新型直线电机运输系统的开关电源设计

主控模块包括DSP和FPGA两部分，负责A／D转换、DI／DO控制、PI控制、逻辑判断、软件保护、硬件保护、与上位机通信、发生IGBT控制脉冲、控制LED显示特定信息等，是控制系统的核心：A／D采样与调理模块负责将主电路中传感器输出的小电流信号转换成小电压信号，再经过滤波、限幅电路，接入DSP的A／D转换接口，为控制系统提供系统当前工作状态；DI与DO模块可以实现I／O信号的输出与检测，主要用于继电器控制和开关状态反馈；LED显示模块由7段显示数码管组成，可根据主控模块指令显示电源当前工作状态和故障信息；IGBT脉冲驱动模块将IGBT控制脉冲进行推挽放大，增大其驱动功率，控制IGBT通断。同时模块内设有保护功能，对IGBT进行过流、过温保护；通信模块负责与DSP共同完成同上位机之间的485／CAN通信。6大模块分工协作，共同保证了控制系统的高效、稳定运作。
2．3 控制策略
文中所设计开关电源采用两级电压闭环控制模式。由主电路中的电压传感器检测电压反馈值，经过A／D调理，送入DSP芯片进行A／D转换，利用其强大的计算能力实现数字化PI调节，完成电压闭环。DSP实时生成下一刻开关管的占空比指令，FPGA负责发生IGBT控制脉冲。前级电压闭环将DC1 500 V降至DC600 V，后级电压闭环将DC600 V变至DC24 V，两级闭环结构相同，互不影响。公式(11)～(16)所示为DSP芯片中PI调节模块计算过程。

图4所示为PI调节模块的结构图。

除了以上阐述的传统PI控制，本系统还应用了前馈补偿的思想，不再只以PI决定控制脉冲占空比，加入了前馈补偿计算结果，使得控制系统的反应速度更快。PI调节模块作为“微调”，使得输出电压纹波系数更小，稳定性更佳，有效抑制了系统因冲击、震荡所引起的输出剧烈波动。具体应用方法如公式(17)所示。

上式中，D为最终IGBT控制脉冲占空比；PLout为PI调节模块计算结果；Uref为前馈补偿计算给定值，这里取各级电压闭环的额定输出电压；Uin为前馈补偿计算输入值，这里取各级电压闭环的输入电压。因此，Uref／Uin即为前馈补偿计算结果。
2．4 保护策略
如前文所述，内蒙新型直线电机运输系统试验线存在弓网关系差的问题，在某些区段频繁出现短时掉电-再上电的现象，进而在前级BUCK电路的电感、电容上产生冲击电流、冲击电压。其中，尤以冲击电流对系统的损害作用最大。经仿真，采用前文所选电路器件参数和闭环控制策略，10 ms脱弓情况下，电流冲击一般会达到90A。除此之外，系统还可能出现各种过压、过流故障。因此，采取有效的保护策略，抑制冲击电流过大，保证系统稳定是十分必要的。具体保护逻辑如下：
1)输入过压——封锁全部控制脉冲，过一段时间后(10 s)进行检测，若此时并无过压情况，则重新启动脉冲。DC／DC变换电路直接恢复至保护前占空比，BUCK电路进入软启动模式，以当前UDC600V／UDC1500V为占空比起始点，依时序逐渐增大占空比，直到DC600 V达到额定值为止。输入过压保护值取1800V。
2)输入欠压——这种故障中主要出现于网侧短时掉电情况下。输入欠压保护后，仅封锁BUCK电路控制脉冲，在控制系统每一时序周期对网压进行监测，一旦恢复正常，BUCK电路进入软启动模式，方式同I。输入欠压保护值取1 000 V。
3)DC600V过压——封锁全部控制脉冲，中间电压经由压仓电阻缓慢泄放，当低于550 V时，系统重新启动脉冲。方式同I。DC600 V过压保护值取700V。
4)输出过压、欠压——封锁全部控制脉冲，5 s后系统重新启动。如果在1分钟内重启次数超过3次，则系统停机，不再重启，人工进行故障修复。输出过压保护值取30 V，欠压保护值取20 V。
5)输出过流——当IfhIoutIdl时，即输出发生过负荷，但尚未发生短路故障时，通过降低输出电压的方式抑制过负荷电流；当Iout> Idl时，即输出发生短路时，封锁全部控制脉冲，系统停机，人工进行故障修复。


3 系统仿真
利用MATLAB软件实现系统仿真，搭建模型如图5所示。

图6所示为系统仿真电压波形图。1通道为DC600 V波形；2通道为DC24 V波形；3通道为变压器原边波形；4通道为二极管整流后波形。

4 实验
根据文中开关电源设计方案，搭建出试验样机。BUCK电路开关管使用IXYS公司3 300 V，30 A等级IGBT；DC／DC电路开关管使用三菱公司PS系列1 200 V，25 A等级IPM；IGBT驱动选择瑞典CONCEPT公司驱动模块；变压器、BUCK电路电容、电感值，均按照前文设计方案选取。系统额定电压半载时，考核波形如图7、图8所示。

图7中，上数第一通道为BUCK电路IGBT两端电压波形，上数第三通道为输