基于MINI平台的内燃机车辅助变流器控制

徐文龙

摘要：本文介绍了MINI平台（辅助变流器控制平台--MINI平台）的原理框架。介绍了内燃车辅助变流器变频控制，同时针对内燃车市场产品的应用中的问题给出优化设计方案。通过本文的介绍提供一种基于MINI平台的应用思路以及为避免市场应用中相关问题的解决途径。

关键词：MINI平台；SVPWM；变频控制；

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

为了提高内燃车市场的竞争力，更快的响应市场需求，更好的符合客户的要求，时代电气自2012年开始自主研发内燃车辅助控制系统。该系统主要以模块式平台和MINI平台为软件开发载体，采用高精度数字计算基于SVPWM变频控制原理根据负载的特性选择不同的曲线包络，或恒频恒压或变频变压对柴油机冷却风扇、牵引通风机、空压机、空调机组以及一些照明设备进行供电。由于是首次对内燃车市场进行技术拓展，期间也遇到了一些棘手的问题，比如空压机输入低压（AC200V）时突投引起输出端电流波动问题等，本文针对以上问题进行分析并给出解决方案。我们致力于开发符合基于现有硬件平台的内燃车辅助变流器软件控制架构平台，为响应后续内燃车市场拓展提供坚实的技术基础。

1 MINI平台基本原理架构

MINI平台主要包括CPU控制单元和接口扩展板，关联关系如下图1，CPU控制单元的主要电路功能模块有：AD采样、数字量采集、PWM脉冲、电平转换、RS232通信、实时时钟、故障记录以及与外部网络的RS485通信功能等等，扩展板的主要功能就是为CPU控制单元做过度接口，根据输入输出的要求完成信号连接，同时提供PLC与DSP之间的RS485通信功能。

2 辅助变流器变频控制

2.1 基于DSP（TMS320F28335）实现电压空间矢量脉宽控制（SVPWM）

系统采用10KHz频率进行AD采样，再对采样结果进行二阶低通滤波处理，然后将滤波后的采样值送给PWM脉冲计算单元作为参数输入。PWM的中断周期即辅助变流器的开关频率为3KHz。PWM脉冲计算直接利用DSP集成的FPU（Floating-Point Unit）单元进行空间矢量计算，结合AD采样中断输入的参数，首先计算空间电压矢量变量V1和V2分别作用时间T1、T2以及零矢量（V0或者V7）作用时间T0，T1、T2、T0的计算公式如式（2），然后根据实时角度所在的扇区用已知的T1、T2以及T0计算出PWM比较寄存器COMP1～COMP3的值。下文对空间矢量的计算和DSP所集成的PWM脉冲产生单元的参数配置进行介绍。

电压空间矢量脉宽控制采用两个非零矢量和一个零矢量合成参考电压空间矢量Vref，如图7所示由六条模均为 的电压空间矢量将复平面均分为6个扇区。在任一扇区内Vref由所在扇区的空间变量V1和V2以及相应的零矢量（V0或者V7）合成如图8所示。假设一个开关周期内Vref不变，所以可以得到Vref*Ts=V1*T1+V2*T2，同时Ts=T1+T2+T0，假设Vref与实轴的夹角为θ，则由正弦定律可以推导出公式（1）

DSP（TMS320F28335）芯片集成了PWM脉冲产生模块，所以实现PWM比较方便。具体设置如下几个步骤：

（1）设置TBCTL寄存器将PWM时钟为18.75MHz并将定时器的计数模式设置为连续增/减模式。

（2）设置CMPR寄存器使能比较功能，将PWM中断设置为下溢中断。

（3）设置AQCTLA寄存器定义比较输出管脚的输出方式为高电平有效。

利用公式（2）计算CMPR的值在SVPWM中断时重新装载CMPR寄存器

2.2 基于SVPWM的逆变器变频输出

MINI平台采用DSP（TMS320F28335）的频率可达到150MHz，CPU采用32位定点并包含单精度浮点单元FPU，所以其能够执行复杂的浮点运算，所以根据公式（2）很容易计算出空间矢量T1、T2和T0然后按照表1在不同扇区装载不同CMPR比较值（PWM输出高电平有效）。

由上文可以精确地计算出每个扇区的CMPR值，在此基础上只要改变比较器的载波频率就可以实现变频SVPWM波形输出。变频可以通过改变每个周期的分频数来实现

2.3 采用逆变器变频控制缓解负载突投冲击

以伊拉克动车项目的空压机柜为例，变频控制可以缓解负载突投对供电系统的冲击，具体应用如下：

空压机柜（空压机柜当输入电压在AC200～AC400范围内输出160V/50Hz，然后经升压变压器后输出380V/50Hz为负载供电）在输入低压（AC200V），空压机软启动输出电压达到160V/50Hz时，突投空压机负载引起空压机柜输出端电流波动引起过载保护。针对以上现象做了如下实验：

实验1：在输入低压（AC200V）时，先将空压机负载投入，然后让空压机柜从10Hz～50Hz按照一定的函数包络软启动，在这种情况下没有出现空压机柜输出端电流波动以及过载保护。

实验2：在输入低压（AC200V）时，分别让空压机柜的输出电压频率为40Hz、30Hz、20Hz等频率工作时突投空压机负载，虽然也引起了空压机柜输出端的电流波动但是电流波动的范围以及电流的最大值都有不同程度的减小或者降低。

根据以上实验得出结论：空压机负载在工频逆变模块供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频逆变模块供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动电流，而当使用变频逆变模块时，变频逆变模块的输出电压和频率是逐渐加到空压机负载上的，所以空压机负载的起动电流和对空压机供电系统的冲击变小。

针对问题现象以及实验结论采取如下方案：根据电流的超载幅度采取不同的降频降压速度，以降频降压的方式拉低突投电流对系统的冲击，当电流恢复正常时，模块按一定的压频比恢复到380V/50Hz供电。此方案实验验证已经解决了空压机在低压段突投负载引起过载保护问题。

3 实验波形

图4和图5分别为内燃车辅变模块的正常启动和停止波形，启动和停止均采用了变频变压控制方式，因为内燃车负载大部分为电机负载，采用这种方式目的是缓解电机突投或者突切时对系统的冲击。图6和图7是辅变模块没有滤波器的输出波形。图8、图9和图10为模块输出经过滤波器后的波形。实验波形表明基于MINI平台的内燃车辅助变流器的输出特性良好。

4 结束语

本文介绍了MINI平台的基本原理框架。介绍了辅助变流器的变频控制以及针对相关问题的优化设计。通过本文为后续应用相同平台或者内燃车产品领域的开发提供设计的一种思路。实验波形也表明变流器输出特性良好。基于MINI平台的内燃机车或者内燃动车的控制系统具有可实施性和很好的市场应用潜力。

参考文献：

[1]林征宇.“基于DSP的功率变换器控制的研究”.硕士学位论文，浙江大学，2000年12月.

[2]熊乐进.“基于DSP的单芯片数字控制UPS电源”.硕士学位论文，浙江大学，2002年2月.

[3]TMS320F2812 DSP 原理与应用实例/三恒星科技编著.北京：电子工业出版社，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.，电力电子技术，郭彩霞译.北京：机械工业出版社，1987