基于PI控制的恒流充電電源設計方案

摘要：根據(jù)蓄電池分級恒流充電的要求，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計方案。介紹了電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略及軟件設計。目前該電源已投入工程使用。

1 引 言

蓄電池正常充電時，比較好的充電方法是分級定流方式，即在充電初期用較大的恒定電流，充到一定時間或蓄電池達到一定電壓后，改用較小的恒定電流充電。同時蓄電池恒流充電電源不同于普通的直流電源，它的工作負載范圍非常寬，其輸出電壓可能從近似為零變到額定值。因此，在較寬的負載范圍內(nèi)保證蓄電池充電階段的平滑過渡，以及不同階段時的恒流特性是蓄電池恒流充電電源的設計難點。這里設計的基于DSP 變參數(shù)積分分離PI 調(diào)節(jié)的兩級恒流充電電源可方便地解決這一難題。

2 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。該電源可對蓄電池進行兩級恒流充電，兩階段的充電終止條件可分為充電時間原則、充電電壓原則或時間/ 電壓混合原則，并可自動完成兩階段電流轉(zhuǎn)換、充電原則轉(zhuǎn)換和相應充電參數(shù)值的調(diào)整。

裝置主電路的工作原理是首先對380 V 輸入交流市電進行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蓄電池負載充電。

控制系統(tǒng)由DSP 及其外圍電路組成，主要完成對輸出電壓、電流信號的檢測、采樣和計算;對外部控制指令的接收和處理;對恒流充電的控制;對驅(qū)動信號的產(chǎn)生;對顯示數(shù)據(jù)的發(fā)送及整機的控制等功能。DSP 控制芯片采用美國TI 公司生產(chǎn)的數(shù)字信號處理器TMS320F240 ，其具有豐富的片內(nèi)集成外設，大大減少了DSP 的外圍元器件。此外，因其高速信號處理和數(shù)字控制功能使它特別適用于需要進行復雜算法的控制系統(tǒng)。

3 控制策略

PI 控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、控制穩(wěn)態(tài)精度高等特點，廣泛應用于控制領域。傳統(tǒng)數(shù)字PI 調(diào)節(jié)器的數(shù)學模型為：

其增量表達式為：

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)

傳統(tǒng)PI 調(diào)節(jié)的Kp 和KI 在控制過程中為常數(shù)，而文中裝置需要對蓄電池進行分級恒流充電，兩級的充電參數(shù)值不相同且負載范圍較寬，因此為了達到較好的控制效果，需根據(jù)實際情況對控制參數(shù)進行相應的調(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)響應快，調(diào)節(jié)精度高;但Kp 值過大時，則易造成系統(tǒng)超調(diào)大，甚至不穩(wěn)定。因此，在誤差e ( k) 趨于增大時需要適當減小Kp 值，以防止超調(diào);當誤差e ( k) 趨于減小時，要增大Kp 值，以提高系統(tǒng)響應速度。

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，但在起動過程中易出現(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 在誤差大時為零，以消除積分飽和現(xiàn)象;進入穩(wěn)態(tài)區(qū)域時，加入積分調(diào)節(jié)。這樣既保證穩(wěn)態(tài)時對積分的要求，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)動脈寬。圖2 示出控制原理圖。其中， I G 和I F 分別為給定充電電流值和實際充電電流反饋值。其控制思想是按照充電電流誤差e ( k) 的正、負及上升、下降趨勢，將反饋電流一個周期的波動分為4 個區(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)，從而實現(xiàn)最佳PI 調(diào)節(jié)。在此基礎上又引進積分分離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。

其具體實現(xiàn)如下： ①根據(jù)系統(tǒng)實際情況，人為設定一閾值ε》 0 。

②當│e ( k) │》ε時，即偏差值e ( k) 比較大時，去掉積分環(huán)節(jié)，既可避免過大的超調(diào)，又可使系統(tǒng)有較快的響應。

③當│e ( k) │≤ε時，即偏差值e ( k) 進入穩(wěn)態(tài)區(qū)域時，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的增大會使系統(tǒng)的相對穩(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。

通過上述理論分析，推出控制量Δu ( k) 的數(shù)學表達式為：

式中 ε---積分門限。

e·( k) ---誤差的變化量， e·( k) = e ( k) - e ( k - 1)。

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)器的運算。經(jīng)過變參數(shù)的積分分離PI 計算，調(diào)節(jié)驅(qū)動高頻逆變電路中開關管的驅(qū)動信號，從而調(diào)節(jié)充電電流保持恒定。

4 軟件設計

為了增加整個充電系統(tǒng)的工作安全性，確保程序運行的準確可靠， 還利用DSP 內(nèi)部的看門狗(WD) 和實時中斷(RTI) 模塊監(jiān)視軟件和硬件操作，并提供可編程間隔的中斷，如果軟件進入一個不確定的循環(huán)或者CPU 出現(xiàn)暫時性異常時，WD 計數(shù)器溢出，以產(chǎn)生一個系統(tǒng)復位，從而避免造成嚴重的程序運行錯誤。

5 試驗結(jié)果及結(jié)論

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

示出不同充電電壓時的充電電流波形。由圖可見，在不同充電電流給定下均取得了良好的實際充電電流波形，并且當蓄電池電壓變化時，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。

充電電流波形( I 為充電電流值， V 為蓄電池兩端電壓值)