李國洪，馬冬濤

（天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實驗室，天津 300384）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人們的生活節(jié)奏逐漸加快，電動車以其便捷、輕巧、低碳環(huán)保的優(yōu)勢受到越來越多的人喜愛。充電器作為電動車補(bǔ)充能源的裝置，是電動車的重要組成部分，其性能穩(wěn)定與否，關(guān)系到電動車的使用安全與使用壽命。

電動車的充電器實際上是一種能夠?qū)崿F(xiàn)恒流恒壓模式充電的智能開關(guān)電源。由于DSP具有控制靈活、具有通信接口等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在電動車充電電源領(lǐng)域具有諸多的優(yōu)勢，因此研究DSP數(shù)字充電系統(tǒng)具有應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。

1 硬件電路設(shè)計

硬件電路總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 充電器整體結(jié)構(gòu)框圖

1.1 主功率電路的設(shè)計

本電源用于給電動汽車動力電池充電，設(shè)計最大輸出電壓為400VDC，最大輸出電流為8A，選擇全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 全橋式DC-DC變換器電路

功率主電路選用4只MOSFET作為開關(guān)管組成全橋電路。在電路的滯后橋臂上加上電容Ca1、Ca2，電感La及二級管VDa1、VDa2，并與滯后臂MOSFET并聯(lián)電容構(gòu)成輔助諧振網(wǎng)絡(luò)。電路中的變壓器輸入回路中C5為隔直電容。Lin為滯后臂諧振電感，配合滯后臂諧振網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)軟開關(guān)控制。

1.2 EMI濾波器電路設(shè)計

傳統(tǒng)EMI電路存在一些缺陷。與電容器相連的引線電感或電極產(chǎn)生的串聯(lián)等效電感，會嚴(yán)重影響濾波器在高頻下的性能，還會導(dǎo)致旁通效應(yīng)和諧振頻率的降低。針對這種情況，本文采用在Cy兩端分別并聯(lián)一個電感L0，如圖3所示。這樣由電容器流入地線的電流和信號線中的電流方向正交，減小了寄生電感。

圖3 改進(jìn)后的EMI濾波器

1.3 保護(hù)電路的設(shè)計

1.3.1 溫度檢測電路

為了防止電源溫度過高發(fā)生意外，需要對系統(tǒng)溫度進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)溫度高于50oC或低于-20oC自動停止充電。本系統(tǒng)采用NTC溫度傳感器，它的特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，符合本設(shè)計要求。溫度檢測電路如圖4所示。

圖4 溫度檢測電路

1.3.2 過電流保護(hù)

為了防止因短路故障造成的過流燒壞功率管，利用電流互感器檢測變壓器原邊電流，感應(yīng)電流經(jīng)整流后，由R1、R2轉(zhuǎn)換為電壓信號。若主電路出現(xiàn)大電流，則R1兩端電壓升高，二極管D5導(dǎo)通，將高電平信號引到DSP電流檢測端，停止主功率管的驅(qū)動脈沖輸出。

圖5 過電流保護(hù)電路

1.4 控制電路的設(shè)計

控制電路采用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片作為主控制器。DSP不但具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力，而且還具有完善的事件管理能力和嵌入式控制能力，廣泛應(yīng)用在大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合。

1.4.1 采樣電路設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計開關(guān)電源需要同時對電壓和電流進(jìn)行控制，故需要對電壓和電流分別進(jìn)行采樣，并將輸出電壓和電流信號調(diào)整滿足DSP芯片AD采樣的要求。電壓采樣可以通過電阻分壓電路獲得，如圖6所示。電流采樣選用CHF-300E型號的霍爾傳感器，如圖7所示。

圖6 電壓采樣電路

圖7 電流采樣電路

1.4.2 驅(qū)動電路

為了保證開關(guān)電源的較高的開關(guān)頻率，可以選用IGBT或MOSFET功率開關(guān)管，本系統(tǒng)為了降低成本，選用MOSFET功率管。MOSFET屬于電壓型器件，驅(qū)動電路相對簡單，本系統(tǒng)采用光電耦合器TLP250實現(xiàn)隔離及放大作用。TLP250的輸入電壓范圍10V～35V，輸出電流±1.5A，開通時間約為0.5微秒，隔離電壓大于2500V，符合本設(shè)計要求。驅(qū)動電路如圖8所示。

圖8 MOSFET管驅(qū)動電路

2 軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

控制程序的主要部分是中斷，主程序進(jìn)行系統(tǒng)初始化、開中斷和等待中斷。主程序流程圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

2.2 PI算法的設(shè)計

對于一般的基于DSP控制的開關(guān)電源，采用PI控制即可滿足設(shè)計需求。PI調(diào)節(jié)器的增量型計算公式為：

參數(shù)α、β的值是通過大量實驗整定的。

PI調(diào)節(jié)子程序的工作過程：初始化ADC寄存器；設(shè)置每個開關(guān)周期采樣次數(shù)為100次；求出一個開關(guān)周期的電壓均值和預(yù)設(shè)值之間的誤差e；如果e小于1%則忽略誤差，若大于1%則進(jìn)入PI調(diào)節(jié)，直至誤差縮小到允許范圍。

2.3 ADC程序設(shè)計

ADC初始化在主程序中完成，設(shè)置采樣頻率為300kHz，采用中斷方式。中斷服務(wù)程序主要完成對輸出電壓、電流信號的AD轉(zhuǎn)換并對結(jié)果進(jìn)行均值濾波，而后進(jìn)行 PI運(yùn)算，根據(jù)PID輸出修改PWM的移相角度。ADC中斷服務(wù)子程序流程圖如圖10所示。

圖10 ADC中斷服務(wù)子程序

2.4 CAN通信程序設(shè)計

CAN模塊是TMS320F2812芯片上內(nèi)嵌的增強(qiáng)型CAN控制器。模塊初始化程序在系統(tǒng)初始化中完成，CAN總線用于對電源的控制并對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。CAN的發(fā)送程序與定時器保持同步，電源每隔1秒鐘將一幀當(dāng)前狀態(tài)幀發(fā)送到總線，為了確保電源實時響應(yīng)控制命令，故CAN的接收程序采用中斷方式實現(xiàn)。由于發(fā)送程序每隔1秒鐘才發(fā)送一次狀態(tài)幀，為了使CAN總線及時反饋用戶發(fā)送的命令，CAN每次接收到信息之后，都要立即把一幀的當(dāng)前狀態(tài)幀發(fā)送到總線。CAN發(fā)送和接收子程序如圖11所示。

圖11 CAN發(fā)送與接收子程序

3 實驗結(jié)果分析

根據(jù)要求設(shè)計了樣機(jī)并且做了實驗驗證。充電系統(tǒng)輸入端接220V市電，控制器CAN口與PC端USB連接。從圖12可以看出，波形沒有開通尖峰，基本無毛刺，在功率管開關(guān)時實現(xiàn)了ZVS軟開關(guān)。圖13可以看出輸出電壓平滑穩(wěn)定，紋波基本在0.5%一下，輸出的直流電壓基本達(dá)到設(shè)計要求。

圖12 充電實驗變壓器副邊波形

圖13 開關(guān)電源大負(fù)載穩(wěn)壓輸出波形

4 結(jié)束語

研究設(shè)計了基于DSP TMS320F2812微處理器，結(jié)合DSP數(shù)字控制技術(shù)，采用增量式PI控制算法，設(shè)計了一款400V/8A的開關(guān)電源。完成電路板設(shè)計，測試其輸出電壓波形進(jìn)行分析，通過不斷地在線調(diào)試得到理想的效果，驗證了方案的可行性。

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