機車制動能量回饋系統中新型鎖相環的設計

張勝紅，全惠敏

(湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙 410082)

機車制動能量回饋系統中新型鎖相環的設計

張勝紅，全惠敏

(湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙 410082)

為了實現快速鎖相，通過在線修改鎖相環中PI濾波器的控制參數，達到系統最優控制，提出了一種基于模糊控制技術的自適應方案。介紹了模糊PI控制器的結構和模糊規則，以及機車制動能量回饋系統中的新型鎖相環的軟硬件結構。仿真及實驗結果表明，新型鎖相環能夠進行較快鎖相，具有良好的應用價值。

鎖相環；模糊PI控制；坐標變換

城市軌道列車在再生制動時會將制動能量反饋回直流牽引網，提供同一線路的鄰近車輛吸收，實現能源的充分利用。但是，若制動能量未能被完全吸收會造成直流電網電壓上升，對供電系統設備造成損害。軌道交通制動能量回饋系統就是將這部分多余能量通過逆變器回饋至交流電網，以維持直流電網電壓穩定。圖1為軌道交通車輛制動能量回饋系統方框圖，其工作過程：DSP實時監測直流牽引電網電壓，當電網電壓超過設定值之后，產生SVPWM波，開啟逆變橋，經濾波器、并網開關及隔離變壓器后，將多余的直流能量回饋至交流電網。因其節能效果好，成為城市軌道交通制動方式發展趨勢[1-3]。為使回饋系統并網時不產生沖擊電流，必須滿足以下條件：逆變輸出電壓與電網電壓的幅度相同；頻率和相位相同；相序嚴格相同[4]。

圖1 軌道交通制動能量回饋系統方框圖

鎖相環(PLL)是一個閉環的相位控制系統，常用來跟蹤輸入信號的頻率和相位，使外部的輸入信號與目標信號同步。鎖相環一般分硬件鎖相和軟件鎖相。硬件鎖相是用鎖相環電路實時跟蹤信號頻率變化，從而實時調整輸出頻率，使用簡單、實時性好，但其可靠性不高、線路復雜、元件易老化、有零漂、不便于調試[5]。軟件同步方法是采用微處理器通過軟件算法來實現同步。這種方法簡化了硬件電路，其精度較高，在具體應用中具有很強的靈活性[5-7]。對于三相電網，采用提取單相的方法很難精確實現0旋轉坐標系與電網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實現相位同步，獲取需要的基波電壓相位。

本文采用基于坐標變換的三相數字鎖相環[8]，并運用模糊自適應理論在線調整環路濾波器參數，該鎖相環結構簡單，動態響應速度快，鎖相精度高。

1 數字鎖相硬件電路設計

采用TI公司TMS320F2812(以下簡稱F2812)為核心控制器，完成包括信號處理、鎖相控制、PWM波產生等多種功能。F2812擁有兩個事件管理器EVA和EVB及16路12位的A/D轉換通路。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，經取樣電阻轉化電壓信號，再經高頻濾波電路，濾除高頻干擾信號，再對輸入信號進行限幅，將輸入信號限制在0～3.3 V，輸入到DSP的ADC端口。DSP再對采樣的信號進行處理，通過調整PWM波，來改變逆變輸出信號的頻率和相位，達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PI控制器設計

模糊自適應控制運用現代控制理論在線辨識對象特征參數，實時改變其控制策略，它與傳統PI控制相結合，實現系統最佳控制[9]。本文設計一個二維模糊控制器，如圖3所示。

圖3 模糊PI控制器

表1 模糊控制規則表

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

2.2 基于模糊控制的數字鎖相環設計

令在PD環節，從反饋端輸入的分別是關于輸出相位θ0的正弦余弦函數，得：

圖4 基于坐標變換的三相鎖相環基本結構

2.3 數字鎖相環軟件設計

文獻[10]介紹了SVPWM波的實現方式，可知，只要改變定時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，首先完成系統控制寄存器和系統變量初始化，設定采樣頻率s=5 kHz，輸出頻率=50 Hz，預設時鐘信號，開中斷。采樣中斷程序將在=，2，…，時刻對市電進行采樣。完成初始化之后，系統將一直檢測直流電網電壓，直流電網電壓沒有超過設定值時，重復檢測。一旦發現電壓超過設定值，馬上調取市電采樣值，按式(3)進行clarke變換，再查表得到當前時刻-變換所需的正余弦值，再按式(4)park變換，得出誤差信號，并計算出誤差變化率Δ，再根據模糊理論推導出、，然后根據式(1)計算出控制量Δ。再根據控制量Δ，調整定時器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 實驗結果

實驗平臺搭建：調壓變壓器連接交流電網，采用三相不控整流方式整流，采用兩個2 200 μF串聯進行濾波，均壓電阻為38 K/20 W，設定直流電壓高于180 V時，逆變輸出。采用F2812為控制芯片，采用三菱的CM200DY構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的高壓探頭測得鎖相穩定后的輸入A相電壓波形和輸出A相電壓波形。通過示波器的相位差檢測功能可知，兩個波形相位差不超過±0.4°，由此可見設計的鎖相穩定可靠，且具有較高的精度。

4 結論

本文詳細分析了新型鎖相環的鎖相原理，介紹了鎖相電路硬件結構和軟件流程。將其應用于軌道交通機車制動能量回饋系統，實驗結果表明，新型鎖相環能夠實現快速鎖相，并且鎖相精度高，能夠滿足回饋系統的要求，有良好的應用價值。

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．城市軌道交通制動能量逆變回饋系統研究[J]．城市軌道交通研究，2007(12)：23-27．

[4]梁有偉，胡志堅，陳允平．分布式發電及其在電力系統中的應用研究綜述[J]．電網技術，2003，27(12):71-77．

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

[6]李彥棟，王凱斐，卓放，等．新型軟件鎖相環在動態電壓恢復器中的應用[J].電網技術，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，2008，42(2)：75-77．

[8]侯世英，張詣．新型數字鎖相環在三相電壓型SVPWM整流器中的應用[J]．電力自動化設備，2011，31(7)：48-51．

[9]劉金錕．智能控制[M]．北京：電子工業出版社，2005:54-56．

[10]徐科軍，張瀚，陳智淵.TMS320X281X DSP原理與應用[M]．北京：北京航天航空大學出版社，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

廣東省教育部產學研結合項目(2010B090400213)

張勝紅(1986—)，男，湖南省人，碩士生，主要研究方向為智能控制和電力電子技術。導師：全惠敏(1971—)，女，湖北省人，博士，副教授，主要研究方向為語音圖像信息處理、現代網絡與通信。