，，

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院,廣西 南寧 530004 )

1 引言

當(dāng)今環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)能源日益枯竭，發(fā)展新能源已經(jīng)成為一種新的趨勢(shì)[1-2]。光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、電動(dòng)汽車、電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容等都成為了新能源發(fā)電或者存儲(chǔ)的一種途徑。而能將以上設(shè)備實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，甚至組建一個(gè)微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能量管理的關(guān)鍵部件就是DC-DC變換器。

本文選擇移項(xiàng)全橋作為變換器的電路主拓?fù)鋱D，每個(gè)橋臂的對(duì)角開關(guān)管1800互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通之間相差一個(gè)相位。當(dāng)調(diào)節(jié)相位角的大小時(shí)，控制IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷的時(shí)間來控制電壓和電流的大小，從而控制能量的變換[3]。

TMS320F28335是浮點(diǎn) MCU 系列中綜合性能最適宜用作電氣控制的芯片，支持浮點(diǎn)編程，避免了定點(diǎn)芯片如 TMS320F2812 中復(fù)雜定浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換，從而大為簡(jiǎn)化了編程[4]。同時(shí)它還能產(chǎn)生八路PWM波形，與移項(xiàng)全橋電路中的八個(gè)開關(guān)管剛好實(shí)現(xiàn)了一對(duì)一的控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖1所示是DC-DC變換器的設(shè)計(jì)框架，高壓側(cè)與低壓側(cè)通過移項(xiàng)全橋電路連接，是能量變換的主回路。電壓電流傳感器把主回路中的電參量進(jìn)行采集，經(jīng)過多級(jí)調(diào)理電路，在轉(zhuǎn)換到以DSP為核心得控制器中，經(jīng)過一系列的閉環(huán)控制策略的運(yùn)算之后，產(chǎn)生PWM波形，傳遞到主回路的IGBT上控制開關(guān)管的導(dǎo)通，來控制能量的轉(zhuǎn)換。

圖1 DC-DC變換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 主拓?fù)鋱D的結(jié)構(gòu)及原理

圖2 主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖

充電模式時(shí)，開關(guān)管PWM1-PWM4有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)管導(dǎo)通。而開關(guān)管PWM5-PWM8則沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，只利用其二極管實(shí)現(xiàn)整流橋的作用。當(dāng)處于放電模式時(shí)，開關(guān)管PWM5-PWM8有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而開關(guān)管PWM1-PWM4則沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)四個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電感L儲(chǔ)能。如圖2所示。

3.2 采集板電路設(shè)計(jì)

單路電壓電流傳感器通過四級(jí)運(yùn)放調(diào)理將采集的參數(shù)傳送到DSP中的AD進(jìn)行處理。

圖3 前級(jí)采集電路

圖2是第一級(jí)運(yùn)放是電壓跟隨器，輸入與輸出電壓一致，同時(shí)在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖及隔離級(jí)作用；雙向反并聯(lián)二極管保證運(yùn)放正負(fù)極端電壓差在0.7V之內(nèi)，起到限幅保護(hù)運(yùn)放的作用。

圖4 后級(jí)采集電路

中間兩級(jí)也是放大電路，上圖3是第四級(jí)放大電路，是一個(gè)負(fù)反饋的放大電路，中加入了電容濾掉高頻信號(hào)，最終計(jì)算公式如下。

Uo=1/2(3.3-Ui)

(1)

將輸出的幅值電壓在0～3.3V的電壓傳輸?shù)紻SP中的AD進(jìn)行處理。

3.3 觸摸屏上位機(jī)及modbus協(xié)議介紹

TPC1062K觸摸屏是一套以嵌入式低功耗CPU為核心(主頻400MHz)的高性能嵌入式一體化觸摸屏。外部接口有RS232和RS485串口個(gè)一路，RJ45以太網(wǎng)接口和USB口各一路；可以通過多種方式來通信[5-6]。

圖5 觸摸屏上位機(jī)控制界面

圖5是上位機(jī)控制界面，左側(cè)是"參數(shù)設(shè)置"界面，這個(gè)界面上可設(shè)置高壓側(cè)和低壓側(cè)電壓、電流參數(shù)值，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送下去，通過PID控制程序來調(diào)整電參量來達(dá)到控制的目的；右側(cè)是變換器“狀態(tài)顯示”界面，將實(shí)時(shí)采集的電參量和溫度傳送到上位機(jī)來，顯示監(jiān)測(cè)。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)電壓設(shè)置為50V時(shí)，狀態(tài)顯示側(cè)低壓側(cè)電流經(jīng)PID調(diào)試后得到的值為49V。

電流、電壓、溫度等參量都需要經(jīng)過modbus協(xié)議來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸[6]，上位機(jī)每隔1s個(gè)變換器發(fā)送一串如表1所示的數(shù)據(jù)，其中地址碼(01)，功能碼(03)，首地址(00 00)，需要讀取數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)(00 05)，校驗(yàn)碼(85 C9)。

表1 上位機(jī)發(fā)送從機(jī)接收數(shù)據(jù)

表2 從機(jī)發(fā)送上位機(jī)接收數(shù)據(jù)

表2是上位機(jī)發(fā)送表1的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過判斷處理，將DSP寄存器中的數(shù)據(jù)從DSP發(fā)送給上位機(jī)：數(shù)據(jù)的格式依次為：地址碼(01)、功能碼(03)、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個(gè)數(shù)(5)、校驗(yàn)碼(BA EB)。

表3 上位機(jī)發(fā)送控制數(shù)據(jù)

表3是通過控制界面給參量設(shè)置控制值得數(shù)據(jù)格式：格式為依次為：地址碼(01)、功能碼(06)、設(shè)置變量的地址(03)、設(shè)置變量數(shù)值(00 32)、校驗(yàn)碼(F8 1F)。表3是給DSP中的寄存器03地址設(shè)置一個(gè)值為50V的電壓值。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

圖6 主程序流程圖

電壓、電流、溫度經(jīng)傳感器、調(diào)理電路將信號(hào)傳入到DSP內(nèi)部AD中，一旦AD緩沖中有數(shù)據(jù)就會(huì)觸發(fā)AD中斷，在中斷中做一系列的控制算法：軟件濾波、保護(hù)邏輯動(dòng)作，PID閉環(huán)控制策略，匹配上位機(jī)數(shù)據(jù)等；之后再產(chǎn)生PWM波形發(fā)送到驅(qū)動(dòng)板上去，程序流程圖如圖6所示。

5 運(yùn)行結(jié)果

搭建好系統(tǒng)之后，使用可編程電源和電子負(fù)載進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，用示波器采集的波形如圖7所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)波形

圖7產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)板上的全橋PWM波形，PWM1-PWM2是前橋臂，是一對(duì)有死區(qū)的互補(bǔ)波形，PWM3-PWM4是后橋臂，同樣也是互補(bǔ)波形。

圖8 變壓器原邊波形

圖9 輸入電壓(黃色)、輸出電壓(藍(lán)色)

圖10 輸入電流(黃色)、輸出電流(藍(lán)色)

圖8是變壓器原邊電壓波形，圖9和圖10分別為輸入輸出端的電壓和電流實(shí)際值，當(dāng)在可編程電源端給定100V，電子負(fù)載端設(shè)定一個(gè)25Ω電阻，當(dāng)上位機(jī)設(shè)定電壓值為50V時(shí)，會(huì)得到一個(gè)2A的電流，總功率為100W。圖8～圖10中波形有很小的震蕩是由于可編程電源本身電能質(zhì)量不好而引入變換其中，而并非變換器本身原因。

6 結(jié)論

本文介紹了DC-DC變換器的拓?fù)鋱D、控制器、上位機(jī)、通信協(xié)議，硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并開發(fā)出來了一套實(shí)物系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行中通過對(duì)相位的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器電壓、電流的靈活控制。用觸摸屏代替了傳統(tǒng)電腦作為上位機(jī)，節(jié)省了成本，大大減少了變換器的體積和提高對(duì)變換器的保護(hù)作用，具有一定的借鑒意義。