機車蓄電池充放電檢測控制系統(tǒng)的設計與研究*

張敏三 ，吳海波

（1.湖南大學 電氣工程學院，湖南 長沙 410083；2.湖南鐵道職業(yè)技術學院，湖南 株洲 412001）

傳統(tǒng)的蓄電池充放電控制裝置大部分采用比較低端的控制芯片，如51系列單片機，或功能簡單的CPLD器件[1-2]。51系列單片機功能單一，速度慢，在數(shù)據(jù)處理上具有先天的劣勢，在上下位機的系統(tǒng)中，其所支持的通信方式無法滿足高速采集系統(tǒng)的要求。而功能比較單一的CPLD器件在價格上有一定的優(yōu)勢，但隨著嵌入式技術的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理能力的不斷提升，對系統(tǒng)的要求越來越高。本文對機車蓄電池充放電檢測控制系統(tǒng)的設計是基于DSP-TMS320F2812PGFA平臺，外部擴展了CPLD、SRAII、雙口RAM等，完成了整個控制系統(tǒng)的硬件設計，軟件設計分為上位機和下位機軟件設計兩個部分，對檢測系統(tǒng)的參數(shù)和檢測數(shù)據(jù)的存儲、顯示以及整個控制系統(tǒng)的運行邏輯進行了設計，完成了一款具有能量雙向流動、網(wǎng)側(cè)電流正弦化、功率因數(shù)高、功率靈活調(diào)控特點的檢測控制裝置[3-4]。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)通信采用符合CAN2．0A/B協(xié)議的隔離的 CAN總線接口，具有較高可靠性。

1 系統(tǒng)原理

整個蓄電池充放電裝置的原理框圖如圖1所示。本文的設計主要針對控制系統(tǒng)。

圖1 蓄電池充放電裝置圖

控制系統(tǒng)主要負責對DC/DC電路、PWM整流器進行相關控制，采集傳感器的相關信號。DC/DC變換器的主要作用是將外部被試直流電源的直流電壓轉(zhuǎn)變到系統(tǒng)運行要求的值域范圍內(nèi)，此外將對輸入功率進行調(diào)節(jié)和控制，DC/DC變換器前端設計的熔斷器和真空繼電器是為了提高系統(tǒng)的可靠性；PWM整流器則將DC/DC變換器輸出的穩(wěn)定直流電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟妷?；隔離變壓器實現(xiàn)蓄電池充放電裝置與電網(wǎng)的隔離，提高試驗系統(tǒng)的安全性能，保障操作者的人身安全，提高蓄電池充放電裝置對被試電源的適應性[9-10]。隔離變壓器與交流電網(wǎng)之間的濾波器和斷路器則是為了濾除PWM整流器工作產(chǎn)生的高頻諧波污染和在需要時將蓄電池充放電裝置從電網(wǎng)中完全切除。

2 控制系統(tǒng)的硬件設計

2.1 控制系統(tǒng)硬件總體設計

硬件設計采用DSP-TMS320F2812PGFA為核心，實現(xiàn)反饋信號的處理、A/D轉(zhuǎn)換、DC/DC變換器和PWM整流器控制脈沖的產(chǎn)生、系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)視和控制、故障保護和存儲、RS485通信等功能，外部擴展了CPLD、SRAII、雙口 RAM、四通道 14位 A/D轉(zhuǎn)換器、四通道 12位D/A轉(zhuǎn)換器等，利用CPLD實現(xiàn)了16路數(shù)字輸入通道和16路數(shù)字輸出通道，另外還具有16路PWM輸出通道、八路模擬信號輸入及處理電路，對外串行接口包括符合CAN2．0A/B協(xié)議的隔離的CAN總線接口、符合USBI.1協(xié)議的USB總線接口、SPI同步串口等。

控制系統(tǒng)的整個結(jié)構圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的結(jié)構框圖

2.2 接觸器電路的設計

接觸器線圈電壓為AC 220 V。接觸器控制板的電路原理圖如圖3所示。

圖3 接觸器控制板的電路原理圖

圖4 控制器總體控制圖

接觸器的總體控制如圖4所示。其中K1為輔助觸頭，用于構成自鎖電路。另一個輔助觸頭用于向控制系統(tǒng)輸送啟動命令。

2.3 電壓傳感器板的設計

電壓傳感器板用于蓄電池電壓和中間電壓的檢測，同時完成與其他傳感器的接口。電壓反饋采用LV25-P。測量蓄電池電壓：按220 V/10 mA設計，輸出關系200 V-25 mA；測量中間直流環(huán)節(jié)電壓：按400 V/10 mA設計，輸出關系400 V-25 mA。在F2812控制板中，對應的采樣電阻降電流變換為3 V電壓，電阻大小為120.0Ω。F2812控制板上的采樣電阻應為精度在0.5%以上的高精度電阻，其最大功耗為25 mA×3 V＝0.075 W，所以可采用0.5 W電阻。

2.4 網(wǎng)側(cè)濾波器電路的設計

網(wǎng)側(cè)采用形式為LCL的T型濾波電路?？拷娋W(wǎng)側(cè)的電感采用變壓器的漏感，濾波電容串接阻尼電阻接地。其示意圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)側(cè)T型濾波電路圖

變壓器二次側(cè)線壓有效值為167 V，直流電壓為300 V。SVPWM各主要諧波隨調(diào)制比的增大而增大，6 kHz附近諧波幅值增大，諧波情況也更惡劣。因此電感值設計應選擇在最大調(diào)制比處。

3 控制系統(tǒng)的軟件設計

本控制系統(tǒng)的軟件設計分為下位機軟件設計和上位機軟件設計兩大部分。

3.1 下位機軟件設計

下位機軟件主要包括以下模塊：DC/DC變換處理程序、電壓相序等中斷處理程序、功率保護處理程序、系統(tǒng)故障檢測與處理程序以及相關輔助器件等的控制程序等。其中主函數(shù)的設計流程圖如圖6所示。

圖6 主函數(shù)流程圖

系統(tǒng)的初始化函數(shù)包括中斷初始化、I/O口初始化、工作初始化、外設初始化、用戶自定義程序初始化和中斷地址初始化。在主函數(shù)運行前，必須完成系統(tǒng)的初始化工作。

網(wǎng)壓捕獲函數(shù)的軟件設計流程圖如圖7所示。

圖7 網(wǎng)壓捕獲函數(shù)流程圖

3.2 上位機軟件設計

整個上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要包括電源監(jiān)控、參數(shù)設置以及工作輸出指示。而人機界面主要是對監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)設置、模式設置等提供輸入，并通過LCD等顯示當前的一些運行狀態(tài)以及進行操作指示。

蓄電池充放電裝置監(jiān)控系統(tǒng)上位機界面中顯示4臺蓄電池充放電裝置的輸出電壓/電流、已充放電次數(shù)等。

4 裝置試驗及試驗數(shù)據(jù)

試驗前必須做好實驗準備，包括查線、相位檢測、變流單元檢查、整機檢查與上電準備，確保儀器能正常、安全運行。

實驗分為空載實驗、負載試驗、放電試驗和溫升試驗四部分。在試驗的基礎上，可以通過上位機監(jiān)測，測得充電工況下輸出側(cè)的波形質(zhì)量分析數(shù)據(jù)，如表1所示。

本文介紹了對機車蓄電池充放電檢測控制系統(tǒng)的設計與研究，并在整個控制系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計的基礎上，完成了一款具有能量雙向流動、網(wǎng)側(cè)電流正弦化、功率因數(shù)高、功率可靈活調(diào)控的檢測控制裝置。經(jīng)過測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)通信采用符合 CAN2．0A/B協(xié)議的隔離的CAN總線接口，可靠性高。系統(tǒng)實際輸出電壓為109.988 V，輸出電壓穩(wěn)定度高，穩(wěn)定精度達到0.09%；紋波僅為 0.85%，網(wǎng)側(cè)的功率因素接近 1，而輸出電壓總諧波畸變小于僅為3.3，諧波污染小，具有良好的市場前景。

表1 充電工況輸出側(cè)波形質(zhì)量數(shù)據(jù)分析

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