中心議題：

• 蓄電池分級(jí)恒流充電電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
• 蓄電池分級(jí)恒流充電電源控制策略
• 蓄電池分級(jí)恒流充電電源軟件設(shè)計(jì)

• 基于DSP、變參數(shù)積分分離PI 控制

根據(jù)蓄電池分級(jí)恒流充電的要求，本文給出一種基于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)方案。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，充到一定時(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  蓄電池分級(jí)恒流充電電源系統(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)380 V 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 變換產(chǎn)生的諧波含量，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，主要完成對(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)的產(chǎn)生；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需要進(jìn)行復(fù)雜算法的控制系統(tǒng)。

3  蓄電池分級(jí)恒流充電電源控制策略

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)
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傳統(tǒng)PI 調(diào)節(jié)的Kp 和KI 在控制過(guò)程中為常數(shù)，而文中裝置需要對(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)需要適當(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 的作用主要是消除穩(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)量增加的現(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，又避免了積分飽和現(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 (t 2~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，既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有較大的改善。

圖2  PI 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)，既可避免過(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)器的作用下向給定值I G 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i F 迅速接近I G.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Δu(k)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：ε---積分門限。---誤差的變化量，= e(k) - e(k - 1)。
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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I F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。

4  軟件設(shè)計(jì)

圖4 示出實(shí)現(xiàn)變參數(shù)積分分離PI 算法的軟件流程圖。

圖4  PI 調(diào)節(jié)軟件流程圖

為了增加整個(gè)充電系統(tǒng)的工作安全性，確保程序運(yùn)行的準(zhǔn)確可靠， 還利用DSP 內(nèi)部的看門狗（WD） 和實(shí)時(shí)中斷（RTI） 模塊監(jiān)視軟件和硬件操作，并提供可編程間隔的中斷，如果軟件進(jìn)入一個(gè)不確定的循環(huán)或者CPU 出現(xiàn)暫時(shí)性異常時(shí)，WD 計(jì)數(shù)器溢出，以產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)復(fù)位，從而避免造成嚴(yán)重的程序運(yùn)行錯(cuò)誤。
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5  試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

該充電電源的輸出電壓范圍為0~42 V ,兩級(jí)充電電流均為2~36 A 可調(diào)，充電電流精度小于5 %.可對(duì)12 V 或24 V 等級(jí)的堿性或酸性蓄電池進(jìn)行恒流循環(huán)和補(bǔ)充充電，也可對(duì)新蓄電池進(jìn)行恒流充電。

圖5 示出不同充電電壓時(shí)的充電電流波形。由圖可見(jiàn)，在不同充電電流給定下均取得了良好的實(shí)際充電電流波形，并且當(dāng)蓄電池電壓變化時(shí)，因在線的變參數(shù)PI 調(diào)節(jié)，充電電流保持恒定，因此系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和恒流特性。目前該充電電源己在多艘大型船舶中使用。

圖5  充電電流波形（ I 為充電電流值， V 為蓄電池兩端電壓值）