基于DSP的車(chē)載充電機(jī)輔助電源的設(shè)計(jì)

黃智宇，陳 波，徐正龍

(重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶400065)

基于DSP的車(chē)載充電機(jī)輔助電源的設(shè)計(jì)

黃智宇，陳 波，徐正龍

(重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶400065)

近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展，設(shè)計(jì)一種高精度的數(shù)字式車(chē)載充電機(jī)已經(jīng)成為其中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。然而，對(duì)于車(chē)載充電機(jī)而言，一種高穩(wěn)定性的輔助供電電源是其不可缺少的部分，如果供電電源性能不好，很可能導(dǎo)致整個(gè)充電機(jī)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。因此，采用DSP芯片TMS320F2812作為主控芯片設(shè)計(jì)了一種高性能的數(shù)字式多路輸出反激式開(kāi)關(guān)電源用作電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電機(jī)的輔助供電電源。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件電路的組成和控制算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)合理，輸出的電壓穩(wěn)定、紋波小，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

數(shù)字式；充電機(jī)；輔助電源；DSP

電動(dòng)汽車(chē)的充電裝置總體上可以分為車(chē)載充電裝置和非車(chē)載充電裝置[1]。車(chē)載充電設(shè)備將電壓升降裝置和整流裝置安裝在車(chē)內(nèi)，充電時(shí)只要有合適的市電和匹配的插件即可。非車(chē)載充電設(shè)備可以像公共加油站一樣設(shè)計(jì)成公共充電站，設(shè)置在合適的路口、道旁，也可以設(shè)計(jì)成家用充電站，設(shè)置在車(chē)庫(kù)內(nèi)。本文引出的數(shù)字式車(chē)載充電機(jī)就是車(chē)載充電裝置中的一種。該充電裝置體積小、質(zhì)量輕、針對(duì)性強(qiáng)、實(shí)用方便，主要由DC-DC、APFC和DSP等3大模塊組成。然而，這三個(gè)模塊都需要不同的高精度供電電源，如果輔助供電電源性能不好，將會(huì)直接影響整個(gè)充電機(jī)系統(tǒng)的正常工作。因此，設(shè)計(jì)一款精度高、可靠性高的輔助電源十分重要。本文的數(shù)字式反激多路輸出輔助電源與車(chē)載充電機(jī)共用一個(gè)IC，這樣可以充分利用DSP的內(nèi)部資源。其主要參數(shù)設(shè)計(jì)要求如下：(1)開(kāi)關(guān)頻率50 kHz，效率80%。(2)交流輸入電壓范圍176～264 V,最大占空比為0.5，系統(tǒng)工作在DCM模式。(3)兩路輸出的電壓分別為5 V/15 V，電流分別為1 A/3 A，紋波電壓小于1%。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的基于DSP的車(chē)載充電機(jī)輔助電源系統(tǒng)主要由功率主電路、電壓檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、LCD顯示電路、保護(hù)電路和DSP電路6個(gè)部分組成。系統(tǒng)中的DSP作為設(shè)計(jì)主控制器，完成數(shù)據(jù)采樣、AD控制、數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其工作流程為：電網(wǎng)輸入的交流電通過(guò)EMI電路濾除外界電網(wǎng)的高頻脈沖干擾，同時(shí)減少開(kāi)關(guān)電源本身對(duì)外界的電磁干擾；而后通過(guò)整流橋和輸入濾波電路，使交流電變?yōu)楦邏褐绷麟?，通過(guò)反激變壓器和輸出整流二極管后，采用電容濾波，得到紋波較小的輸出電壓；輸出電壓經(jīng)過(guò)電壓檢測(cè)電路提高帶載能力，主控芯片對(duì)調(diào)理后的電壓進(jìn)行采樣、A/D轉(zhuǎn)換后與基準(zhǔn)電壓做差，通過(guò)增量式PID控制算法得到控制量，從而調(diào)節(jié)PWM波的占空比去控制開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間，使得輸出電壓恒定并通過(guò)LCD顯示器顯示電源的輸出信息，以便于實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，為保證功率轉(zhuǎn)換電路能安全可靠工作，本文還設(shè)計(jì)了相應(yīng)的保護(hù)電路。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由功率主電路、DSP接口電路、驅(qū)動(dòng)電路、電壓檢測(cè)電路、顯示電路、保護(hù)電路這6部分組成。

2.1 主電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功率主電路主要由EMI電路、整流電路、RCD鉗位電路和次級(jí)整流濾波電路組成。EMI電源濾波器是一種由電感、電容組成的低通濾波器，它允許直流或工頻信號(hào)通過(guò)，對(duì)頻率較高的其他信號(hào)有較大的衰減作用。本文選擇集成芯片KPB210作為整流電路，其承受的反壓值大，工作穩(wěn)定。RCD鉗位電路能夠很好地吸收變壓器漏感在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰，防止開(kāi)關(guān)管受到高壓被擊穿。吸收回路的作用是降低電壓尖峰，緩沖尖峰電流，降低開(kāi)關(guān)損耗。次級(jí)濾波采用的是πLC濾波器，能夠較好地減小輸出電壓紋波。

2.2 DSP器件及其接口電路

系統(tǒng)選擇的 DSP控制芯片為德州儀器公司的TMS320F2812，該芯片是一款高性能、低功耗的DSP芯片，具有18 K的RAM，128 K的片內(nèi)Flash，時(shí)鐘頻率高達(dá)150 MHz，同時(shí)具有16個(gè)12位的A/D通道，2個(gè)事件管理器，資源配備十分豐富。

DSP的接口電路如圖2所示，DSP內(nèi)部集成的采樣通道ADCINA0...A4分別采集輸出電壓，輸入電流和功率開(kāi)關(guān)管的溫度并通過(guò)LCD液晶實(shí)時(shí)顯示。由于DSP的I/O電壓是3.3 V，而液晶需要的電壓是5 V，為了保證DSP和液晶的通信，在它們之間加入74CBTD3384電平轉(zhuǎn)換芯片。

圖2 DSP接口電路框圖

2.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在開(kāi)關(guān)電源中，通常選用MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)管。MOSFET是一種電壓型驅(qū)動(dòng)器件，其電壓驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單，常用的有簡(jiǎn)易分立驅(qū)動(dòng)和專用的驅(qū)動(dòng)芯片如IR2110，IR211等集成驅(qū)動(dòng)芯片，這些芯片采用自舉技術(shù)，電路簡(jiǎn)單可靠，擁有較好的保護(hù)功能[2]。大多應(yīng)用在逆變場(chǎng)合，本設(shè)計(jì)出于成本的考慮設(shè)計(jì)了一種比較簡(jiǎn)單的隔離MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，采用了集成光耦TLP250實(shí)現(xiàn)功率放大以及隔離功能，該芯片的電源輸入電壓范圍是10～35 V，輸出的電流±1 A，導(dǎo)通時(shí)間0.5 μs，隔離電壓高于2 500 V，滿足設(shè)計(jì)的要求，其電路圖結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路

2.4 電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

電壓檢測(cè)電路如圖4所示，LM358運(yùn)算放大器集成電壓跟隨器電路，有緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。輸出電壓經(jīng)電阻分壓、電壓跟隨器和RC電路濾波后，送達(dá)DSP的采樣端口。為保證DSP芯片工作安全，采用D9、D10兩個(gè)二極管組成保護(hù)鉗位電路。當(dāng)采樣端口電壓高于3.3 V時(shí)，D9導(dǎo)通，端口電壓被鉗位到3.3 V；同理當(dāng)端口電壓為負(fù)電壓時(shí)，D10導(dǎo)通，端口電壓被鉗位到0 V。由此，采樣端口的電壓被限制在0～3 V，確保DSP的安全。

圖4 電壓檢測(cè)電路

2.5 顯示電路設(shè)計(jì)

顯示電路選用的是LCD1602液晶顯示模塊，其主要作用是實(shí)時(shí)顯示各路采樣的數(shù)據(jù)，以便于觀察系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。

2.6 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

為確保系統(tǒng)能安全可靠工作，TMS320F2812提供T2CTRIP_PDPINT輸入信號(hào)，利用它可以方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種保護(hù)功能，具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

各種故障信號(hào)經(jīng)或門(mén)CD4075B綜合后，經(jīng)光電隔離、反相及電平轉(zhuǎn)換后輸入到T2CTRIP_PDPINT引腳，出現(xiàn)任何故障時(shí)，CD4075B輸出高電平，T2CTRIP_PDPINT引腳相應(yīng)被拉為低電平，此時(shí)引腳T1PWM_T1CMP將立即變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，也就不再有PWM波形輸出，從而有效地保護(hù)了系統(tǒng)。

圖5 保護(hù)電路框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由PID控制程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)組成。其中系統(tǒng)控制程序又包括：系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì)、A/D中斷處理程序設(shè)計(jì)、顯示電路程序設(shè)計(jì)。軟件的整體工作流程如下：首先確保系統(tǒng)各部分初始化，在進(jìn)入A/D中斷后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行PID算法處理，并在中斷中顯示采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。本文設(shè)定的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為150 MHz，高速外設(shè)時(shí)鐘HSPCLK和低速外設(shè)時(shí)鐘LSPCLK分別為75 MHz和37.5 MHz。PWM波由通用定時(shí)器T2產(chǎn)生，連續(xù)增計(jì)數(shù)模式，低電平有效。脈沖波的頻率為50 MHz，采用通用定時(shí)器T1的周期中斷來(lái)啟動(dòng)A/D，T1設(shè)定的周期為0.1 ms，也就是采樣頻率為10 kHz。ADC模塊工作于級(jí)聯(lián)模式，并采用順序采樣。

3.1 PID算法原理及其程序流程圖

PID調(diào)節(jié)器由比例調(diào)節(jié)器(P)、積分調(diào)節(jié)器(I)和微分調(diào)節(jié)器(D)三部分構(gòu)成,它對(duì)得到的偏差值做比例、積分和微分運(yùn)算后,通過(guò)計(jì)算得到輸出控制量來(lái)控制被控對(duì)象[3]。

本文的PID控制流程如圖6所示,數(shù)據(jù)采集進(jìn)來(lái)后，計(jì)算出預(yù)設(shè)值和采樣值的偏差量。為防止系統(tǒng)在運(yùn)行初期由于控制量()過(guò)大而使得開(kāi)關(guān)管的占空比太大，需要對(duì)()做限幅處理。若()過(guò)大，瞬間的大占空比有可能會(huì)引起大電流，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管的損壞；同理，設(shè)定一個(gè)最小幅度限制，使得電路工作于穩(wěn)定狀態(tài)。偏差量經(jīng)過(guò)PID控制算法處理后得到實(shí)際控制量，從而改變波形輸出的占空比。

圖6 PID控制流程圖

3.2 系統(tǒng)控制流程圖

系統(tǒng)的控制流程如圖7所示，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要包括鎖相環(huán)的設(shè)置、系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的初始化、I/O口的初始化、ADC模塊的初始化和EV模塊的初始化[4]。初始化后進(jìn)入A/D中斷，在中斷中讀取采集的電壓值并在LCD中實(shí)時(shí)顯示，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)PID處理后，得到控制量并更新CMPR2比較值。由于反激拓?fù)渥畲笳伎毡炔荒艹^(guò)50%，并且占空比也不能太低，故設(shè)計(jì)了最大占空比和最小占空比的幅度限制。當(dāng)?shù)玫降目刂屏看笥谧畲笳伎毡葧r(shí)，則將占空比強(qiáng)制等于最大占空比[5]；反之，當(dāng)?shù)玫降目刂屏啃∮谧钚≌伎毡葧r(shí)，則將占空比強(qiáng)制等于最小占空比。最后開(kāi)通PIEACK，退出A/D中斷。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

4 系統(tǒng)仿真與測(cè)試

系統(tǒng)的仿真測(cè)試包括：功率主電路模擬仿真測(cè)試、驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試、PID程序測(cè)試、輸出電壓測(cè)試。主電路的仿真測(cè)試是為了確保主電路參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性；驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)試是驗(yàn)證其是否起到提高電壓的作用；PID程序的測(cè)試是為了輔助選擇理想的PID參數(shù)；輸出電壓測(cè)試是為了驗(yàn)證是否達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的要求[6]。

4.1 主電路模擬仿真

本文采用模擬電路仿真的方法驗(yàn)證主電路的參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理。按原理圖選定的器件參數(shù)在Saber仿真軟件中搭建模擬開(kāi)關(guān)電源仿真電路。其中模擬芯片采用的是UC3843，主輸出回路的電壓經(jīng)過(guò)TL431和光耦隔離后送給模擬芯片，芯片根據(jù)得到的輸出來(lái)調(diào)整占空比，使得輸出的電壓達(dá)到穩(wěn)定。設(shè)置好仿真參數(shù)后，運(yùn)行Saber軟件，在CosmosScope里觀察到仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 主電路模擬仿真波形圖

圖中的第一個(gè)波形是高頻變壓器一次側(cè)的電流波形。從圖中可以看到，電流值經(jīng)過(guò)了零點(diǎn)，即在下一個(gè)周期的開(kāi)關(guān)管開(kāi)通之前，初級(jí)的能量已經(jīng)完全釋放給了次級(jí)。也就是說(shuō)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)工作在DCM(斷續(xù)模式)，與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模式相同。后面兩個(gè)波形分別是15和5 V電壓輸出路的電壓值。從圖中可以看到，電壓輸出值較平穩(wěn)，紋波較小，充分驗(yàn)證了主電路參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

4.2 驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試

將DSP的PWM輸出端口與驅(qū)動(dòng)板的輸入端口連接在一起，給驅(qū)動(dòng)電路上電，用示波器分別測(cè)得經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路前后的PWM波形如圖9所示。從圖中可以看到，驅(qū)動(dòng)前后波形的占空比和頻率都沒(méi)有改變，而電壓幅值得到提高，起到了驅(qū)動(dòng)電路的作用。

圖9 驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試波形

4.3 PID程序測(cè)試

為確保DSP芯片的安全，本文選用兩節(jié)1.5 V干電池串聯(lián)的電壓作為端口的采樣值。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)模擬采樣值的變化，并通過(guò)示波器觀察PWM波形的變化。同時(shí)，通過(guò)設(shè)定不同的PID參數(shù)并觀察占空比穩(wěn)定所要的時(shí)間，選擇合理的PID參數(shù)值。圖10是PID調(diào)試的波形圖，旋動(dòng)電位器時(shí)，采樣的電壓值發(fā)生變化，占空比也隨之發(fā)生改變。由圖可知占空比隨著采樣值的變化而變化，充分驗(yàn)證了PID程序的正確性。

圖10 PID調(diào)試的波形圖

4.4 輸出電壓測(cè)試

利用萬(wàn)用表分別測(cè)試兩路電壓的輸出值，測(cè)得的5組實(shí)際電壓值如表1所示。

表1 輸出電壓的實(shí)際測(cè)量值

測(cè)試結(jié)果表明5和15 V兩路輸出的實(shí)際電壓都比較穩(wěn)定，紋波系數(shù)都在1%以內(nèi)，達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)完成了一種基于TMS320F2812的數(shù)字多路輸出反激式車(chē)載充電機(jī)輔助開(kāi)關(guān)電源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該電源相對(duì)傳統(tǒng)的模擬開(kāi)關(guān)電源，在輸出電壓的精度和穩(wěn)定性上都得到明顯提高，控制策略的更改變得更加容易可行，控制電路更加簡(jiǎn)單可靠。同時(shí)，能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)車(chē)載充電機(jī)的其它部分提供高精度、高可靠性的電源，確保車(chē)載充電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1]魯莽，周小兵，張維.國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施發(fā)展?fàn)顩r研究[J].華中電力，2010,23(5):16-20.

[2]劉真.基于DSP的反激式數(shù)字開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.

[3]王平，謝昊飛，將建春.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[4]MITWALLI A H,LEEB S B,VERGHESE G C,et al.An adaptive digital controller for a unity power factor converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1996,11(2):374-382.

[5]HAMADA S,MARUYAMAY,NAKAOKA M,et al.Saturabler reactor assisted soft-switch technique in PWM DC-DC converter[J]. IEEE PESC,1992(1):93-100.

[6]WU X,LU W,ZHANG J,et al.Extra wide input voltage range and high efficiency DC-DC converter using hybrid modulation[C]// Industry Applications Conference.US:IEEE,2006:588-594.

Design of vehicle charger auxiliary power supply based on DSP

With the rapid development of electric vehicles, the design of a high-precision digital car charger had become one of the key points.However,for the purposes of vehicle charger,a high stability of the auxiliary power supply was an indispensable part of it, if the power supply performance was not good. It may cause the entire charger system instability.Therefore,the DSP chip TMS320F2812 was used as the control chip of system design of a high performance digital multiplexed output flyback switching power supply for auxiliary power on-board charger. The system hardware circuit and control algorithm of process were introduced particularly.The experimental tests were conducted.Test results show that the system design is reasonable and stable output voltage,the ripple is small and has some practical value.

digital;charger;auxiliary power supply;DSP

TM 910.6

A

1002-087 X(2015)10-2254-03

2015-03-22

車(chē)聯(lián)網(wǎng)智能信息終端中間件關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用項(xiàng)目(工信部物聯(lián)網(wǎng)專項(xiàng))

黃智宇(1978—)，男，四川省人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)槠?chē)電子與嵌入式系統(tǒng)，新能源汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。