基于DSP恒流充电电源设计.doc

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1、基于DSP恒流充电电源设计　　摘要：根据蓄电池分级恒流充电的要求，给出一种基于DSP、变参数积分分离PI控制的新型蓄电池恒流充电电源的设计方案。介绍了电源的系统结构、工作原理、控制策略及软件设计。目前该电源已投入工程使用。　　1引言　　蓄电池正常充电时，比较好的充电方法是分级定流方式，即在充电初期用较大的恒定电流，充到一定时间或蓄电池达到一定电压后，改用较小的恒定电流充电。同时蓄电池恒流充电电源不同于普通的直流电源，它的工作负载范围非常宽，其输出电压可能从近似为零变到额定值。因此，在较宽的负载范围内保证蓄电池充电阶段的平滑过渡，以及不同阶段

2、时的恒流特性是蓄电池恒流充电电源的设计难点。这里设计的基于DSP变参数积分分离PI调节的两级恒流充电电源可方便地解决这一难题。　　2系统结构及工作原理　　图1示出蓄电池恒流充电电源的结构框图。该电源可对蓄电池进行两级恒流充电，两阶段的充电终止条件可分为充电时间原则、充电电压原则或时间/电压混合原则，并可自动完成两阶段电流转换、充电原则转换和相应充电参数值的调整。　　装置主电路的工作原理是首先对380V输入交流市电进行EMI滤波，采用带十二相自耦变压器的不控整流电路将交流电变换为直流电，从而有效地减少了输入级AC/DC变换产生的谐波含量，提高

3、了功率因数，降低了输入变压器的容量。利用全桥高频逆变电路将直流电逆变为高频双极性PWM波，经高频脉冲变压器降压，双半波整流和输出滤波后，最终输出恒定的直流电流对蓄电池负载充电。　　　　图1恒流充电装置结构框图　　控制系统由DSP及其外围电路组成，主要完成对输出电压、电流信号的检测、采样和计算；对外部控制指令的接收和处理；对恒流充电的控制；对驱动信号的产生；对显示数据的发送及整机的控制等功能。DSP控制芯片采用美国TI公司生产的数字信号处理器TMS320F240，其具有丰富的片内集成外设，大大减少了DSP的外围元器件。此外，因其高速信号处理和

4、数字控制功能使它特别适用于需要进行复杂算法的控制系统。　　3控制策略　　PI控制器以其结构简单、控制稳态精度高等特点，广泛应用于控制领域。传统数字PI调节器的数学模型为：　　　　其增量表达式为：　　　　式中e（k），e（k-1）---充电电流第k和k-1次采样误差值　　Kp---比例系数　　KI---积分系数　　传统PI调节的Kp和KI在控制过程中为常数，而文中装置需要对蓄电池进行分级恒流充电，两级的充电参数值不相同且负载范围较宽，因此为了达到较好的控制效果，需根据实际情况对控制参数进行相应的调整。在不同的输入量区域内，选取PI参数的要求不

5、同，其取值规则为：　　①Kp值大，系统响应快，调节精度高；但Kp值过大时，则易造成系统超调大，甚至不稳定。因此，在误差e（k）趋于增大时需要适当减小Kp值，以防止超调；当误差e（k）趋于减小时，要增大Kp值，以提高系统响应速度。　　②KI的作用主要是消除稳态误差，以提高系统的调节精度。KI值大，误差消除能力强，但在起动过程中易出现积分饱和及调节超调量增加的现象。　　为此，要求KI在误差大时为零，以消除积分饱和现象；进入稳态区域时，加入积分调节。这样既保证稳态时对积分的要求，又避免了积分饱和现象。　　根据上述变参数PI的控制规则，该系统采取变

6、参数与积分分离相结合的PI算法调节逆变桥的驱动脉宽。图2示出控制原理图。其中，IG和IF分别为给定充电电流值和实际充电电流反馈值。其控制思想是按照充电电流误差e（k）的正、负及上升、下降趋势，将反馈电流一个周期的波动分为4个区间，即区间1（0~t1），区间2（t1~t2），区间3（t2~t3），区间4（t3~t4）。在不同的区间调用不同的PI参数，从而实现最佳PI调节。在此基础上又引进积分分离PI控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有较大的改善。　　　　图2PI调节原理图　　其具体实现如下：①根据系统实际情况，人为设定一

7、阈值ε》0。　　②当│e（k）│》ε时，即偏差值e（k）比较大时，去掉积分环节，既可避免过大的超调，又可使系统有较快的响应。　　③当│e（k）│≤ε时，即偏差值e（k）进入稳态区域时，加入积分环节，可保证系统的控制精度。　　④在区间1和区间3中，系统输出在调节器的作用下向给定值IG接近。为了减小系统稳态误差，提高控制精度，采用大比例调节系数KP1使反馈电流iF迅速接近IG.但KP1的增大会使系统的相对稳定性降低，甚至造成系统不稳定，所以在区间2和区间4采用小比例调节系数KP2，以降低电流反馈值偏离给定值的速度。　　通过上述理论分析，推出控制

8、量Δu（k）的数学表达式为：　　　　式中ε---积分门限。　　e·（k）---误差的变化量，e·（k）=e（k）-e（k-1）。　　　　图3控制系统原理方框图　　图3示出控制系统