻SVPWM波形輸出。變頻可以通過改變每個周期的分頻數(shù)來實現(xiàn)

2.3 采用逆變器變頻控制緩解負載突投沖擊

以伊拉克動車項目的空壓機柜為例，變頻控制可以緩解負載突投對供電系統(tǒng)的沖擊，具體應用如下：

空壓機柜（空壓機柜當輸入電壓在AC200～AC400范圍內(nèi)輸出160V/50Hz，然后經(jīng)升壓變壓器后輸出380V/50Hz為負載供電）在輸入低壓（AC200V），空壓機軟啟動輸出電壓達到160V/50Hz時，突投空壓機負載引起空壓機柜輸出端電流波動引起過載保護。針對以上現(xiàn)象做了如下實驗：

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

實驗2：在輸入低壓（AC200V）時，分別讓空壓機柜的輸出電壓頻率為40Hz、30Hz、20Hz等頻率工作時突投空壓機負載，雖然也引起了空壓機柜輸出端的電流波動但是電流波動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)以上實驗得出結(jié)論：空壓機負載在工頻逆變模塊供電時起動和加速沖擊很大，而當使用變頻逆變模塊供電時，這些沖擊就要弱一些。工頻直接起動會產(chǎn)生一個大的起動電流，而當使用變頻逆變模塊時，變頻逆變模塊的輸出電壓和頻率是逐漸加到空壓機負載上的，所以空壓機負載的起動電流和對空壓機供電系統(tǒng)的沖擊變小。

針對問題現(xiàn)象以及實驗結(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系統(tǒng)的沖擊，當電流恢復正常時，模塊按一定的壓頻比恢復到380V/50Hz供電。此方案實驗驗證已經(jīng)解決了空壓機在低壓段突投負載引起過載保護問題。

3 實驗波形

圖4和圖5分別為內(nèi)燃車輔變模塊的正常啟動和停止波形，啟動和停止均采用了變頻變壓控制方式，因為內(nèi)燃車負載大部分為電機負載，采用這種方式目的是緩解電機突投或者突切時對系統(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。實驗波形表明基于MINI平臺的內(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平臺的基本原理框架。介紹了輔助變流器的變頻控制以及針對相關(guān)問題的優(yōu)化設(shè)計。通過本文為后續(xù)應用相同平臺或者內(nèi)燃車產(chǎn)品領(lǐng)域的開發(fā)提供設(shè)計的一種思路。實驗波形也表明變流器輸出特性良好。基于MINI平臺的內(nèi)燃機車或者內(nèi)燃動車的控制系統(tǒng)具有可實施性和很好的市場應用潛力。

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