基于DSP的机车蓄电池充电系统的研究

1.前言：

铁路机车用铅酸蓄电池[1]的充电装置目前大多还采用可控硅SCR、小容量的GTO、GTR、IGBT开关功率器件实现，这种充电方法不仅效率低、能耗大、功率因数低，而且存在严重的过充电和析气等现象[2]，严重影响蓄电池的使用寿命。现代控制理论、现代电力电子理论的快速发展，为充放电系统的发展提供了坚实的理论基础；集成电路技术和嵌入式系统的飞速发展，尤其DSP芯片的诞生和发展为充放电技术的发展提供了广阔的前景。本文叙述的充电系统将DSP和三相电压型变流器结合，研制的机车蓄电池充电装置具有良好的综合性能。

2.系统构成
图1 系统结构图
DSP是智能充电装置的核心控制部件，它根据直流侧电流反馈、电压反馈、温度采样情况以及上位机的电压、电流给定，计算产生功率模块所需的SVPWM波形，同时根据外部控制信号以及内部和外部的异常信号(如电网波动较大)做出保护的动作。同时，DSP实时地将充电系统的过程参数送到上位机显示，并实时接收来自上位机的给定参数。功率模块采用具有自关断能力、导通与关断控制十分方便、不需辅助换相电路的IGBT；驱动控制模块采用具有“先降栅压、后软关断”的双重保护功能的HL402 模块[3]。

3.主电路设计

系统性能指标要求：

1) 输出电压：95～125V
2) 输出电流：10A～60A,连续可调
3) 输出、电压电流精度：　0.5%
4) 功率因数： 0.99
5) 效率： 75%
6) 纹波系数：　0.5%

蓄电池主电路采用三相电压型变流器(VSR)、并根据上述性能参数选择合适的电感、电容、变压器。
图2 蓄电池充电主电路
假设电网输入电压对称，VSR在ABC坐标系下的数学模型[4]为：
(1)

若三相VSR入端期望的电压空间矢量为：
(2)

遵照功率不变原则，根据SVPWM算法选择八个基本空间矢量。

4.控制电路设计

本系统既要实现综合控制，又要完成空间矢量复杂的算法，所以采用专为数字控制系统应用进行了优化设计的TMS320LF2407 DSP[5]芯片。其内部具有两个事件管理器(EV)，每个EV模块都含有极为简化的产生对称空间矢量PWM波形的内置硬件电路，以及内置的A/D、 RAM等，从而外部电路非常简单。
图3　DSP硬件控制电路
软件实现采用模块化设计，整个系统通过调用子程序和接受、处理中断来完成检测和控制。系统软件实现的结构图如下：
图4 DSP软件实现的结构图
主程序模块完成系统初始化；同步中断模块强制软件中的角度从零开始，达到与外部输入电压同步。通用定时器1下溢中断实现PID算法、坐标变换、电压空间矢量PWM ，产生SVPWM波形。通用定时器2下溢中断完成数据的串行通信，将现场采集和计算的数据送到上位机显示，并接收来自上位机的控制参数。

5.结束语

蓄电池充电实验交流侧电压、电流波形如图6所示，输入电流与输入电压同相位，功率因数接近于1。直流侧电压电流如图7所示，电压和电流均恒定不变。蓄电池充电装置的各项性能指标均达到了预期要求，装置工作稳定可靠，噪声小，实果令人满意，说明了该蓄电池充电装置方案的可行性和先进性。

参考文献：

[1] 王连森 《内燃机车检修》中国铁道出版社2000
[2] 朱松然 《铅酸蓄电池技术》机械工业出版社2002
[4] 舒中宾 《基于HL402的IGBT高频逆变焊机的可行性研究》.株洲工学院学报，2002(1)61-63
[3] 史伟伟，蒋全，胡敏强，唐国庆，蒋平.《三相电压PWM整流器的稳态分析和主电路设计》.电气自动化.2002(1)
[5] 刘和平 《TMS320LF240x DSP 结构、原理及应用》北京航空航天大学出版社