CN106130331B - 轨道车辆辅助电源短路保护装置及保护方法 - Google Patents

轨道车辆辅助电源短路保护装置及保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及涉及一种轨道车辆辅助电源短路保护装置及保护方法，该短路保护装置包括电流传感器、采样比较电路、CPU控制器和PWM脉冲控制电路；电流传感器与采样比较电路连接，经采样比较电路比较输出PWM脉冲封锁信号和中断信号；PWM脉冲控制电路接收采样比较电路发出的PWM脉冲封锁信号，控制辅助电源禁止输出PWM脉冲；CPU控制器接收采样比较电路发出的中断信号，通过电流环单环控制方式将辅助电源的三相输出电流或中间直流电流限制在采样比较电路的阈值之内。本发明采用硬件控制PWM脉冲限流和软件恒流控制方法，以硬件方式告知CPU控制器短路情况，保证响应速度，同时通过恒流控制算法进行限流，确保三相输出电压波形的正弦特性，减少辅助电源停机次数。

Description

轨道车辆辅助电源短路保护装置及保护方法
技术领域
本发明涉及电源短路保护技术领域，具体的说，涉及一种轨道车辆辅助电源短路保护装置及保护方法。
背景技术
轨道车辆用辅助电源为车上辅助设备进行供电，包括空压器、蓄电池充电机、冷却系统、照明系统等。辅助电源输入形式多种多样，覆盖了单相交流输入和直流各电压等级输入，辅助电源输出形式为三相交流输出，三相交流输出存在不同电压等级和频率，如三相交流输出为3AC380V/50Hz,3AC440V/60Hz,3AC400V/50Hz等。
无论轨道车辆用辅助电源输入、输出形式如何，目前其常用的电源短路保护策略主要分为以下几种：(1)短路立即保护停机；(2)硬件控制PWM脉冲限流。
1)短路立即保护停机，主要利用功率器件(如IGBT)，驱动板自身的短路检测功能，或通过采样电路检测对应电流，检知短路的发生，并在短路出现时立即保护停机。此方法能有效保护辅助电源因短路发生损坏，但容易发生误保护，并在某些特殊情况下增加了辅助电源的停机次数。
2)利用硬件方式，当短路过流时瞬间封锁辅助电源的PWM脉冲，当短路消失后瞬间解封辅助电源的PWM脉冲。此方法通过限制输出电流从而保护辅助电源，但是在短路过程中输出电压波形畸变很大，容易对电源后级负载造成损害。
如中国专利号CN102545159A公开一种无刷直流电机缺相短路保护装置，在电机任一相出现短路缺相后，经采样滤波电路与比较电路后，输出缺相短路保护信号至功率模块的保护输入端，直接关断功率模块，保护电机驱动装置不致损坏。上述装置通过硬件电路实现对电机驱动装置实施保护，可有效快捷的保护电机驱动装置。但由于硬件直接关断功率模块时，电压电流波动较大，易对辅助电源造成损害，影响辅助电源的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种轨道车辆辅助电源短路保护装置及保护方法，通过硬件限流结合软件恒流的保护方式，有效保证系统的响应速度和输出电压波形的正弦特征，大大减少了短路时辅助电源的停机次数。
本发明的技术方案是：一种轨道车辆辅助电源短路保护装置，该短路保护装置包括电流传感器、采样比较电路、CPU控制器和PWM脉冲控制电路；电流传感器输入端连接辅助电源的三相输出电流侧或中间直流环节，电流传感器输出端与采样比较电路连接，经采样比较电路比较输出PWM脉冲封锁信号和中断信号；CPU控制器和PWM脉冲控制电路均与采样比较电路输出端连接，PWM脉冲控制电路接收采样比较电路发出的PWM脉冲封锁信号，控制辅助电源禁止输出PWM脉冲；CPU控制器接收采样比较电路发出的中断信号，通过电流环单环控制方式将辅助电源的三相输出电流或中间直流电流限制在采样比较电路的阈值之内。
优选的是，所述采样比较电路包括比较器电路和与门电路，比较器电路包括3路比较电路，3路比较电路分别连接三相输出电流；每路比较电路均包括两只比较器，分别为第一比较器和第二比较器，第一比较器的同相输入端和第二比较器的反相输入端连接参考电流，第一比较器的反相输入端与第二比较器的同相输入端连接每相输出电流；第一比较器输出端和第二比较器输出端均与与门电路输入端连接，经与门电路输出产生电平转换信号。
本发明还公开一种短路保护装置的短路保护方法，包括以下方法步骤：
步骤一、电流传感器采集短路时的三相输出电流；
步骤二、采样比较电路输出电平转换信号，并传递给CPU控制器的中断触发引脚和PWM脉冲控制电路；
步骤三、软件恒流与硬件限流同时启动，CPU控制器的中断触发引脚接收中断信号，立即进入软件恒流控制调节阶段；
PWM脉冲控制电路接收PWM脉冲封锁信号，禁止PWM脉冲输出，三相输出电流幅值逐渐下降至阈值范围内，采样比较电路输出恢复至正常工作状态，PWM脉冲控制电路再次释放PWM脉冲信号，辅助电源三相输出电流增大，若三相输出电流增大至触发采样比较电路比较输出，则PWM脉冲控制电路再次封锁PWM脉冲输出，如此循环，直至软件恒流控制达到稳定；
步骤四、判断软件恒流调节是否稳定，若未稳定，则返回步骤一；若稳定，则软件恒流将三相输出电流限制在阈值范围内；
步骤五、判断三相输出电压是否上升至设定值，若达到设定值，则短路消失，辅助电源正常运行；若未达到设定值，则判断是否到达保护时间；
步骤六、若未到达保护时间，则返回步骤五；若达到保护时间，则停机保护。
上述步骤三中，软件恒流控制采用PID控制器，PID控制器的输入参考值为iref，输入参考值iref小于三相输出电流的阈值，PID控制器的输入反馈值ifdb为三相输出电流值，PID控制器的输出端连接辅助电源的输入端。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
1)采用硬件控制PWM脉冲限流和软件恒流控制方法，确保辅助电源限流功能，短路时，以硬件方式告知CPU控制器短路情况，保证响应速度，同时通过恒流控制算法进行限流，确保三相输出电压波形的正弦特性，减少辅助电源停机次数；
2)短路初期，即软件恒流控制的动态调整阶段，硬件限流功能对辅助电源的三相输出电流起主导作用，软件恒流控制调节稳定后，硬件限流功能不再触发，软件恒流控制主导辅助电源的输出，减小软件恒流对短路响应时间的影响，避免因硬件限流产生的电压畸变对后级负载产生不良影响。
附图说明
图1为本发明采样比较电路的原理图；
图2为本发明短路保护流程图；
图3为软件恒流控制示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
本发明公开一种轨道车辆辅助电源短路保护装置，该短路保护装置包括电流传感器、采样比较电路、CPU控制器和PWM脉冲控制电路。
电流传感器设置于辅助电源的三相输出电流侧或中间直流环节，用于检测辅助电源三相输出电流或中间直流电流。电流传感器输出端与采样比较电路连接，通过采样比较电路对三相输出电流或中间直流电流进行采样，比较输出PWM脉冲封锁信号和中断信号。
参见图1，采样比较电路包括比较器电路和与门电路，对于采样比较电路输入为辅助电源的三相输出电流，比较器电路包括3路比较电路，3路比较电路分别连接三相输出电流。每路比较电路均包括两只比较器D，分别为第一比较器D1和第二比较器D2，第一比较器D1的同相输入端和第二比较器D2的反相输入端连接参考电流，第一比较器D1的反相输入端与第二比较器D2的同相输入端连接每相输出电流。第一比较器D1输出端和第二比较器D2输出端均与与门电路输入端连接，经与门电路输出产生电平转换信号iD，作为PWM脉冲封锁信号和中断信号。
CPU控制器和PWM脉冲控制电路均与采样比较电路输出端连接，PWM脉冲控制电路可接收采样比较电路发出的PWM脉冲封锁信号，控制辅助电源禁止输出PWM脉冲，即采样比较电路的输出直接控制辅助电源的PWM脉冲输出；PWM脉冲控制电路可在采样比较电路输出正常时释放PWM脉冲。
CPU控制器的中断触发引脚可接收采样比较电路发出的中断信号，CPU控制器通过电流环单环控制方式将辅助电源的三相输出电流或中间直流电流限制在采样比较电路的阈值之内。
参见图2，利用上述短路保护装置进行电源短路保护的方法为：该短路保护装置对辅助电源进行短路保护方法分为四个阶段，以采样比较电路的输入为辅助电源的三相输出电流为例，短路时，辅助电源短路保护方法具体流程为：
第一阶段：辅助电源短路发生时，触发采样比较电路的比较输出；
短路时，辅助电源的三相输出电流逐渐升高，并通过采样比较电路将短路信息反馈给CPU控制器。当三相输出电流瞬时值iU iV iW中任一相或任几相大于设定的最大阈值或小于设定的最小阈值时，采样比较电路将输出一个电平转换信号，即上升沿信号或下降沿信号。采样比较电路输出的电平转换信号同时传递给CPU控制器的中断触发引脚和PWM脉冲控制电路。
第二阶段：采样比较电路输出触发硬件限流功能，并触发控制器的中断触发引脚，进入软件恒流控制；
硬件限流过程为：PWM脉冲控制电路在接收到采样比较电路输出的PWM脉冲封锁信号后，立即禁止PWM脉冲输出，辅助电源不再输出，三相输出电流逐渐减小，直至下降至阈值范围内，使得采样比较电路的输出恢复至正常工作状态，此时，PWM脉冲控制电路再次释放PWM脉冲信号，辅助电源输出使得三相输出电流增大，当三相输出电流再次触发采样比较电路比较输出时，PWM脉冲控制电路再次封锁PWM脉冲输出，如此循环，直至软件恒流控制将三相输出电流限制在一定范围内，不再触发硬件限流功能。
软件恒流的启动：软件恒流与硬件限流同时启动，当CPU控制器的中断触发引脚接收到采样比较电路输出中断信号后，立即进入软件恒流控制，在软件恒流控制的动态调整阶段，即三相输出电流未下降至设定的阈值范围内，硬件限流功能对辅助电源的三相输出电流起主导作用。
第三阶段：软件恒流控制；
参见图3，该阶段通过PID控制器对三相输出电流进行调节，PID控制器包括电压环和电流环，在软件恒流控制过程中，电压环调节不再起主要作用，通过电流环控制三相输出电流在阈值范围内。
参见图3，PID控制器的输入参考值为iref，输入参考值iref设置为小于三相输出电流的阈值，防止PID控制器调节稳定后由于系统误差导致触发硬件限流保护。PID控制器的输入反馈值ifdb为三相输出电流值，PID控制器的输出端连接控制对象辅助电源的输入端。
当软件恒流控制调节稳定后，三相输出电流被限定在阈值范围内，此时，硬件限流功能不再触发，软件恒流控制主导辅助电源的输出，此时，在短路状态下，为确保三相输出电流的阈值，三相输出电压会相应降低。
在该阶段中，实现软件恒流控制过程，并不局限于PID控制器的电流环方法，任何可将三相输出电流控制在阈值范围内，且保证三相输出电压正弦特征的方式均可。
第四阶段：短路状态的退出或停机；
为保证辅助电源等器件不受损坏，当辅助电源工作于断流限流状态一定时间后，进入停机保护状态。如果在保护时间内短路消失，辅助电源输出阻抗增加，受软件恒流控制影响，三相输出电压会相应增加。通过检测三相输出电压作为判断退出短路的方式，当辅助电源检测到三相输出电压超过一定电压阈值时，认为短路消失，辅助电源将退出短路恒流控制从而进行正常输出，三相输出电压恢复至正常工作状态。
上述四个阶段的短路保护方法，针对采样比较电路的输入为辅助电源的三相输出电流，当采样比较电路的输入为中间直流电流时，在采样比较电路中，将中间直流电流瞬时值与设定的最大值进行比较，即采样比较电路的输入不唯一。
上述短路保护装置进行电源短路保护的四个阶段，短路初期，当辅助电源的三相输出电流幅值或中间直流环节电流幅值过高，通知采样比较电路输出PWM脉冲封锁信号进行限流，并同时以中断方式告知CPU控制器进行软件恒流控制，软件恒流控制用于将三相输出电流限制在采样比较电路设定的阈值范围内，三相输出电压相应降低。软件恒流控制动态调整期间，硬件限流功能对三相输出电流起主导作用，软件恒流控制稳定后，三相输出电流将维持采样比较电路的输出不再触发硬件限流功能，直至一定保护时间后进入停机保护状态，或在短路消失后，辅助电源自动恢复正常工作状态。
本发明的短路保护装置，利用硬件限流结合软件恒流的保护方式，以硬件方式告知CPU控制器短路的发生，有效保证系统的响应速度；以软件方式进行恒流控制，且保证输出电压波形的正弦特征，大大减少了短路时辅助电源的停机次数。

Claims (4)

1.一种短路保护装置的短路保护方法，其特征在于包括以下方法步骤：
步骤一、电流传感器采集短路时的三相输出电流；
步骤二、采样比较电路输出电平转换信号，并传递给CPU控制器的中断触发引脚和PWM脉冲控制电路；
步骤三、软件恒流与硬件限流同时启动，CPU控制器的中断触发引脚接收中断信号，立即进入软件恒流控制调节阶段；
PWM脉冲控制电路接收PWM脉冲封锁信号，禁止PWM脉冲输出，三相输出电流幅值逐渐下降至阈值范围内，采样比较电路输出恢复至正常工作状态，PWM脉冲控制电路再次释放PWM脉冲信号，辅助电源三相输出电流增大，若触发采样比较电路比较输出，则PWM脉冲控制电路再次封锁PWM脉冲输出，如此循环，直至软件恒流控制达到稳定；
步骤四、判断软件恒流调节是否稳定，若未稳定，则返回步骤一；若稳定，则通过软件恒流将三相输出电流限制在阈值范围内；
步骤五、判断三相输出电压是否上升至设定值，若达到设定值，则短路消失，辅助电源正常运行；若未达到设定值，则判断是否到达保护时间；
步骤六、若未到达保护时间，则返回步骤五；若达到保护时间，则停机保护。
2.根据权利要求1所述的短路保护方法，其特征在于：所述步骤三中，软件恒流控制采用PID控制器，PID控制器的输入参考值为iref，输入参考值iref小于三相输出电流的阈值，PID控制器的输入反馈值ifdb为三相输出电流值，PID控制器的输出端连接辅助电源的输入端。
3.一种轨道车辆辅助电源短路保护装置，采用权利要求1至2任一项所述的短路保护方法，其特征在于：该短路保护装置包括电流传感器、采样比较电路、CPU控制器和PWM脉冲控制电路；电流传感器输入端连接辅助电源的三相输出电流侧或中间直流环节，电流传感器输出端与采样比较电路连接，经采样比较电路比较输出PWM脉冲封锁信号和中断信号；CPU控制器和PWM脉冲控制电路均与采样比较电路输出端连接，PWM脉冲控制电路接收采样比较电路发出的PWM脉冲封锁信号，控制辅助电源禁止输出PWM脉冲；CPU控制器接收采样比较电路发出的中断信号，通过电流环单环控制方式将辅助电源的三相输出电流或中间直流电流限制在采样比较电路的阈值之内。
4.根据权利要求3所述的轨道车辆辅助电源短路保护装置，其特征在于：所述采样比较电路包括比较器电路和与门电路，比较器电路包括3路比较电路，3路比较电路分别连接三相输出电流；每路比较电路均包括两只比较器，分别为第一比较器和第二比较器，第一比较器的同相输入端和第二比较器的反相输入端连接参考电流，第一比较器的反相输入端与第二比较器的同相输入端连接每相输出电流；第一比较器输出端和第二比较器输出端均与与门电路输入端连接，经与门电路输出产生电平转换信号。
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