基于DSP的機(jī)車蓄電池充電系統(tǒng)的研究

1.前言：

　　鐵路機(jī)車用鉛酸蓄電池[1]的充電裝置目前大多還采用可控硅SCR、小容量的GTO、GTR、IGBT開關(guān)功率器件實(shí)現(xiàn)，這種充電方法不僅效率低、能耗大、功率因數(shù)低，而且存在嚴(yán)重的過充電和析氣等現(xiàn)象[2]，嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命?，F(xiàn)代控制理論、現(xiàn)代電力電子理論的快速發(fā)展，為充放電系統(tǒng)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)；集成電路技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，尤其DSP芯片的誕生和發(fā)展為充放電技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景。本文敘述的充電系統(tǒng)將DSP和三相電壓型變流器結(jié)合，研制的機(jī)車蓄電池充電裝置具有良好的綜合性能。

2.系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　DSP是智能充電裝置的核心控制部件，它根據(jù)直流側(cè)電流反饋、電壓反饋、溫度采樣情況以及上位機(jī)的電壓、電流給定，計(jì)算產(chǎn)生功率模塊所需的SVPWM波形，同時(shí)根據(jù)外部控制信號(hào)以及內(nèi)部和外部的異常信號(hào)(如電網(wǎng)波動(dòng)較大)做出保護(hù)的動(dòng)作。同時(shí)，DSP實(shí)時(shí)地將充電系統(tǒng)的過程參數(shù)送到上位機(jī)顯示，并實(shí)時(shí)接收來自上位機(jī)的給定參數(shù)。功率模塊采用具有自關(guān)斷能力、導(dǎo)通與關(guān)斷控制十分方便、不需輔助換相電路的IGBT；驅(qū)動(dòng)控制模塊采用具有“先降柵壓、后軟關(guān)斷”的雙重保護(hù)功能的HL402 模塊[3]。

3.主電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)性能指標(biāo)要求：

　　1) 輸出電壓：95～125V
　　2) 輸出電流：10A～60A,連續(xù)可調(diào)
　　3) 輸出、電壓電流精度：　0.5%
　　4) 功率因數(shù)： 0.99
　　5) 效率： 75%
　　6) 紋波系數(shù)：　0.5%

　　蓄電池主電路采用三相電壓型變流器(VSR)、并根據(jù)上述性能參數(shù)選擇合適的電感、電容、變壓器。

圖2 蓄電池充電主電路

　　假設(shè)電網(wǎng)輸入電壓對(duì)稱，VSR在ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型[4]為：

　　(1)

　　若三相VSR入端期望的電壓空間矢量為：

　　 (2)
　　遵照功率不變?cè)瓌t，根據(jù)SVPWM算法選擇八個(gè)基本空間矢量。

4.控制電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)既要實(shí)現(xiàn)綜合控制，又要完成空間矢量復(fù)雜的算法，所以采用專為數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)的TMS320LF2407 DSP[5]芯片。其內(nèi)部具有兩個(gè)事件管理器(EV)，每個(gè)EV模塊都含有極為簡(jiǎn)化的產(chǎn)生對(duì)稱空間矢量PWM波形的內(nèi)置硬件電路，以及內(nèi)置的A/D、RAM等，從而外部電路非常簡(jiǎn)單。

圖3　DSP硬件控制電路
　　軟件實(shí)現(xiàn)采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)通過調(diào)用子程序和接受、處理中斷來完成檢測(cè)和控制。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖如下：

圖4 DSP軟件實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖

　　主程序模塊完成系統(tǒng)初始化；同步中斷模塊強(qiáng)制軟件中的角度從零開始，達(dá)到與外部輸入電壓同步。通用定時(shí)器1下溢中斷實(shí)現(xiàn)PID算法、坐標(biāo)變換、電壓空間矢量PWM ，產(chǎn)生SVPWM波形。通用定時(shí)器2下溢中斷完成數(shù)據(jù)的串行通信，將現(xiàn)場(chǎng)采集和計(jì)算的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)顯示，并接收來自上位機(jī)的控制參數(shù)。

5.結(jié)束語

　　蓄電池充電實(shí)驗(yàn)交流側(cè)電壓、電流波形如圖6所示，輸入電流與輸入電壓同相位，功率因數(shù)接近于1。直流側(cè)電壓電流如圖7所示，電壓和電流均恒定不變。蓄電池充電裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期要求，裝置工作穩(wěn)定可靠，噪聲小，實(shí)果令人滿意，說明了該蓄電池充電裝置方案的可行性和先進(jìn)性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王連森 《內(nèi)燃機(jī)車檢修》中國鐵道出版社2000
[2] 朱松然 《鉛酸蓄電池技術(shù)》機(jī)械工業(yè)出版社2002
[4] 舒中賓 《基于HL402的IGBT高頻逆變焊機(jī)的可行性研究》.株洲工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002(1)61-63
[3] 史偉偉，蔣全，胡敏強(qiáng)，唐國慶，蔣平.《三相電壓PWM整流器的穩(wěn)態(tài)分析和主電路設(shè)計(jì)》.電氣自動(dòng)化.2002(1)
[5] 劉和平 《TMS320LF240x DSP 結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用》北京航空航天大學(xué)出版社