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基于DSP的铁路客车辅助电源系统
摘要：介绍了以TMS320F2407DSP为控制核心的铁路客车辅助电源系统的设计。设计采用了先进的SVPWM控制策略，借助于TMS320F2407DSP芯片强大的控制功能，运用实时算法，增强了整个系统的快速反应能力,提高了客车辅助电源系统的安全性和可靠性。简要地介绍了辅助电源系统的组成以及DC/DC模块和DC/AC模块主电路的结构和工作原理，详细介绍了系统的控制思想并介绍了软件编程的流程图。结合在运用中遇到的实际问题，介绍了改进的方法和效果。
关键词：辅助电源；数字信号处理；空间矢量控制
0 引言 随着国民经济的发展，铁路客车在确保安全的前提下，如何利于环保，提高客车服务质量也越来越引起人们的关注。旅客列车的主要辅助设备有空调系统、影视系统及车内照明等，这些装置的配备能改善乘车环境，使旅途更加舒适。 目前，我国电气化铁路旅客列车辅助电源系统大都采用DC600V供电制式，即机车通过受电弓从高架线上输入25kV交流电，经过变压器降压后再整流为DC600V，采用母线方式提供给各节车厢。本文介绍的辅助电源系统就适用于DC 600V供电制式的空调客车以及具有相应供电制式的动车组。其主电路采用高频变压器使输出与输入600V母线隔离，其控制芯片采用了先进的DSP控制器。系统中的DC/DC变换器采用两级转换，前级采用Boost变换器控制系统的输出，后级采用谐振开关，提高了整个系统的效率。该系统具有实时控制、自保护、自诊断、自恢复、CAN、RS485/232通讯等功能。系统对短路、过压、欠压、过流、过热、接地等故障具有功能强大的诊断系统,从而提高了系统的安全性和可靠性，同时也增强了系统的可维护性。
1 基于DSP的机车辅助电源系统软硬件设计 1.1 主电路 主电路由一个DC/DC变换器和一个三相逆变器构成。DC/DC变换器采用了带高频变压器的充电技术，一路输出直接给蓄电池充电，另一路输出600V供给三相逆变器。三相逆变器采用的是空间矢量逆变技术。系统主电路如图1所示。
图1 辅助电源简图
1.2 控制电路结构 控制电源由DC 110V电源供电，通过系统内部的电源模块将DC 110V分别变换为DC 24V,DC ±15V,DC 5V，为控制芯片提供5V电源，为测量系统提供±15V电源，为驱动电路提供24V电源。系统工作时DSP根据采集到的输入电压、电流、输出电压、电流、散热器温度以及频率设定自动选择工作模式进行工作，控制系统的电路结构如图2所示。
图2 控制系统框图
1.3 系统工作原理及软件说明 1.3.1 DC/DC模块的工作原理 如图3所示，DC/DC模块由3部分组成,分别为升压电路，谐振电路和整流电路。在系统启动阶段，S1、S2的占空比保持在50％，系统根据检测到的蓄电池充电电流和电池电压逐步调整S3、S4的占空比，使输出到蓄电池上的电压稳定在设定值（一般为DC 120V）。启动结束后，系统将固定S3、S4的占空比，并根据蓄电池充电电流和蓄电池电压、600V输入电压、蓄电池温度补偿特性等动态地调整S1、S2的占空比，使蓄电池的电压严格符合充电特性曲线。充电特性曲线由蓄电池厂家提供，不同厂家要求的充电特性曲线不尽相同。DC/DC模块程序流程简图如图4所示。
图3 DC/DC模块工作原理简图
图4 DC/DC模块程序流程简图
1.3.2 三相逆变器的工作原理 三相逆变器电路图如图1所示。其输入600V由DC/DC模块提供，由于DC/DC变换器缓慢启动，其输出电压也是缓慢上升，所以逆变器输入电压（变压器输出整流后）也缓慢上升，因此该三相逆变器节省了传统逆变器前级预充电电路。在系统工作时，逆变器检测到DC600V输入大于等于600V时，三相逆变器根据系统输出模式要求（模式决定电压和频率）启动三相逆变器，输出三相380V供给客车空调。三相逆变器根据DC/DC直流电压输入值，采用空间矢量的方式对600V直流进行逆变。空间矢量逆变方式的电压利用率最高。三相逆变器的简明程序流程如图5所示。
图5 三相逆变器的简明程序流程图
2 试验与改进 在进行实际装车试验时，发现系统与机车DC 600V整流电源不相匹配，从而在设备启动时引起600V干线电压和电流的波动，影响了辅助电源系统的正常运行。试验波形如图6所示。
图6 改进前系统启动时的输入电压电流波形
图6中,纵坐标200V/div，横坐标50ms/div。上面的曲线为辅助电源启动时，DC 600V母线电压的波形，波动幅度超过了200V，波动频率约在6Hz。下面的曲线为DC 600V母线电流的波形，波动幅度将近40A。并且电压、电流波形的相位差接近90°，即辅助电源系统表现出的功率因数很低。这样的波动使母线电压瞬间超过了辅助电源系统的过压值和欠压值，设备进行保护从而无法正常工作。分析原因，一方面机车DC 600V整流电源冗余量不够，各节车厢设备同时启动时的电流较大，造成DC 600V电压波动，另一方面，辅助电源的功率因数较低，也影响了DC 600V电源的利用率。 针对这种情况，对机车DC 600V整流电源进行了改造，并对辅助电源系统的控制部分也进行了改造，在软件中加入了PFC（功率因数校正）控制，使系统呈现出阻性负载的特征，即运行中DC 600V电压和电流几乎同相位，波动控制在允许的范围之内，系统的启动和运行有了根本的好转。改进后的输入电压、电流波形如图7所示。
图7 改进后系统运行时DC 600V输入电压电流波形
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