基于TMS320LF2407A的電動汽車用數(shù)字化充電電源

摘要：介紹了電動汽車用數(shù)字化充電電源，它以移相全橋逆變器加二次整流電路作為主電路，重點分析了其工作原理；采用TMS320LF2407A實現(xiàn)控制系統(tǒng)硬件電路平臺，并敘述了控制系統(tǒng)軟件及數(shù)字PID控制器的設(shè)計，給出數(shù)字化充電電源的實驗結(jié)果及其技術(shù)參數(shù)。數(shù)字化充電電源實現(xiàn)了電源的軟開關(guān)和數(shù)字化控制，具有良好的輸出特性和響應(yīng)特性，可以滿足不同動力電池的復(fù)雜充電要求。 關(guān)鍵詞：電動汽車 充電電源 數(shù)字化控制 軟開關(guān) 隨著電動汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，適用于電動汽車特殊要求的動力電池也在不斷發(fā)展，因此對電動汽車專用充電電源提出了更高的要求。DSP技術(shù)的日臻完善，標(biāo)志著數(shù)字化技術(shù)的興起，使得控制領(lǐng)域又面臨著一次重大的技術(shù)變革。因此，對電動汽車專用充電電源的數(shù)字化控制技術(shù)進(jìn)行研究，開發(fā)出國產(chǎn)電動汽車專用的數(shù)字化充電設(shè)備，對我國電動汽車的發(fā)展和普及，無疑將具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。 1 數(shù)字化充電電源的主電路構(gòu)成 充電機(jī)主回路是數(shù)字化充電電源的基礎(chǔ)，直接影響到充電電源的性能。逆變式電源體積上、重量輕；而且由于其工作頻率高、具有很高的響應(yīng)速度、易于實現(xiàn)復(fù)雜的輸出特性，因此可以滿足不同充電策略所要求的充電曲線。所以這里采用移相全橋逆變加二次整流的方案作為充電電源的主電路。 主電路的原理圖如圖1所示。圖中，Vs是單相或三相交流輸入經(jīng)過整流濾波后得到的直接電壓，Q1～Q4是功率開關(guān)管IGBT，T1是功率變壓器，D1、D2是變壓器二次側(cè)數(shù)流二極管，Lf和Cf分別是輸出濾波電感和濾波電容。圖1圖2為驅(qū)動脈沖的時序圖，它幾乎和傳統(tǒng)的移相控制的驅(qū)動脈沖時序圖相同，只是Q2和Q4間的死區(qū)是隨占空比的變化而調(diào)整的（如陰影部分所示）。當(dāng)母線電壓較高或負(fù)載較輕時，Q2和Q4間將獲得更大的延時時間，在每半個周期中，Q1和Q4將在同一時刻開能，但Q4將首先關(guān)斷，這樣，Q2和Q4組成了超前橋臂，而Q1和Q3組成了滯后橋臂。 假定Q1和Q4初始時處于導(dǎo)通狀態(tài)，在某一時刻關(guān)斷Q4，則C2、C4作為緩沖電容為Q4的關(guān)斷提供零電壓條件。拖尾電流依然存在于Q4中，但零電壓關(guān)斷在很大程度上減少了它的判斷損耗。Llk(指高頻變壓器的漏感和線路等效電感)將使C4的電壓繼續(xù)增長，直至Q2的反壓超過30V而發(fā)生反向雪崩，此時Q2的特性類似于一個齊納二極極管，雪崩過程持續(xù)到1/2Llkip2的能量全部在Q2上面使ip衰減到零為止。由于ip則減為零時，b點電位仍高于母線電壓，其壓差等于IGBT的反向雪崩電壓值，因此一個較小的電流將通過Q1反向流回。這將有助于復(fù)合Q1中存儲的電荷，從而使得Q1拖尾電流得以真正消除，使得Q1能夠在零電流條件下關(guān)斷。Q2由于加有反壓而在零電壓狀態(tài)下完成無損耗開通。最后，當(dāng)Q1完全關(guān)斷后，Q3開通，下半個工作周期開始。2 基于TMS320LF2407A的數(shù)字化控制電路硬件平臺 采用數(shù)字信號處理器作為開關(guān)電源的控制器不僅可以克服分立元件過多、電路可靠性差、電路復(fù)雜等缺點，還可以解決單片集成控制器不靈活的問題；而且DSP數(shù)字處理器具有工作頻率高、指令周期短等優(yōu)點，并具有改進(jìn)的總線結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的數(shù)字處理功能。 TMS320LF2407A芯片是TI公司24X DSP控制器系列的新成員，它在電機(jī)的數(shù)字化控制方面得到廣泛的應(yīng)用，通過編程和外部電路的配合，完全能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車用充電電源的數(shù)字化控制。圖3為控制系統(tǒng)的功能框圖?？刂葡到y(tǒng)以TMS320LF2407A為核心，通過外部附加電路實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的各項控制功能： （1）通過濾波電路對傳感器輸入信號進(jìn)行處理，然后由ADC采樣電路進(jìn)行數(shù)字采樣并送入中央處理器； （2）通過偏磁檢測電路進(jìn)行檢測，如果發(fā)現(xiàn)功率變壓器有磁偏現(xiàn)象，將立刻被TMS320LF2407A捕捉到并進(jìn)行相應(yīng)的處理；（3）由TMS320LF2407A直接生成有限雙極性PWM控制信號，經(jīng)過隔離驅(qū)動放大后控制功率開關(guān)管IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷； （4）利用處理器內(nèi)部的I/O口實現(xiàn)一些外圍的附加控制功能，比如：指示燈顯示、電路的緩吸、接觸器的控制、散熱風(fēng)扇的開關(guān)控制等； （5）利用SCI串行通訊進(jìn)行相關(guān)的顯示和控制調(diào)節(jié)； （6）通過CAN2.0控制器與外部設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊。在電源運(yùn)行過程中，可能會發(fā)生一些異常狀態(tài)，例如由于器件不一致等原因，造成變壓器磁偏最終導(dǎo)致變壓器原邊飽和；全橋電路出現(xiàn)直通使得原邊母線短路；副邊負(fù)載過流；散熱器過熱等。對于以上異常狀態(tài)，從硬件電路上給予設(shè)計并采取相應(yīng)保護(hù)措施。3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個充電過程的控制和監(jiān)測，實現(xiàn)充電過程的數(shù)字化控制。充電電源的控制軟件采用C語言和匯編語言混合編制，在完成其控制功能的同時，力求程序結(jié)構(gòu)合理簡單，以適應(yīng)大功率電源對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的要求。 3．1 軟件的整體結(jié)構(gòu) 控制軟件主要包括以下幾個部分：采用處理；由采樣值計算輸出脈寬，并根據(jù)此值調(diào)整輸出的PWM脈沖寬度；通過SCI通訊接收控制指令并發(fā)送輸出的電流、電壓值；CAN通訊程序；故障處理及保護(hù)功能程序?？刂葡到y(tǒng)軟件初始化程序和主程序流程圖如圖4所示。 為了提高軟件的運(yùn)行效率，把不需要及時處理的都分放在主程序里面，而把一些需要及時處理的控制過程通過中斷的方式進(jìn)行處理。如顯示、控制等過程安排在主程序中；而PWM波形的調(diào)制等需要進(jìn)行周期處理的工作則通過中斷方式進(jìn)行處理。另外，CAN通訊程序也采用中斷服務(wù)程序處理，根據(jù)接收到的信息決定具體的充電方式并對充電過程進(jìn)行調(diào)整。 3．2 數(shù)字PID控制器的簡要設(shè)計 PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于調(diào)整等優(yōu)點，因而在連續(xù)的系統(tǒng)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。它是一種按照被控制量偏差的比例、積分和微分通過線性組合進(jìn)行控制的方法，其控制規(guī)律如下： 由于數(shù)字PID控制是一種采樣控制，它根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制器，在（1）式中的積分和微分項不能直接準(zhǔn)確計算，因此在本控制系統(tǒng)中采用了增量式PID算法，其控制規(guī)律的數(shù)值公式為： 充電電源采用高頻的逆變頻率，對控制器的響應(yīng)時間要求較高。Δui對應(yīng)第I時刻控制量的增量即PWM脈沖寬度的變化值。由（2）式可以看出，增量式算法只需要保存前三個時刻的偏差值，占用空間小，計算誤差或精度不足時對系統(tǒng)影響小，累計誤差同樣也比較?。欢以诿看沃匦聠訒r，可以在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制，減少系統(tǒng)的響應(yīng)時間，同時也避免了因偶然因素造成的控制器輸出的大幅度劇烈變化，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。 對于本系統(tǒng)，PID控制器的參數(shù)主要通過試驗確定并不斷進(jìn)行整定，最終達(dá)到滿意的結(jié)果。系統(tǒng)的采樣周期就是電源主電路的開關(guān)周期，根據(jù)前一個周期的采樣值計算下一個周期的輸出脈寬，每一次采樣中斷必須進(jìn)行一次計算。PID的算法嵌套在ADC的中斷處理程序之中。4 實驗結(jié)果及技術(shù)參數(shù) 整個實驗系統(tǒng)由所研制的電動汽車用充電電源、電動汽車用動力電池（鎳氫）、純電阻負(fù)載、PC機(jī)以及數(shù)字示波器等測試設(shè)備組成。軟開關(guān)電源變壓器原邊電壓（Up）、原邊電流（ip）波形的測試結(jié)果如圖5所示。從波形圖中可以看 出，變壓器原邊電壓（Up）和原邊電流（ip）的波形均較理想。因為主功率開關(guān)管工作于零流和零壓的狀態(tài)下，原邊電流和電壓沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)硬開關(guān)變換器所具有電壓、電流尖峰。 系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線如圖6所示。從圖中可以看到，系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快、超調(diào)量小且穩(wěn)態(tài)控制精度較高，輸出電壓從200V升到500V只需要0.5秒的時間。 充電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下： %26;#183;輸入電壓：AC 380V三相交流電 %26;#183;輸出電壓：DC 300V～720V可調(diào) %26;#183;輸出電流：0～30A可調(diào) %26;#183;充電效率：≥90% %26;#183;輸出紋波：≤1% %26;#183;工作溫度：-20℃～+60℃ 所研制的電動汽車用數(shù)字化充電電源采用軟開關(guān)功率變換技術(shù)，提高了充電機(jī)的充電效率和可靠性；控制系統(tǒng)采用數(shù)字處理芯片和數(shù)字控制技術(shù)，具有很高的實時性和良好的控制功能，可以滿足不同動力電池的復(fù)雜充電要求；整機(jī)采用模塊化方式，可以和電動汽車進(jìn)行可靠通訊，且人機(jī)交互性好。