基于TMS320LF2407A的電動汽車用數(shù)字化充電電源

1、基于TMS320LF2407A的電動汽車用數(shù)字化充電電源汪殿龍, 齊鉑金, 姚軍龍, 時間:2008年08月20日 字 體: 大 中 小關(guān)鍵詞:控制系統(tǒng)關(guān)斷軟開關(guān)主電路充電過程摘要： 介紹了電動汽車用數(shù)字化充電電源，它以移相全橋逆變器加二次整流電路作為主電路，重點分析了其工作原理；采用TMS320LF2407A實現(xiàn)控制系統(tǒng)硬件電路平臺，并敘述了控制系統(tǒng)軟件及數(shù)字PID控制器的設(shè)計，給出了數(shù)字化充電電源的實驗結(jié)果及其技術(shù)參數(shù)。數(shù)字化充電電源實現(xiàn)了電源的軟開關(guān)和數(shù)字化控制，具有良好的輸出特性和響應特性，可以滿足不同動力電池的復雜充電要求。關(guān)鍵詞： 電動汽車 充電電源 數(shù)字化控制 軟開關(guān)隨著電動汽車

2、工業(yè)的不斷發(fā)展，適用于電動汽車特殊要求的動力電池也在不斷發(fā)展，因此對電動汽車專用充電電源提出了更高的要求。DSP技術(shù)的日臻完善，標志著數(shù)字化技術(shù)的興起，使得控制領(lǐng)域又面臨著一次重大的技術(shù)變革。因此，對電動汽車專用充電電源的數(shù)字化控制技術(shù)進行研究，開發(fā)出國產(chǎn)電動汽車專用的數(shù)字化充電設(shè)備，對我國電動汽車的發(fā)展和普及，無疑將具有十分重要的理論意義和工程應用價值1。1 數(shù)字化充電電源的主電路構(gòu)成充電機主回路是數(shù)字化充電電源的基礎(chǔ)，直接影響到充電電源的性能。逆變式電源體積小、重量輕；而且由于其工作頻率高、具有很高的響應速度、易于實現(xiàn)復雜的輸出特性，因此可以滿足不同充電策略所要求的充電曲線。所以這里采用移

3、相全橋逆變加二次整流的方案作為充電電源的主電路。主電路的原理圖如圖1所示。圖中，VS是單相或三相交流輸入經(jīng)過整流濾波后得到的直流電壓，Q1Q4是功率開關(guān)管IGBT，T1是功率變壓器，D1、D2是變壓器二次側(cè)整流二極管, Lf和Cf分別是輸出濾波電感和濾波電容。圖2 為驅(qū)動脈沖的時序圖，它幾乎和傳統(tǒng)的移相控制的驅(qū)動脈沖時序圖相同，只是Q2和Q4間的死區(qū)是隨占空比的變化而調(diào)整的(如陰影部分所示)。當母線電壓較高或負載較輕時，Q2和Q4間將獲得更大的延時時間，在每半個周期中，Q1和Q4將在同一時刻開通，但Q4將首先關(guān)斷。這樣，Q2和Q4組成了超前橋臂，而Q1和Q3組成了滯后橋臂2。假定Q1和Q4初始

4、時處于導通狀態(tài)，在某一時刻關(guān)斷Q4，則C2、C4作為緩沖電容為Q4的關(guān)斷提供零電壓條件。拖尾電流依然存在于Q4中，但零電壓關(guān)斷在很大程度上減少了它的關(guān)斷損耗。Ll k(指高頻變壓器的漏感和線路等效電感)將使C4的電壓繼續(xù)增長，直至Q2的反壓超過30V而發(fā)生反向雪崩，此時Q2的特性類似于一個齊納二極管，雪崩過程持續(xù)到1/2Llkip2的能量全部在Q2上而使ip衰減到零為止。由于ip剛減為零時，b點電位仍高于母線電壓，其壓差等于IGBT的反向雪崩電壓值，因此一個較小的電流將通過Q1反向流回。這將有助于復合Q1中存儲的電荷，從而使得Q1拖尾電流得以真正消除，使得Q1能夠在零電流條件下關(guān)斷。Q2由于加

5、有反壓而在零電壓狀態(tài)下完成無損耗開通。最后，當Q1完全關(guān)斷后，Q3開通，下半個工作周期開始。2基于TMS320LF2407A的數(shù)字化控制電路硬件平臺采用數(shù)字信號處理器作為開關(guān)電源的控制器不僅可以克服分立元件過多、電路可靠性差、電路復雜等缺點，還可以解決單片集成控制器不靈活的問題；而且DSP數(shù)字處理器具有工作頻率高、指令周期短等優(yōu)點，并具有改進的總線結(jié)構(gòu)和強大的數(shù)字處理功能。TMS320LF2407A芯片是TI公司24X DSP控制器系列的新成員，它在電機的數(shù)字化控制方面得到了廣泛的應用，通過編程和外部電路的配合，完全能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車用充電電源的數(shù)字化控制3。圖3為控制系統(tǒng)的功能框圖。控制系統(tǒng)以

6、TMS320LF2407A為核心，通過外部附加電路實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的各項控制功能：(1)通過濾波電路對傳感器輸入信號進行處理，然后由ADC采樣電路進行數(shù)字采樣并送入中央處理器；(2)通過偏磁檢測電路進行檢測，如果發(fā)現(xiàn)功率變壓器有磁偏現(xiàn)象，將立刻被TMS320LF2407A捕捉到并進行相應的處理；(3)由TMS320LF2407A直接生成有限雙極性PWM控制信號，經(jīng)過隔離驅(qū)動放大后控制功率開關(guān)管IGBT的導通與關(guān)斷；(4)利用處理器內(nèi)部的I/O口實現(xiàn)一些外圍的附加控制功能，比如：指示燈顯示、電路的緩吸、接觸器的控制、散熱風扇的開關(guān)控制等；(5)利用SCI串行通訊進行相關(guān)的顯示和控制調(diào)節(jié)；(6)通過

7、CAN2.0控制器與外部設(shè)備進行遠程通訊。在電源運行過程中，可能會發(fā)生一些異常狀態(tài)，例如由于器件不一致等原因，造成變壓器磁偏最終導致變壓器原邊飽和；全橋電路出現(xiàn)直通使得原邊母線短路；副邊負載過流；散熱器過熱等。對于以上異常狀態(tài)，從硬件電路上給予了充分設(shè)計并采取相應保護措施。3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計控制系統(tǒng)負責整個充電過程的控制和監(jiān)測，實現(xiàn)充電過程的數(shù)字化控制。充電電源的控制軟件采用C語言和匯編語言混合編制，在完成其控制功能的同時，力求程序結(jié)構(gòu)合理簡單，以適應大功率電源對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的要求?？刂栖浖饕ㄒ韵聨讉€部分：采樣處理；由采樣值計算輸出脈寬，并根據(jù)此值調(diào)整輸出的PWM脈沖寬度；

8、通過SCI通訊接收控制指令并發(fā)送輸出的電流、電壓值；CAN通訊程序；故障處理及保護功能程序?？刂葡到y(tǒng)軟件初始化程序和主程序流程圖如圖4所示。為了提高軟件的運行效率，把不需要及時處理的部分放在主程序里面，而把一些需要及時處理的控制過程通過中斷的方式進行處理。如顯示、控制等過程安排在主程序中；而PWM波形的調(diào)制等需要進行周期處理的工作則通過中斷方式進行處理。另外，CAN通訊程序也采用中斷服務程序處理，根據(jù)接收到的信息決定具體的充電方式并對充電過程進行調(diào)整。3.2 數(shù)字PID控制器的簡要設(shè)計PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于調(diào)整等優(yōu)點，因而在連續(xù)的系統(tǒng)控制中得到了廣泛的應用。它是一種按照被控制量偏差的

9、比例、積分和微分通過線性組合進行控制的方法，其控制規(guī)律如下：由于數(shù)字PID控制是一種采樣控制，它根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，在(1)式中的積分和微分項不能直接準確計算，因此在本控制系統(tǒng)中采用了增量式PID算法，其控制規(guī)律的數(shù)值公式為：充電電源采用高頻的逆變頻率，對控制器的響應時間要求較高。ui對應第i時刻控制量的增量即PWM脈沖寬度的變化值。由(2)式可以看出，增量式算法只需要保存前三個時刻的偏差值，占用空間小，計算誤差或精度不足時對系統(tǒng)影響小，累計誤差同樣也比較小；而且在每次重新啟動時，可以在原來的基礎(chǔ)上進行控制，減少系統(tǒng)的響應時間，同時也避免了因偶然因素造成的控制器輸出的大幅度劇烈變化

10、，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。對于本系統(tǒng)，PID控制器的參數(shù)主要通過試驗確定并不斷進行整定，最終達到滿意的結(jié)果。系統(tǒng)的采樣周期就是電源主電路的開關(guān)周期，根據(jù)前一個周期的采樣值計算下一個周期的輸出脈寬，每一次采樣中斷必須進行一次計算。PID的算法嵌套在ADC的中斷處理程序之中。4 實驗結(jié)果及技術(shù)參數(shù)整個實驗系統(tǒng)由所研制的電動汽車用充電電源、電動汽車用動力電池(鎳氫)、純電阻負載、PC機以及數(shù)字示波器等測試設(shè)備組成。軟開關(guān)電源變壓器原邊電壓(Up)、原邊電流(ip)波形的測試結(jié)果如圖5所示。從波形圖中可以看出，變壓器原邊電壓(Up)和原邊電流(ip)的波形均較理想。因為主功率開關(guān)管工作于零流和零壓的狀態(tài)下，原邊電流和電壓沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)硬開關(guān)變換器所具有的電壓、電流尖峰。系統(tǒng)的輸出響應曲線如圖6所示。從圖中可以看到，系統(tǒng)的響應速度較快、超調(diào)量小且穩(wěn)態(tài)控制精度較高，輸出電壓從200V升到500V只需要0.5秒的時間。充電機的技術(shù)參數(shù)如下：輸入電壓：AC 380V三相交流電輸出電壓：DC 300V720V可調(diào)輸出電流：030A可調(diào)充電效率：90%輸出紋波：1%工作溫度：2060?所研制的電動汽車用數(shù)字化充電電源采用軟開關(guān)功率變換技術(shù)，提高了充電機的充電效率和可靠性；控制系統(tǒng)采用數(shù)字處理芯片和數(shù)字控制技術(shù)，具有很高的實時性和良好的控制功能，可以滿足不同動力電池的復雜充電要求；整機采用模塊化方式