基于DSP+FPGA技术的大型矿车能量回馈装置控制器研发

摘要

近年来，节能减排依然是当今社会的热门主题。能量回馈技术在交通运输工具的节能领域越来越受到重视。如果能回收车辆制动摩擦时损耗的能量，不仅会减小污染，也会节约车辆运行的成本。目前，日本已经涉足能领回馈技术领域三十余年，处于全球领先的地位。随着该项技术的不断发展和日益完善，车辆节能及能量回收技术得到普遍应用，特别是对于使用工况在周期性短时内需不断加速和制动的车辆以及上下坡频繁路况的车辆，如市内公交以及矿车等等。
　　为实现车辆的减速，由摩擦制动而产生的热量，大部分均耗散到空气当中了。而制动消耗的能量占车辆总机动能量的比例达到百分之三十之多。这些由于制动摩擦产生的能量，目前还无法得到充分地再利用，而频繁的制动摩擦还会损害制动系统。能量回馈装置已经在很多电动汽车上得到了应用。经研究，能量回馈技术的应用可一定程度上的提升续航里程。因此，如果能将能量回馈技术应用到汽车领域，将会对提升经济效应以及减小环境污染具有重要的意义。
　　而矿车由于自身质量大，因此在运行过程中产生的惯性能量巨大。而且矿车工作的环境复杂，道路不平，坡度较大，由于长时间的制动而产生的能量以热能的形式耗散掉，导致大量的能量损失。
　　矿车作为特种车辆，国内外对其研究主要关注点放在了他的机械结构方面，但是对于矿车的电气装置尤其是制动回馈系统上几乎找不到相关的研究。关于整个能量回馈系统方面还有很多基础理论与应用技术问题需要进行研究。
　　本项目利用DC/DC变换电路实现矿车制动能量的回馈与回收通过1个H桥的变换电路，将输入端以及蓄电池连接起来，H桥电路功率是双向流动的，从而保证在矿车制动时能把能量储存在蓄电池组中，而在加速过程中通过变换器把能量再回馈给系统。根据电路结构进行相关器件的选型及相关参数设计，比如，本项目选择ABB公司的5SNA1200E330100型IGBT作为主开关器件。选用麦克斯韦(Maxwell)公司的40块超级电容（型号：BMOD0165 P048）串联用作前级储能，其电压等级可达到1800V，满足大型矿车的刹车工况，主要用来吸收浪涌电流，其容量大约能存储1度电。选用63块骆驼公司的蓄电池（型号:6-DG-190），串联用作后级储能，主要吸收额定电流。本项目电气量测量量主要包括，电机侧电压，电机侧电流，直流母线线电压，蓄电池电压以及蓄电池电流，由于各电气量均为脉动的直流，因此需要采用霍尔器件完成电压、电流的测量。
　　本项目还设计了大型矿车能量回馈控制器硬件结构。控制器的整体结构以DSP+FPGA为核心，DSP芯片为TI公司的高性能数字信号处理器TI28335，FPGA芯片为Xilinx公司Spartan6系列的XC6SLX45T（256引脚）。最终通过软件编程成了对DC/DC电路双向能量流动的控制，实现了大型矿车能量回馈系统的充放电功能。最后进行实验调试，论证了方案的可行性和合理性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状及发展动态

1.3 研究成果的应用前景与机遇

1.4 本文研究内容和结构安排

第2章 大型矿车能量回馈系统的工作原理及其控制技术研究

2.1 非公路矿用自卸卡车驱动系统

2.2 大型矿车能量回馈系统工作原理

2.3 大型矿车能量回馈系统主电路研究

第3章 大型矿车能量回馈装置控制器硬件设计

3.1 大型矿车能量回馈系统控制器硬件系统设计

3.2 DSP控制电路设计

3.3 FPGA控制电路设计

3.4 各类插件电路设计

第4章 大型矿车能量回馈装置控制器软件设计

4.1 DSP软件设计

4.2 FPGA软件设计

第5章 实验结果分析

5.1 实验室功能测试实验

5.2 低压小功率现 场实验

5.3 高压大功率实验

5.4 实验数据记录及基本量监测

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间取得的成果

附录

致谢