基于DSP的機車蓄電池充電系統的研究

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，這種充電方法不僅效率低、能耗大、功率因數低，而且存在嚴重的過充電和析氣等現象[2]，嚴重影響蓄電池的使用壽命。現代控制理論、現代電力電子理論的快速發展，為充放電系統的發展提供了堅實的理論基礎；集成電路技術和嵌入式系統的飛速發展，尤其DSP芯片的誕生和發展為充放電技術的發展提供了廣闊的前景。本文敘述的充電系統將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.系統構成

圖1 系統結構圖

　　DSP是智能充電裝置的核心控制部件，它根據直流側電流反饋、電壓反饋、溫度采樣情況以及上位機的電壓、電流給定，計算產生功率模塊所需的SVPWM波形，同時根據外部控制信號以及內部和外部的異常信號(如電網波動較大)做出保護的動作。同時，DSP實時地將充電系統的過程參數送到上位機顯示，并實時接收來自上位機的給定參數。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

　　系統性能指標要求：

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

　　蓄電池主電路采用三相電壓型變流器(VSR)、并根據上述性能參數選擇合適的電感、電容、變壓器。

圖2 蓄電池充電主電路

　　假設電網輸入電壓對稱，VSR在ABC坐標系下的數學模型[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SVPWM算法選擇八個基本空間矢量。

4.控制電路設計

　　本系統既要實現綜合控制，又要完成空間矢量復雜的算法，所以采用專為數字控制系統應用進行了優化設計的TMS320LF2407 DSP[5]芯片。其內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生對稱空間矢量PWM波形的內置硬件電路，以及內置的A/D、RAM等，從而外部電路非常簡單。

圖3　DSP硬件控制電路
　　軟件實現采用模塊化設計，整個系統通過調用子程序和接受、處理中斷來完成檢測和控制。系統軟件實現的結構圖如下：

圖4 DSP軟件實現的結構圖

　　主程序模塊完成系統初始化；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PID算法、坐標變換、電壓空間矢量PWM ，產生SVPWM波形。通用定時器2下溢中斷完成數據的串行通信，將現場采集和計算的數據送到上位機顯示，并接收來自上位機的控制參數。

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整流器的穩態分析和主電路設計》.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