基于DSP的機車蓄電池充電系統(tǒng)的研究

1.前言：

鐵路機車用鉛酸蓄電池[1]的充電裝置目前大多還采用可控硅SCR、小容量的GTO、GTR、IGBT開關功率器件實現(xiàn)，這種充電方法不僅效率低、能耗大、功率因數(shù)低，而且存在嚴重的過充電和析氣等現(xiàn)象[2]，嚴重影響蓄電池的使用壽命?，F(xiàn)代控制理論、現(xiàn)代電力電子理論的快速發(fā)展，為充放電系統(tǒng)的發(fā)展提供了堅實的理論基礎；集成電路技術和嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，尤其DSP芯片的誕生和發(fā)展為充放電技術的發(fā)展提供了廣闊的前景。本文敘述的充電系統(tǒng)將DSP和三相電壓型變流器結合，研制的機車蓄電池充電裝置具有良好的綜合性能。

2.系統(tǒng)構成
圖1 系統(tǒng)結構圖
DSP是智能充電裝置的核心控制部件，它根據(jù)直流側電流反饋、電壓反饋、溫度采樣情況以及上位機的電壓、電流給定，計算產(chǎn)生功率模塊所需的SVPWM波形，同時根據(jù)外部控制信號以及內(nèi)部和外部的異常信號(如電網(wǎng)波動較大)做出保護的動作。同時，DSP實時地將充電系統(tǒng)的過程參數(shù)送到上位機顯示，并實時接收來自上位機的給定參數(shù)。功率模塊采用具有自關斷能力、導通與關斷控制十分方便、不需輔助換相電路的IGBT；驅動控制模塊采用具有“先降柵壓、后軟關斷”的雙重保護功能的HL402 模塊[3]。

3.主電路設計

系統(tǒng)性能指標要求：

1) 輸出電壓：95～125V
2) 輸出電流：10A～60A,連續(xù)可調
3) 輸出、電壓電流精度：　0.5%
4) 功率因數(shù)： 0.99
5) 效率： 75%
6) 紋波系數(shù)：　0.5%

蓄電池主電路采用三相電壓型變流器(VSR)、并根據(jù)上述性能參數(shù)選擇合適的電感、電容、變壓器。
圖2 蓄電池充電主電路
假設電網(wǎng)輸入電壓對稱，VSR在ABC坐標系下的數(shù)學模型[4]為：
(1)

若三相VSR入端期望的電壓空間矢量為：
(2)

遵照功率不變原則，根據(jù)SVPWM算法選擇八個基本空間矢量。

4.控制電路設計

本系統(tǒng)既要實現(xiàn)綜合控制，又要完成空間矢量復雜的算法，所以采用專為數(shù)字控制系統(tǒng)應用進行了優(yōu)化設計的TMS320LF2407 DSP[5]芯片。其內(nèi)部具有兩個事件管理器(EV)，每個EV模塊都含有極為簡化的產(chǎn)生對稱空間矢量PWM波形的內(nèi)置硬件電路，以及內(nèi)置的A/D、 RAM等，從而外部電路非常簡單。
圖3　DSP硬件控制電路
軟件實現(xiàn)采用模塊化設計，整個系統(tǒng)通過調用子程序和接受、處理中斷來完成檢測和控制。系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的結構圖如下：
圖4 DSP軟件實現(xiàn)的結構圖
主程序模塊完成系統(tǒng)初始化；同步中斷模塊強制軟件中的角度從零開始，達到與外部輸入電壓同步。通用定時器1下溢中斷實現(xiàn)PID算法、坐標變換、電壓空間矢量PWM ，產(chǎn)生SVPWM波形。通用定時器2下溢中斷完成數(shù)據(jù)的串行通信，將現(xiàn)場采集和計算的數(shù)據(jù)送到上位機顯示，并接收來自上位機的控制參數(shù)。

5.結束語

蓄電池充電實驗交流側電壓、電流波形如圖6所示，輸入電流與輸入電壓同相位，功率因數(shù)接近于1。直流側電壓電流如圖7所示，電壓和電流均恒定不變。蓄電池充電裝置的各項性能指標均達到了預期要求，裝置工作穩(wěn)定可靠，噪聲小，實果令人滿意，說明了該蓄電池充電裝置方案的可行性和先進性。

參考文獻：

[1] 王連森 《內(nèi)燃機車檢修》中國鐵道出版社2000
[2] 朱松然 《鉛酸蓄電池技術》機械工業(yè)出版社2002
[4] 舒中賓 《基于HL402的IGBT高頻逆變焊機的可行性研究》.株洲工學院學報，2002(1)61-63
[3] 史偉偉，蔣全，胡敏強，唐國慶，蔣平.《三相電壓PWM整流器的穩(wěn)態(tài)分析和主電路設計》.電氣自動化.2002(1)
[5] 劉和平 《TMS320LF240x DSP 結構、原理及應用》北京航空航天大學出版社