船用大功率柴油發(fā)電機充電控制系統(tǒng)研究

楊光明 李小謙

摘 要：本文提出了一種基于DSP的船用大功率柴油發(fā)電機充電控制器的方案，分析了控制器硬件及軟件的結(jié)構(gòu)和功能，并在大功率直流電力系統(tǒng)平臺上進行了實驗驗證，結(jié)果表明控制器的性能良好。

關(guān)鍵詞： DSP；分級恒流控制

中圖分類號：U665.1 文獻標(biāo)識碼：A

Abstract： This paper presents a charging control system of high-power marine diesel generator based on DSP， analyzes the structure and function of the control system and the goodproperties of the control system are verified through experiment on the high-power DC powersystem platform.

Key words： DSP； Multi-constant current charging

1 引言

某些船舶采用電力推進方式，其特點是一次動力源為柴油發(fā)電機，二次動力源為蓄電池，在柴油機動力不足或者特殊工況下，由蓄電池提供主要動力。另外，蓄電池還能增加其水下續(xù)航能力，提高作戰(zhàn)隱蔽能力。

本文研究的蓄電池充電系統(tǒng)為：四臺整流柴油發(fā)電機、兩組蓄電池、直流負載、保護裝置、充電控制系統(tǒng)等，見圖1所示。

圖1中，1號和3號柴油發(fā)電機為一組，Icf1和Icf3為兩臺柴油發(fā)電機的充電電流，與1號蓄電池組直接并聯(lián)，蓄電池充電電流為Idc1；2號和4號柴油發(fā)電機為一組，Icf2和Icf4為兩臺柴油發(fā)電機的充電電流，與2號蓄電池組直接并聯(lián)，蓄電池充電電流為Idc2。兩組蓄電池分別并接負載后通過限流保護裝置Rx并聯(lián)。

蓄電池分級恒流充電控制系統(tǒng)作為充電系統(tǒng)的核心，要求其能夠在盡可能地延長蓄電池使用壽命的基礎(chǔ)上，在規(guī)定的時間內(nèi)使蓄電池快速充足電量。它的主要任務(wù)是根據(jù)給定的電流級別經(jīng)過計算輸出4～20 mA的恒流控制信號，該信號經(jīng)過勵磁調(diào)節(jié)器放大后去控制柴油發(fā)電機的勵磁電流，從而使兩組蓄電池的充電電流值達到給定的充電電流級別。

2 蓄電池充電系統(tǒng)的控制策略

充電系統(tǒng)的充電電源為四臺柴油發(fā)電機，能工作在恒流或恒壓兩種工作模式。一般發(fā)電機恒壓充電工作于手動工況，需要實時調(diào)節(jié)控制電位器來調(diào)節(jié)充電電流，操作強度大；而自動充電工作于恒流模式，采用多級恒流與浮充恒壓充電方案，具體策略如下：

（ 1 ） 將蓄電池整個充電過程分為六個恒流階段和一個浮充階段，根據(jù)經(jīng)驗選擇2 400 A、1 800 A、1 200 A、900 A、600 A、300 A作為六個恒流階段的充電設(shè)定值；

（ 2 ） 各充電階段終止控制策略：主要基于每階段的蓄電池端電壓值，當(dāng)蓄電池端電壓達到設(shè)定的閥值時，便進入恒壓充電階段，充電電流將逐漸減小，同時提示轉(zhuǎn)入下一充電階段；

（ 3 ） 浮充階段的充電控制策略：當(dāng)切換到浮充檔后，若此時蓄電池端電壓沒有達到所設(shè)定的浮充電壓值，則充電電流限制在100 A 以內(nèi)。當(dāng)達到浮充電壓值時，控制蓄電池組的充電電流為0，使蓄電池組處于既不充電又不放電的狀態(tài)；

（ 4 ） 發(fā)電機的投入和退出策略：柴油發(fā)電機的工作電流有最大上限，在功率缺額時需提示投入新的柴油發(fā)電機彌補缺額，并投入柴油發(fā)電機后能自動均流，減小沖擊；在柴油發(fā)電機處于輕載或空載狀態(tài)時，特別是在低于25%負載并聯(lián)運行時易出現(xiàn)振蕩，需提示退出柴油發(fā)電機，避免振蕩，提高燃油效率；

（ 5 ） 功率保護越限策略：在滿功率時，不是在所有情況下柴油發(fā)電機都能輸出額定電流，當(dāng)蓄電池電壓升高到一定值后，需要實時計算此時的最大充電電流上限值，避免柴油發(fā)電機功率越限。

3 基于DSP的充電控制器硬件電路設(shè)計

如圖2 所示，整個硬件電路主要包括兩組蓄電池電壓電流檢測及采樣電路、四臺柴油發(fā)電機投入狀態(tài)開關(guān)量檢測電路、四臺柴油發(fā)電機勵磁狀態(tài)開關(guān)量檢測電路、充電電流分級開關(guān)信號檢測電路、四臺柴油發(fā)電機控制信號D/A輸出及隔離電路、CAN通訊接口電路等。

3.1 蓄電池組電壓電流檢測及采樣電路

兩組蓄電池組的電壓、電流的取樣都是通過霍爾傳感器來實現(xiàn)的，其采樣信號經(jīng)過調(diào)理電路、RC濾波電路接入芯片TLV2544的模擬輸入通道，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后，通過高速光耦隔離電路6N137將串行數(shù)據(jù)送入DSP。

3.2 四路恒流控制信號輸出電路

DSP計算的控制量是數(shù)字量，因此需要將其轉(zhuǎn)化為模擬信號才能作為四臺柴油發(fā)電機勵磁的輸入信號。四路數(shù)字控制信號通過光耦隔離電路，驅(qū)動四路具有獨立隔離電源的模轉(zhuǎn)換芯片DAC7512產(chǎn)生輸出0～5 V 的電壓信號，而柴油發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)器是由電流信號驅(qū)動的，故需采用由AD694恒流源電路把0～5 V 電壓信號轉(zhuǎn)化為4～20 mA 的電流信號。

3.3 電壓限幅值下傳通訊電路

蓄電池使用一段時間后，充電特性會發(fā)生變化，為了便于維護蓄電池，上位機可以通過CAN隔離通訊接口將修改后的電壓保護限幅值下傳到控制板上，并在數(shù)據(jù)效驗合格后存儲于EPROM中，提供快捷的用戶接口。

4 基于DSP的充電控制器軟件設(shè)計

在以TMS320LF2407 為核心構(gòu)成的蓄電池恒流充電控制系統(tǒng)中，其軟件功能如下：

（ 1 ） 實現(xiàn)檢測信號的A/D 變換和控制信號的D/A 轉(zhuǎn)換；

（ 2 ） 實現(xiàn)蓄電池多級充電電壓限幅數(shù)據(jù)下載存儲；

（ 3 ） 實現(xiàn)電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的PI控制算法；

（ 4 ） 實現(xiàn)四臺柴油發(fā)電機投入和退出邏輯控制及指示。

主程序要完成系統(tǒng)和所需各個功能模塊的初始化，進入主程序中循環(huán)執(zhí)行，等待T1周期中斷的發(fā)生。T1中斷周期為20 ms，是程序調(diào)用的最小時間節(jié)拍。一旦T1周期中斷發(fā)生，DSP自動執(zhí)行T1周期中斷服務(wù)子程序，完成0到9的循環(huán)計數(shù)，即一個調(diào)節(jié)時間步長為200 ms，其間以時間片來調(diào)度蓄電池電壓、電流共四路檢測信號的轉(zhuǎn)換A/D變換、PI調(diào)節(jié)算法、投入邏輯控制、D/A轉(zhuǎn)換、通訊接口的數(shù)據(jù)查詢。

在蓄電池恒流充電控制系統(tǒng)中，由于柴油發(fā)電機輸出恒定電流，而充電電流的變化會直接影響端電壓的變化，故設(shè)計了電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)的PI控制結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中電壓環(huán)為外環(huán)，在2 400 A、1 800 A、1 200 A、900 A、600 A充電電流級別時，設(shè)定的電壓給定值為蓄電池的過充保護電壓值；在300 A時，設(shè)定為浮充電壓值。當(dāng)端電壓沒有達到該電壓值時，電壓環(huán)將輸出與充電電流級別關(guān)聯(lián)的飽和值，這時電流環(huán)起主要作用；當(dāng)蓄電池達到該電壓值時，電壓環(huán)才起作用。

電壓環(huán)、電流環(huán)調(diào)節(jié)采用PI調(diào)節(jié)器。根據(jù)雙環(huán)控制的結(jié)構(gòu)特點，選用增量式PI調(diào)節(jié)器算法。

圖4給出了PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖，為了防止溢出，設(shè)置了輸出飽和限制。PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)值（k1 和k2 ）整定比較復(fù)雜[2]，需要通過實驗來整定。

5 試驗結(jié)果

在進行實際系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實驗時，在蓄電池充電系統(tǒng)模擬測試平臺上根據(jù)幾種典型的工況驗證了控制器的性能。

（1）第一種工況：蓄電池并聯(lián)充電，1、2號柴油發(fā)電機投入，將充電電流級別從1 200 A 逐級切換到0A檔，觀察蓄電池各級充電電流響應(yīng)情況。以1 200 A 切換到900 A 為例，圖6 給出了充電電流較大一組蓄電池的響應(yīng)情況。

由圖6 可以看出，充電電流調(diào)節(jié)過程比較平緩，調(diào)節(jié)時間為12 s 左右，符合實際系統(tǒng)的要求。

（2）第二種工況：蓄電池并聯(lián)充電，1、2號柴油發(fā)電機投入，充電電流級別為900 A，觀察蓄電池充電電壓上升，達到保護值545 V時充電電流的變化。

如圖7 可以看出，蓄電池端電壓達到設(shè)定值時，充電電流會逐漸減小。這時充電電流的控制進入電壓、電流雙環(huán)調(diào)節(jié)的階段，為了維持端電壓恒定，充電電流必然要減小，但變化過程要求比較平緩。

6 結(jié)論

該控制器的各項性能指標(biāo)完全達到了設(shè)計要求。在后續(xù)的研究中還要繼續(xù)兩方面的工作：一是設(shè)計友好方便的人機界面或者交互接口；二是反饋PI環(huán)參數(shù)和電壓電流的采樣值和方向，用于監(jiān)控控制器的工作狀態(tài)，以提高控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。

參考文獻

[1] 高金源.計算機控制系統(tǒng)-理論、設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京航空航天大學(xué)

出版社.

[2] 賴壽宏.微型計算機控制技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，2003.