中心議題：
解決方案：
- 基于DSP,、變參數(shù)積分分離PI 控制
根據(jù)蓄電池分級恒流充電的要求，本文給出一種基于DSP,、變參數(shù)積分分離PI 控制的新型蓄電池恒流充電電源的設(shè)計方案,。介紹了電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理,、控制策略及軟件設(shè)計,。目前該電源已投入工程使用。
1 引 言
蓄電池正常充電時,，比較好的充電方法是分級定流方式,，即在充電初期用較大的恒定電流，充到一定時間或蓄電池達到一定電壓后,，改用較小的恒定電流充電,。同時蓄電池恒流充電電源不同于普通的直流電源，它的工作負載范圍非常寬,，其輸出電壓可能從近似為零變到額定值,。因此，在較寬的負載范圍內(nèi)保證蓄電池充電階段的平滑過渡,，以及不同階段時的恒流特性是蓄電池恒流充電電源的設(shè)計難點,。這里設(shè)計的基于DSP 變參數(shù)積分分離PI 調(diào)節(jié)的兩級恒流充電電源可方便地解決這一難題。
2 蓄電池分級恒流充電電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
圖1 示出蓄電池恒流充電電源的結(jié)構(gòu)框圖,。該電源可對蓄電池進行兩級恒流充電,，兩階段的充電終止條件可分為充電時間原則、充電電壓原則或時間/ 電壓混合原則,，并可自動完成兩階段電流轉(zhuǎn)換,、充電原則轉(zhuǎn)換和相應(yīng)充電參數(shù)值的調(diào)整。
裝置主電路的工作原理是首先對380 V 輸入交流市電進行EMI 濾波,，采用帶十二相自耦變壓器的不控整流電路將交流電變換為直流電,，從而有效地減少了輸入級AC/ DC 變換產(chǎn)生的諧波含量，提高了功率因數(shù)，降低了輸入變壓器的容量,。利用全橋高頻逆變電路將直流電逆變?yōu)楦哳l雙極性PWM波,，經(jīng)高頻脈沖變壓器降壓，雙半波整流和輸出濾波后,，最終輸出恒定的直流電流對蓄電池負載充電,。
圖1 恒流充電裝置結(jié)構(gòu)框圖
控制系統(tǒng)由DSP 及其外圍電路組成，主要完成對輸出電壓,、電流信號的檢測,、采樣和計算；對外部控制指令的接收和處理,；對恒流充電的控制,；對驅(qū)動信號的產(chǎn)生；對顯示數(shù)據(jù)的發(fā)送及整機的控制等功能,。DSP 控制芯片采用美國TI 公司生產(chǎn)的數(shù)字信號處理器TMS320F240 ,其具有豐富的片內(nèi)集成外設(shè),，大大減少了DSP 的外圍元器件。此外,，因其高速信號處理和數(shù)字控制功能使它特別適用于需要進行復(fù)雜算法的控制系統(tǒng),。
3 蓄電池分級恒流充電電源控制策略
PI 控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、控制穩(wěn)態(tài)精度高等特點,，廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域,。傳統(tǒng)數(shù)字PI 調(diào)節(jié)器的數(shù)學模型為：
其增量表達式為：
式中：e (k)，e(k - 1)---充電電流第k和k - 1次采樣誤差值,；Kp ---比例系數(shù),；KI ---積分系數(shù)
傳統(tǒng)PI 調(diào)節(jié)的Kp 和KI 在控制過程中為常數(shù)，而文中裝置需要對蓄電池進行分級恒流充電,，兩級的充電參數(shù)值不相同且負載范圍較寬,，因此為了達到較好的控制效果，需根據(jù)實際情況對控制參數(shù)進行相應(yīng)的調(diào)整,。在不同的輸入量區(qū)域內(nèi),，選取PI參數(shù)的要求不同，其取值規(guī)則為：
①Kp 值大,，系統(tǒng)響應(yīng)快,，調(diào)節(jié)精度高；但Kp 值過大時,，則易造成系統(tǒng)超調(diào)大,，甚至不穩(wěn)定。因此,，在誤差e(k)趨于增大時需要適當減小Kp 值,，以防止超調(diào)；當誤差e (k) 趨于減小時，要增大Kp 值,，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。
②KI 的作用主要是消除穩(wěn)態(tài)誤差,，以提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度,。KI 值大，誤差消除能力強,，但在起動過程中易出現(xiàn)積分飽和及調(diào)節(jié)超調(diào)量增加的現(xiàn)象,。
為此，要求KI 在誤差大時為零,，以消除積分飽和現(xiàn)象,；進入穩(wěn)態(tài)區(qū)域時，加入積分調(diào)節(jié),。這樣既保證穩(wěn)態(tài)時對積分的要求,，又避免了積分飽和現(xiàn)象。
根據(jù)上述變參數(shù)PI 的控制規(guī)則,，該系統(tǒng)采取變參數(shù)與積分分離相結(jié)合的PI 算法調(diào)節(jié)逆變橋的驅(qū)動脈寬,。圖2 示出控制原理圖。其中,， IG 和IF 分別為給定充電電流值和實際充電電流反饋值,。其控制思想是按照充電電流誤差e(k)的正、負及上升,、下降趨勢,，將反饋電流一個周期的波動分為4 個區(qū)間，即區(qū)間1 (0~ t1),區(qū)間2 (t1~ t2),區(qū)間3 (t 2~t3),區(qū)間4 (t3~ t4 ).在不同的區(qū)間調(diào)用不同的PI參數(shù),，從而實現(xiàn)最佳PI 調(diào)節(jié),。在此基礎(chǔ)上又引進積分分離PI 控制算法，既保持了積分作用,，又減小了超調(diào)量,，使得控制性能有較大的改善。
圖2 PI 調(diào)節(jié)原理圖
其具體實現(xiàn)如下：
①根據(jù)系統(tǒng)實際情況,，人為設(shè)定一閾值ε> 0 .
②當│e(k)│>ε時,，即偏差值e(k)比較大時，去掉積分環(huán)節(jié),，既可避免過大的超調(diào),，又可使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。
③當│e(k)│≤ε時,，即偏差值e(k)進入穩(wěn)態(tài)區(qū)域時,，加入積分環(huán)節(jié)，可保證系統(tǒng)的控制精度。
④在區(qū)間1 和區(qū)間3 中,，系統(tǒng)輸出在調(diào)節(jié)器的作用下向給定值I G 接近,。為了減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度,，采用大比例調(diào)節(jié)系數(shù)KP1使反饋電流i F 迅速接近I G.但KP1的增大會使系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性降低,，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以在區(qū)間2和區(qū)間4 采用小比例調(diào)節(jié)系數(shù)KP2 ,以降低電流反饋值偏離給定值的速度,。
通過上述理論分析,，推出控制量Δu(k)的數(shù)學表達式為：
式中：ε---積分門限。
---誤差的變化量,，= e(k) - e(k - 1),。
圖3 控制系統(tǒng)原理方框圖
圖3 示出控制系統(tǒng)原理方框圖。與DSP 的T1PINT 周期同步的電流A/ D 采樣,，將測得的電流平均值作為反饋值I F參予電流調(diào)節(jié)器的運算,。經(jīng)過變參數(shù)的積分分離PI 計算，調(diào)節(jié)驅(qū)動高頻逆變電路中開關(guān)管的驅(qū)動信號,，從而調(diào)節(jié)充電電流保持恒定,。
4 軟件設(shè)計
圖4 示出實現(xiàn)變參數(shù)積分分離PI 算法的軟件流程圖。
圖4 PI 調(diào)節(jié)軟件流程圖
為了增加整個充電系統(tǒng)的工作安全性,，確保程序運行的準確可靠,， 還利用DSP 內(nèi)部的看門狗（WD） 和實時中斷（RTI） 模塊監(jiān)視軟件和硬件操作，并提供可編程間隔的中斷,，如果軟件進入一個不確定的循環(huán)或者CPU 出現(xiàn)暫時性異常時,，WD 計數(shù)器溢出，以產(chǎn)生一個系統(tǒng)復(fù)位,，從而避免造成嚴重的程序運行錯誤,。
5 試驗結(jié)果及結(jié)論
該充電電源的輸出電壓范圍為0~42 V ,兩級充電電流均為2~36 A 可調(diào)，充電電流精度小于5 %.可對12 V 或24 V 等級的堿性或酸性蓄電池進行恒流循環(huán)和補充充電,，也可對新蓄電池進行恒流充電,。
圖5 示出不同充電電壓時的充電電流波形。由圖可見,，在不同充電電流給定下均取得了良好的實際充電電流波形,，并且當蓄電池電壓變化時，因在線的變參數(shù)PI 調(diào)節(jié),，充電電流保持恒定,，因此系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能和恒流特性。目前該充電電源己在多艘大型船舶中使用,。
圖5 充電電流波形（ I 為充電電流值,， V 為蓄電池兩端電壓值）