基于DSP的蓄電池充放電裝置研究
在蓄電池生產(chǎn)過程中，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，常需對成品蓄電池進(jìn)行幾次充放電處理。傳統(tǒng)充放電設(shè)備通常采用晶閘管作為整流逆變功率器件。裝置比較復(fù)雜，交流輸入、輸出的功率因數(shù)較低。對電網(wǎng)的諧波污染也比較大。為此，設(shè)計(jì)了一種三相SPWM整流逆變蓄電池充放電裝置。它采用IGBT作為功率變換器件。交流側(cè)以精密鎖相的正弦波電流實(shí)現(xiàn)電能變換?？色@接近于1的功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)對蓄電池的充放電處理，顯著降低了對電網(wǎng)的諧波污染，滿足了綠色環(huán)保和節(jié)能的設(shè)計(jì)要求。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
圖1示出設(shè)計(jì)的蓄電池生產(chǎn)用充放電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]。該系統(tǒng)從原理上可劃分為SPWM雙向逆變和DC／DC變換充放電兩個(gè)子系統(tǒng)。前者，在蓄電池充電時(shí)，通過三相PFC升壓控制實(shí)現(xiàn)AC／DC變換。將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成蓄電池充電所需的直流電壓；在蓄電池放電時(shí)，通過三相PFC恒壓逆變控制實(shí)現(xiàn)DC／AC變換，將蓄電池釋放的能量回饋電網(wǎng)。后者，完成逆變直流電能與蓄電池電能的轉(zhuǎn)換，以保證蓄電池充放電過程中所要求的電流、電壓和時(shí)間的控制。各子系統(tǒng)采用單獨(dú)的DSP管理，DSP部分以模板化直插結(jié)構(gòu)直接插入工控機(jī)的主板，工控機(jī)承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控管理。系統(tǒng)由1個(gè)逆變子系統(tǒng)和n個(gè)(實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)為15個(gè))充放電子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)工作時(shí)，可通過工控機(jī)編組，使后路蓄電池工作于充電狀態(tài)；n-k路工作于放電狀態(tài)，這樣蓄電池能量就可直接在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行交換，從而顯著提高了節(jié)能效果。圖2示出三相SPWM雙向逆變電路采用的典型電壓型結(jié)構(gòu)主電路[2]。
三相反饋電流iuf，ivf，iwf用于跟蹤由DSP產(chǎn)生的電流給定信號，從而控制直流端電壓Ud的穩(wěn)定；Ud的反饋電壓Ut的值經(jīng)DSP采樣后通過電壓調(diào)節(jié)得到作用于電流內(nèi)環(huán)的電流給定值。
圖3示出單相PWM整流電路的相量圖[2]。雖然該系統(tǒng)采用的是三相PWM整流電路．但其工作原理與單相電路相似，只是從單相擴(kuò)展到三相。對電路進(jìn)行SPWM控制，在橋的交流輸入端A，B，C可得到三相橋臂的SPWM電壓uiu，uiv，uiw。對其各相按圖3的相量圖進(jìn)行控制，就可使各相電流iu，iv，iw為正弦波。且與電壓同相位，功率因數(shù)近似為1。
由此可知，控制uiu的大小和相位δ即可控制電流的大小和流向，從而控制功率的大小和方向。通過對Ud的恒壓控制，實(shí)現(xiàn)逆變器的功率流向，從而實(shí)現(xiàn)能量的自動(dòng)雙向流動(dòng)。
3 電壓控制器的設(shè)計(jì)
圖4示出AD／DC逆變控制框圖。該系統(tǒng)采用電壓、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其電壓控制對象為直流量；電流控制對象為交流量。電壓外環(huán)采用數(shù)字算法予以實(shí)現(xiàn)；電流內(nèi)環(huán)采用模擬電路予以實(shí)現(xiàn)，以確保快速進(jìn)行電流控制，提高系統(tǒng)工作的可靠性。同時(shí)，為了使誤差電流與給定相位保持一致。電流調(diào)節(jié)器采用比例控制。
蓄電池充電時(shí)，輸出電壓Ud低于給定值Ud*，則電壓調(diào)節(jié)器輸出正的uc，輸入電壓Uin經(jīng)過一個(gè)比例因子Ku后得到一個(gè)與Uin同相的單位正弦us，uc與us的乘積作為給定電流i*，與Uin同相，控制i跟隨i*，則能量就以單位功率因數(shù)從電網(wǎng)流向蓄
系統(tǒng)采用TMS320LF2407A DSP作為主處理器，因其有豐富的外設(shè)和較高的運(yùn)算速度。由此可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制及高精度的數(shù)據(jù)處理。在此，通過對PI控制、IP控制和變速積分PI控制三種電壓調(diào)節(jié)器算法的實(shí)驗(yàn)得出其優(yōu)劣，從而選擇最適合該系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。
(1)PI控制算法和IP控制算法
圖5a示出PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖。由圖可得其傳遞
比較式(5)和式(6)可見，兩種系統(tǒng)的傳遞函數(shù)分母相同，故IP調(diào)節(jié)器可持有與PI相同的無靜差調(diào)節(jié)和穩(wěn)定特性，同時(shí)因它在傳遞函數(shù)上比PI少一個(gè)零點(diǎn)，因此具有比PI更好的高頻衰減特性，容易滿足較長采樣周期數(shù)字調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性要求，能有效抑制混迭現(xiàn)象。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)證明，采用IP調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器參數(shù)很容易整定。可使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定、無靜差和很小的超調(diào)。不過在快速性方面將有損失。
(2)變速積分PI控制算法[3]
在傳統(tǒng)的PI算法中，因積分增益Ki為常數(shù)，在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中，其值不變。但系統(tǒng)對積分的要求是偏差大時(shí)，積分作用減弱，否則會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，甚至出現(xiàn)積分飽和；反之則加強(qiáng)，否則不能滿足準(zhǔn)確性的要求。引進(jìn)變速積分PI控制算法能使控制性能得以滿足。其基本思路是偏差大時(shí)，積分累積速度慢，積分作用弱；偏差小時(shí)，積分累積速度快，積分作用強(qiáng)。為此，設(shè)置系數(shù)f[E(k)]，它是偏差E(k)的函數(shù)，當(dāng)E(k)增大時(shí)，f[E(k)]減小；反之則增大。每次采樣后，用f[E(k)]乘E(k)，再進(jìn)行累加。f[E(k)]與E(k)的關(guān)系可表示為：
在該系統(tǒng)中，采用簡單的變速積分PI控制，取A=32，B=8，當(dāng)誤差大于40時(shí)，系統(tǒng)相當(dāng)于采用純比例調(diào)節(jié)，因此響應(yīng)速度加快；當(dāng)誤差小于40并減小到8的過程中，積分作用開始并逐漸增強(qiáng)，響應(yīng)過程快速平滑；當(dāng)誤差小于8時(shí)，完全引入積分作用，能快速有效地消除靜差。該方法可有效抑制系統(tǒng)的超調(diào)，同時(shí)也可兼顧系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
利用PI，IP和變速積分PI數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器的逆變子系統(tǒng)對該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。結(jié)果可見，采用變速積分PI數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器的綜合性能優(yōu)于前兩種算法。圖6示出采用PI調(diào)節(jié)、IP調(diào)節(jié)，以及變速積分PI調(diào)節(jié)時(shí)用100M-Tektronix TDS220存儲(chǔ)示波器獲取的一組直流母線電壓Ud的實(shí)驗(yàn)對比波形。逆變器起動(dòng)時(shí)Ud由150V升至200V。由圖6可見。3種調(diào)節(jié)器在無靜差調(diào)節(jié)方面的性能相同，而IP的上升時(shí)間明顯大于另外兩種算法；在抑制超調(diào)及高頻噪聲誘發(fā)振蕩方面，變速積分PI法有著明顯的優(yōu)勢，PI系統(tǒng)的起動(dòng)超調(diào)超過20V，IP系統(tǒng)的超調(diào)不到10V，而變速積分PI系統(tǒng)則無超調(diào)。無振蕩，能很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)：在抗干擾性能方面，變速積分PI系統(tǒng)也具有同樣的特點(diǎn)。
介紹的逆變器采用了直流母線電壓的恒壓數(shù)字調(diào)節(jié)，可方便地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)能量和蓄電池能量的雙向流動(dòng)，精密鎖相的SPWM控制可獲得接近于1的功率因數(shù)，理論分析和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明，在DSP控制采樣周期等于交流電源周期的交流控制系統(tǒng)中，采用變速積分PI調(diào)節(jié)更易獲得小超調(diào)、無振蕩、無靜差的控制性能指標(biāo)。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)可攜帶15路3A蓄電池組(每組12V蓄電池15節(jié)串聯(lián))進(jìn)行充放電子系統(tǒng)工作，每路工作由工控機(jī)編程獨(dú)立控制。通過對充電組和放電組的合理配置，可獲得顯著的節(jié)能效果。
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