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基于DSP的恒流充電電源設(shè)計(jì)方法

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1178次  |  2020年06月18日  

摘要:根據(jù)蓄電池分級(jí)恒流充電的要求,給出一種基于DSp、變參數(shù)積分分離pI控制的新型蓄電池恒流充電電源的設(shè)計(jì)方法。介紹了電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略及軟件設(shè)計(jì)。目前該電源已投入工程使用。


1引言


蓄電池正常充電時(shí),比較好的充電方法是分級(jí)定流方式,即在充電初期用較大的恒定電流,充到一按時(shí)間或蓄電池達(dá)到一定電壓后,改用較小的恒定電流充電。同時(shí)蓄電池恒流充電電源不同于普通的直流電源,它的工作負(fù)載范圍非常寬,其輸出電壓可能從近似為零變到額定值。因此,在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)保證蓄電池充電階段的平滑過(guò)渡,以及不同階段時(shí)的恒流特性是蓄電池恒流充電電源的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。這里設(shè)計(jì)的基于DSp變參數(shù)積分分離pI調(diào)節(jié)的兩級(jí)恒流充電電源可方便地解決這一難題。


2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理


圖1示出蓄電池恒流充電電源的結(jié)構(gòu)框圖。該電源可對(duì)蓄電池進(jìn)行兩級(jí)恒流充電,兩階段的充電終止條件可分為充電時(shí)間原則、充電電壓原則或時(shí)間/電壓混合原則,并可自動(dòng)完成兩階段電流轉(zhuǎn)換、充電原則轉(zhuǎn)換和相應(yīng)充電參數(shù)值的調(diào)整。


裝置主電路的工作原理是首先對(duì)380V輸入交流市電進(jìn)行EMI濾波,采用帶十二相自耦變壓器的不控整流電路將交流電變換為直流電,從而有效地減少了輸入級(jí)AC/DC變換出現(xiàn)的諧波含量,提高了功率因數(shù),降低了輸入變壓器的容量。利用全橋高頻逆變電路將直流電逆變?yōu)楦哳l雙極性pWM波,經(jīng)高頻脈沖變壓器降壓,雙半波整流和輸出濾波后,最終輸出恒定的直流電流對(duì)蓄電池負(fù)載充電。


圖1恒流充電裝置結(jié)構(gòu)框圖


控制系統(tǒng)由DSp及其外圍電路組成,重要完成對(duì)輸出電壓、電流信號(hào)的檢測(cè)、采樣和計(jì)算;對(duì)外部控制指令的接收和處理;對(duì)恒流充電的控制;對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的出現(xiàn);對(duì)顯示數(shù)據(jù)的發(fā)送及整機(jī)的控制等功能。DSp控制芯片采用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F240,其具有豐富的片內(nèi)集成外設(shè),大大減少了DSp的外圍元器件。此外,因其高速信號(hào)處理和數(shù)字控制功能使它特別適用于要進(jìn)行復(fù)雜算法的控制系統(tǒng)。


3控制策略


pI控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制穩(wěn)態(tài)精度高等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域。傳統(tǒng)數(shù)字pI調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型為:


其增量表達(dá)式為:


式中e(k),e(k-1)---充電電流第k和k-1次采樣誤差值


Kp---比例系數(shù)


KI---積分系數(shù)


傳統(tǒng)pI調(diào)節(jié)的Kp和KI在控制過(guò)程中為常數(shù),而文中裝置要對(duì)蓄電池進(jìn)行分級(jí)恒流充電,兩級(jí)的充電參數(shù)值不相同且負(fù)載范圍較寬,因此為了達(dá)到較好的控制效果,需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在不同的輸入量區(qū)域內(nèi),選取pI參數(shù)的要求不同,其取值規(guī)則為:


①Kp值大,系統(tǒng)響應(yīng)快,調(diào)節(jié)精度高;但Kp值過(guò)大時(shí),則易造成系統(tǒng)超調(diào)大,甚至不穩(wěn)定。因此,在誤差e(k)趨于增大時(shí)要適當(dāng)減小Kp值,以防止超調(diào);當(dāng)誤差e(k)趨于減小時(shí),要增大Kp值,以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。


②KI的用途重要是消除穩(wěn)態(tài)誤差,以提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。KI值大,誤差消除能力強(qiáng),但在起動(dòng)過(guò)程中易出現(xiàn)積分飽和及調(diào)節(jié)超調(diào)量新增的現(xiàn)象。


為此,要求KI在誤差大時(shí)為零,以消除積分飽和現(xiàn)象;進(jìn)入穩(wěn)態(tài)區(qū)域時(shí),加入積分調(diào)節(jié)。這樣既保證穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)積分的要求,又防止了積分飽和現(xiàn)象。


根據(jù)上述變參數(shù)pI的控制規(guī)則,該系統(tǒng)采取變參數(shù)與積分分離相結(jié)合的pI算法調(diào)節(jié)逆變橋的驅(qū)動(dòng)脈寬。圖2示出控制原理圖。其中,IG和IF分別為給定充電電流值和實(shí)際充電電流反饋值。其控制思想是按照充電電流誤差e(k)的正、負(fù)及上升、下降趨勢(shì),將反饋電流一個(gè)周期的波動(dòng)分為4個(gè)區(qū)間,即區(qū)間1(0~t1),區(qū)間2(t1~t2),區(qū)間3(t2~t3),區(qū)間4(t3~t4).在不同的區(qū)間調(diào)用不同的pI參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)最佳pI調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上又引進(jìn)積分分離pI控制算法,既保持了積分用途,又減小了超調(diào)量,使得控制性能有較大的改善。


圖2pI調(diào)節(jié)原理圖


其具體實(shí)現(xiàn)如下:①根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況,人為設(shè)定一閾值ε>0.


②當(dāng)│e(k)│>ε時(shí),即偏差值e(k)比較大時(shí),去掉積分環(huán)節(jié),既可防止過(guò)大的超調(diào),又可使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。


③當(dāng)│e(k)│ε時(shí),即偏差值e(k)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)區(qū)域時(shí),加入積分環(huán)節(jié),可保證系統(tǒng)的控制精度。


④在區(qū)間1和區(qū)間3中,系統(tǒng)輸出在調(diào)節(jié)器的用途下向給定值IG接近。為了減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,提高控制精度,采用大比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp1使反饋電流iF迅速接近IG.但Kp1的增大會(huì)使系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性降低,甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定,所以在區(qū)間2和區(qū)間4采用小比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp2,以降低電流反饋值偏離給定值的速度。


通過(guò)上述理論分析,推出控制量u(k)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:


式中ε---積分門(mén)限。e·(k)---誤差的變化量,e·(k)=e(k)-e(k-1)。


圖3控制系統(tǒng)原理方框圖


圖3示出控制系統(tǒng)原理方框圖。與DSp的T1pINT周期同步的電流A/D采樣,將測(cè)得的電流平均值作為反饋值IF參予電流調(diào)節(jié)器的運(yùn)算。經(jīng)過(guò)變參數(shù)的積分分離pI計(jì)算,調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)高頻逆變電路中開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào),從而調(diào)節(jié)充電電流保持恒定。

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