基于DSP的蓄电池充放电装置的设计

1万 · 2013-6-17 20:36

0 引言 　　　　蓄电池作为储能电源已广泛用于各个行业中。蓄电池充电装置大多采用两级充电模式，同步采样方法，用不带滞环的PI调节器进行PI调节。对于深度放电的蓄电池，为保证正常的使用寿命，在一般的充电程序前必须增加涓流充电过程。同步采样方法存在开关管动作引起的电压和电流尖峰，从而导致系统运行不稳定。本装置采用非同步采样方法，保证了电压电流的采样值更准确，系统更加稳定。为了减少蓄电池充放电系统稳态时的噪声，提高动态响应，引入滞环PI调节器，相对于不带滞环的PI调节器，控制过程相对更为简单并且提高了系统的稳定性。本文以12V，100A·h铅酸蓄电池为例，介绍了全数字控制蓄电池充放电电路和控制方法。
　　1 系统主电路
　　蓄电池充放电的Buck—Boost主电路和TMS320LF2407控制目标板示于图1。该电路的电流可双向流动：当电流由Udc流向Uba时，S1和D1轮番工作（S2和D2阻断），蓄电池充电；当电流由Uba流向Ude时，S2和D2轮番工作（S1和D1阻断）蓄电池放电，此时Ude变成负载。用传感器对Ude、Uba和IL进行采样送入DSP中，进行AD转换。当程序判断电路工作正常时送出电路启动信号IOPB4。在这之前电路则处于关闭的不工作状态。
　　2 系统控制原理
　　2．1控制方法简介
　　如图1所示，由传感器送来的Udc、Uba和IL三路采样信号经过DSP内部的AD模块转换。通过比较Ude和Uba电压的大小判断电路工作于充电状态还是放电状态。当Ude》Uba时，电路工作于Buck（蓄电池充电）模式。根据Uba的大小判断蓄电池工作于涓流充电、恒流充电还是恒压充电方式。12V的蓄电池实际上是由6个单体蓄电池串联而成，因此，UbaL=1．75 V×6=10．5 V；Uba_H=2．25×6=13．5V。当蓄电池电压过低，低于Uba_l，时，为了延长蓄电池寿命采用小电流对蓄电池充电，充电电流为，ILL=O．0l C。当蓄电池电压升高到UbaL时转为恒流充电，充电电流为，IL_H=O．1 C。当蓄电池电压升高到Uba_H时（13．5V），转为恒压充电，充电电压为13．5V，此时充电电流应该继续减小。这里对于12V，100A．h的蓄电池来说。C=100A。当Udc《Uba时，电路工作于Boost（蓄电池放电）模式。

1万 · 2013-6-17 20:36

2．2 三级充电模式
　　传统蓄电池大多采用两级充电模式，这种充电模式对于深度放电的蓄电池来说（蓄电池单体电压低于1．75V）是不够的。本装置在恒流、恒压充电模式之前增加了涓流充电模式，如图2所示。涓流充电模式对深度放电的蓄电池来说是必不可少的。

　　2.3 非同步采样方法
　　同步采样方法是在开关管开始工作时进行电压、电流采样，因为开关管动作会引起电压、电流尖峰，采样的数值就有很大偏差，造成系统不稳定，因此，采用非同步采样方法控制精度更高。如图3所示，本装置的PWM开关频率为20kHz，通过在周期中断程序中延时5μs，就可以避免开关管动作对采样值产生影响，实现非同步采样。
　　2.4带滞环的PI调节器
　　DC／DC变换器的动态和稳态调节目标不同。动态时要求系统响应快，超调量小，此时要求调节器能有效控制系统振荡，快速进入稳定状态。稳态时要求系统稳定性好，稳定范围宽。针对这两种状态，对蓄电池充放电的PI调节实行滞环调节。

　　式中：f［e（k）］为PI调节函数。
　　当输出误差e（k）的绝对值比较小时，采用滞环两点控制；当e（k）在滞环外时（误差的绝对值较大时）采用PI调节。这样就可以既快速又平稳地调节蓄电池充放电了。

1万 · 2013-6-17 20:37

　0 引言
　　蓄电池作为储能电源已广泛用于各个行业中。蓄电池充电装置大多采用两级充电模式，同步采样方法，用不带滞环的PI调节器进行PI调节。对于深度放电的蓄电池，为保证正常的使用寿命，在一般的充电程序前必须增加涓流充电过程。同步采样方法存在开关管动作引起的电压和电流尖峰，从而导致系统运行不稳定。本装置采用非同步采样方法，保证了电压电流的采样值更准确，系统更加稳定。为了减少蓄电池充放电系统稳态时的噪声，提高动态响应，引入滞环PI调节器，相对于不带滞环的PI调节器，控制过程相对更为简单并且提高了系统的稳定性。本文以12V，100A·h铅酸蓄电池为例，介绍了全数字控制蓄电池充放电电路和控制方法。
　　1 系统主电路
　　蓄电池充放电的Buck—Boost主电路和TMS320LF2407控制目标板示于图1。该电路的电流可双向流动：当电流由Udc流向Uba时，S1和D1轮番工作（S2和D2阻断），蓄电池充电；当电流由Uba流向Ude时，S2和D2轮番工作（S1和D1阻断）蓄电池放电，此时Ude变成负载。用传感器对Ude、Uba和IL进行采样送入DSP中，进行AD转换。当程序判断电路工作正常时送出电路启动信号IOPB4。在这之前电路则处于关闭的不工作状态。
　　2 系统控制原理
　　2．1控制方法简介
　　如图1所示，由传感器送来的Udc、Uba和IL三路采样信号经过DSP内部的AD模块转换。通过比较Ude和Uba电压的大小判断电路工作于充电状态还是放电状态。当Ude》Uba时，电路工作于Buck（蓄电池充电）模式。根据Uba的大小判断蓄电池工作于涓流充电、恒流充电还是恒压充电方式。12V的蓄电池实际上是由6个单体蓄电池串联而成，因此，UbaL=1．75 V×6=10．5 V；Uba_H=2．25×6=13．5V。当蓄电池电压过低，低于Uba_l，时，为了延长蓄电池寿命采用小电流对蓄电池充电，充电电流为，ILL=O．0l C。当蓄电池电压升高到UbaL时转为恒流充电，充电电流为，IL_H=O．1 C。当蓄电池电压升高到Uba_H时（13．5V），转为恒压充电，充电电压为13．5V，此时充电电流应该继续减小。这里对于12V，100A．h的蓄电池来说。C=100A。当Udc《Uba时，电路工作于Boost（蓄电池放电）模式。

1万 · 2013-6-17 20:37

2．2 三级充电模式
　　传统蓄电池大多采用两级充电模式，这种充电模式对于深度放电的蓄电池来说（蓄电池单体电压低于1．75V）是不够的。本装置在恒流、恒压充电模式之前增加了涓流充电模式，如图2所示。涓流充电模式对深度放电的蓄电池来说是必不可少的。

　　2.3 非同步采样方法
　　同步采样方法是在开关管开始工作时进行电压、电流采样，因为开关管动作会引起电压、电流尖峰，采样的数值就有很大偏差，造成系统不稳定，因此，采用非同步采样方法控制精度更高。如图3所示，本装置的PWM开关频率为20kHz，通过在周期中断程序中延时5μs，就可以避免开关管动作对采样值产生影响，实现非同步采样。

1万 · 2013-6-17 20:38

　2.4带滞环的PI调节器
　　DC／DC变换器的动态和稳态调节目标不同。动态时要求系统响应快，超调量小，此时要求调节器能有效控制系统振荡，快速进入稳定状态。稳态时要求系统稳定性好，稳定范围宽。针对这两种状态，对蓄电池充放电的PI调节实行滞环调节。

　　式中：f［e（k）］为PI调节函数。
　　当输出误差e（k）的绝对值比较小时，采用滞环两点控制；当e（k）在滞环外时（误差的绝对值较大时）采用PI调节。这样就可以既快速又平稳地调节蓄电池充放电了。
　　3 软件设计
　　采用DSP的通用定时器T1、T2分别产生PWM，、PWM2输出，控制S1、S2的开通和关断，选择连续增计数模式，产生PWM步骤如下：
　　1）根据载波周期设置TxPR；
　　2）设置TxCON寄存器以确定计数模式和时钟源，并启动PWM输出操作；
　　3）将对应于PWM脉冲的在线计算宽度（占空比）的值加载到TxCMPR寄存器中。
　　控制主程序通过比较电路两端电压Uba和Uda大小来判断蓄电池的工作方式。图4是蓄电池充电程序流程图，通过比较蓄电池电压的大小来选择充电模式。每种充电模式都包含一个滞环PI调节。图5是蓄电池放电程序流程图。图6是系统中断程序流程图，当处于蓄电池充电模式时x=1，程序返回重新比较蓄电池电压，判断充电方式，处于放电模式时x=2，程序返回重新进行PI调节。