基于DSP的大功率快速智能充电器的设计
|
摘要
市面上的充电器主要是小功率、恒流或恒压充电器，但随着大功率充电器件(比如电动车)的出现，人们对大功率充电器的需求越来越多，同时对充电器的性能要求也越来越高。因此，本文详细讨论了一种大功率快速智能充电器的设计方案，充电对象是24V铅酸蓄电池，容量为100AH。主要工作有：
硬件电路设计。硬件电路设计包括主回路设计、充电控制回路设计以及DSP_MCU_LCD接口电路设计。主电电路的设计包括市电初级整流部分、DC_DC变换电路、整流输出滤波电路和蓄电池放电回路四个部分。其中，市电初级整流部分利用单相全桥不可控整流滤波电路将交流电转换为直流电，作为DC_DC变换电路的输入：DC_DC变换电路的主要作用是为了调频，使交流环节工作在较高的频率下，这样有效地减小了变压器的体积和重量。这部分电路是由移相全桥电压开关PWM电路实现的，通过谐振电感和整流输出滤波电路的电感实现开关管的零电压开关，通过谐振电路有效的减小了开关管损耗和开关管噪声。充电控制回路设计，这一部分主要包括了电量信号采集电路、MOS管驱动电路以及基于DSP的双环控制算法的设计。主要讨论了DSP如何通过检测到的电压和电流通过双环比列控制器实现限压分段定周期定电流脉冲充电。显示和报警部分的设计主要是为了向用户显示充电的状态以及防止意外情况的发生。系统仿真部分，通过对主电路和数字控制器建立数学模型，由MATALAB完成数字控制器参数的调整。结果表明，该系统负载范围比较大，双闭环系统在高频段衰减的比较快，降低了噪声的干扰。
软件实现。软件设计主要包括基于限压分段定周期定电流脉冲充电方案的主程序的实现、PWM移相脉冲的实现、充放电脉冲的实现以及LCD显示程序的实现。在这些程序共同作用下实现了蓄电池在充电过程中不同充电电流阶段转换，进而达到快速充电的目的。
With the requirement of high-power electrification apparatus(electric bicycle et al) increasing, the high-power charger is more and more important. But most of the chargers in the market are low-power, the way how to design a simple, convenient and efficient high-power charger is a research focus in the society. In this paper, we discuss how to design a intellective and speed high-power charger, it is suit for storage battery which is 24V and 100AH. The main work of this thesis is as follows:
The hardware circuit design. The hardware circuit design mainly include the main circuit, the control loop circuit and the rechargeable DSP_MCU_LCD interface circuit. The design of the main circuit includes four parts. Such as the initial rectifier part of the city power, the DC DC transforming circuit, rectifier output filter circuit and the battery discharge circuit .Among them, the part of the initial rectifier circuit of the city power uses the single-phase full-bridge rectifier uncontrollable filter circuit to converse AC to DC what is used to the input of the DC_DC transform circuit, the primary role of the DC_DC transform circuit is taken as the Frequency Modulation. to make the exchange links working at a higher frequency. And through this, it can reduce the volume and weight of the transformer .This part of circuit is carried out by the Phase shifters zero-voltage switching full-bridge PWM circuit, and through the resonant inductor and the rectifier output filter circuit inductance to achieve zero voltage switching. Then designing charge control circuit includes the electricity circuit Signal Acquisition circle, the MOS driving circuit and the design of DSP-based dual-loop control algorithm. This article mainly discussed the question that how to achieve limit voltage subsection definite period and definite current pulse charging, through detecting the voltage and current, the design of the displaying and alarm circuit, can show the state of charge and prevent the occurrence of accidents. The part of the system simulation mainly establishes getting the mathematics model by main circuit and the digital controller, and adjusting the controller parameter through MATLAB. The result demonstrates that this system has a long range of the load and the double closed-loop system has a quickly attenuation in high frequency, what is more, this system reduces the noise interference.
The software design. This part mainly includs the main program based on the limit voltage subsection definite period and definite current pulse charging,the realization of the PWM pulse phase shifter, the Charge-discharge pulse, and LCD display program. Under the common role of these program, the system carries out transformation in different stage of current charge, as a result, realize the quickly charging purpose.
硬件电路设计。硬件电路设计包括主回路设计、充电控制回路设计以及DSP_MCU_LCD接口电路设计。主电电路的设计包括市电初级整流部分、DC_DC变换电路、整流输出滤波电路和蓄电池放电回路四个部分。其中，市电初级整流部分利用单相全桥不可控整流滤波电路将交流电转换为直流电，作为DC_DC变换电路的输入：DC_DC变换电路的主要作用是为了调频，使交流环节工作在较高的频率下，这样有效地减小了变压器的体积和重量。这部分电路是由移相全桥电压开关PWM电路实现的，通过谐振电感和整流输出滤波电路的电感实现开关管的零电压开关，通过谐振电路有效的减小了开关管损耗和开关管噪声。充电控制回路设计，这一部分主要包括了电量信号采集电路、MOS管驱动电路以及基于DSP的双环控制算法的设计。主要讨论了DSP如何通过检测到的电压和电流通过双环比列控制器实现限压分段定周期定电流脉冲充电。显示和报警部分的设计主要是为了向用户显示充电的状态以及防止意外情况的发生。系统仿真部分，通过对主电路和数字控制器建立数学模型，由MATALAB完成数字控制器参数的调整。结果表明，该系统负载范围比较大，双闭环系统在高频段衰减的比较快，降低了噪声的干扰。
软件实现。软件设计主要包括基于限压分段定周期定电流脉冲充电方案的主程序的实现、PWM移相脉冲的实现、充放电脉冲的实现以及LCD显示程序的实现。在这些程序共同作用下实现了蓄电池在充电过程中不同充电电流阶段转换，进而达到快速充电的目的。
With the requirement of high-power electrification apparatus(electric bicycle et al) increasing, the high-power charger is more and more important. But most of the chargers in the market are low-power, the way how to design a simple, convenient and efficient high-power charger is a research focus in the society. In this paper, we discuss how to design a intellective and speed high-power charger, it is suit for storage battery which is 24V and 100AH. The main work of this thesis is as follows:
The hardware circuit design. The hardware circuit design mainly include the main circuit, the control loop circuit and the rechargeable DSP_MCU_LCD interface circuit. The design of the main circuit includes four parts. Such as the initial rectifier part of the city power, the DC DC transforming circuit, rectifier output filter circuit and the battery discharge circuit .Among them, the part of the initial rectifier circuit of the city power uses the single-phase full-bridge rectifier uncontrollable filter circuit to converse AC to DC what is used to the input of the DC_DC transform circuit, the primary role of the DC_DC transform circuit is taken as the Frequency Modulation. to make the exchange links working at a higher frequency. And through this, it can reduce the volume and weight of the transformer .This part of circuit is carried out by the Phase shifters zero-voltage switching full-bridge PWM circuit, and through the resonant inductor and the rectifier output filter circuit inductance to achieve zero voltage switching. Then designing charge control circuit includes the electricity circuit Signal Acquisition circle, the MOS driving circuit and the design of DSP-based dual-loop control algorithm. This article mainly discussed the question that how to achieve limit voltage subsection definite period and definite current pulse charging, through detecting the voltage and current, the design of the displaying and alarm circuit, can show the state of charge and prevent the occurrence of accidents. The part of the system simulation mainly establishes getting the mathematics model by main circuit and the digital controller, and adjusting the controller parameter through MATLAB. The result demonstrates that this system has a long range of the load and the double closed-loop system has a quickly attenuation in high frequency, what is more, this system reduces the noise interference.
The software design. This part mainly includs the main program based on the limit voltage subsection definite period and definite current pulse charging,the realization of the PWM pulse phase shifter, the Charge-discharge pulse, and LCD display program. Under the common role of these program, the system carries out transformation in different stage of current charge, as a result, realize the quickly charging purpose.
引文
[1] 朱松然．铅酸电池技术．北京：机械工业出版社，2002．
[2] 王源．电动汽车用动力铅酸蓄电池快速充电技术研究：(硕士学位论文)．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006．
[3] 冯义．一种智能充电系统的初步研究：(硕士学位论文)．北京：中国农业大学，2000．
[4] 马云波．一种新型脉冲式快速充电装置．机电设备，2002，4：15-18．
[5] 刘玉杰，姜印平，孟祥适．关于快速脉冲充电技术的研究．蓄电池，2003，2：71-73，76．
[6] 王坚．慢速脉冲快速充电控制电池极化的研究．蓄电池，2003，33(6)：366-368．
[7] 胡明辉，秦大同，舒红．混合动力汽车蓄电池的快速充电方法．重庆大学学报(自然科学版)，2004，27(11)：1-3．
[8] 徐杭田，董国保，杨林．船用蓄电池快速充电技术的改进．机电设备，2000，1：23-25．．
[9] 杨旭，赵志伟，王兆安．移相全桥型零电压软开关电路谐振过程的研究．电力电子技术，1998，3：36-38．
[10] 郝振宁，王洪庆．基于DSP的移相全桥变换器的研究．电气传动，2007，37(1)：26-29．
[11] 李凯，郝瑞祥，游小杰等．基于DSP的人功率高频开关电镀电源的研究．通信电源技术，2006，23(1)：28-30．
[12] 钟钧宇．基于单周期控制的移相全桥谐振变换器．开关电源技术，2006，6：5-8．
[13] 童诗白，华成英等．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2001．
[14] 王兆安，黄俊．电力电子技术．北京：机械工业出版社，2000．
[15] 沈红卫．单片机应用系统设计实例与分析．北京：北京航空航大大学出版社，2003．
[16] 王维平，江渝，邓力．TMS320LF240X DSP C语言开发应用．北京：北京航空航天大学出版社，2003．
[17] 倪海东，降玉萍．高频开关电源集成控制器．北京：机械工业出版社，2005．
[18] 黄济青，黄小军．通信高频开关电源．北京：机械工业出版社，2004．
[19] 刘和平，严利平，张学峰等．TMS320LF240X DSP结构、原理及应用．北京：北京航空航天大学出版社，2002．
[20] 张峰，王慧贞．智大功率汽车充电器的电路特点与研究重点．南京：西南京航空航天大学，2006．
[21] 梁志刚．基于DSP的移相全桥DC／DC变换器相关问题研究：(硕士学位论文)．浙江：浙江大学，2006．
[22] 陈警．数字化移相全桥ZVZCS直流变换器的研究：(硕士学位论文)．南京：华中科技大学，2004．
[23] 洪峰．数字控制移相全桥软开关变换器：(硕士学位论文)．南京：南京航空航天，2004．
[24] BVlatko Vlakovic, Juan A. Sabate et al. Small_Signal Analysis of the Phase_Shifted PWM Converter. IEEE transactions on power electronics, January 1992,7(3):110-113.
[25] John G. Hayes, Michael et al. Wide-Load-Range Resonant Converter Supplying the SAC J-1773 Electric Vehicle Inductive Charging Interface. IEEE transactions on power electronics. 1999,35(4):356-361.
[26] BS. Lan, P.Y. Woo. Linearization and pid paraneters design for nonlinear systems, orko H, Bernier C L. Indexing concepts and methods. Illinois:Department of Electrical Engineering Northern Illinois University OeKalb, 1992,56(8):732-736.
[27] V. Delli Colli, R. Di Stefano, F. Marignetti. DSP Controlled Soft-Switching Full-Bridge DC-DC Converter. Industrial Electronics Laboratory, 2002,33:754-759.
[28] L.H. Keel, J.I. Rego, S.P. Bhattacharyya. h new approach to digital PID controller design. IEEE transactions on automatic control, 2003,48(4):561-565.
[29] 马忠梅，籍顺心，张凯等．单片机的C语言应用程序设计．北京：北京航空航天大学出版社，2003．
[30] 北京闻亭科技发展有限公司．TMS320LF240X DSP高速数字信号处理器原理及应用．北京：机械工业出版社，1998．
[31] Kiam Heong Ang, Gregory, Yun Li. PID control system analysis design and technology. IEEE transactions on control systems technology, 2005,13(4):444-447.
[32] 李腾飞．基于DSP的高压直流开关电源的研制：(硕士学位论文)．大连：大连理工大学，2006．
[33] 谢剑英，贾青．微型计算机控制技术．北京：国防工业出版社，2001．
[34] 武瑛．新型无接触供电系统的研究：(博士学位论文)．北京：中国科学院研究生院，2004．
[35] 毛赛君．非接触感应电能传输系统关键技术研究：(硕士学位论文)．南京：南京航空航天大学，2006．
[36] 谭启泉．一种新型无线感应系统理论及其应用：(博士学位论文)．成都：西南交通大学，2003．
[2] 王源．电动汽车用动力铅酸蓄电池快速充电技术研究：(硕士学位论文)．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006．
[3] 冯义．一种智能充电系统的初步研究：(硕士学位论文)．北京：中国农业大学，2000．
[4] 马云波．一种新型脉冲式快速充电装置．机电设备，2002，4：15-18．
[5] 刘玉杰，姜印平，孟祥适．关于快速脉冲充电技术的研究．蓄电池，2003，2：71-73，76．
[6] 王坚．慢速脉冲快速充电控制电池极化的研究．蓄电池，2003，33(6)：366-368．
[7] 胡明辉，秦大同，舒红．混合动力汽车蓄电池的快速充电方法．重庆大学学报(自然科学版)，2004，27(11)：1-3．
[8] 徐杭田，董国保，杨林．船用蓄电池快速充电技术的改进．机电设备，2000，1：23-25．．
[9] 杨旭，赵志伟，王兆安．移相全桥型零电压软开关电路谐振过程的研究．电力电子技术，1998，3：36-38．
[10] 郝振宁，王洪庆．基于DSP的移相全桥变换器的研究．电气传动，2007，37(1)：26-29．
[11] 李凯，郝瑞祥，游小杰等．基于DSP的人功率高频开关电镀电源的研究．通信电源技术，2006，23(1)：28-30．
[12] 钟钧宇．基于单周期控制的移相全桥谐振变换器．开关电源技术，2006，6：5-8．
[13] 童诗白，华成英等．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2001．
[14] 王兆安，黄俊．电力电子技术．北京：机械工业出版社，2000．
[15] 沈红卫．单片机应用系统设计实例与分析．北京：北京航空航大大学出版社，2003．
[16] 王维平，江渝，邓力．TMS320LF240X DSP C语言开发应用．北京：北京航空航天大学出版社，2003．
[17] 倪海东，降玉萍．高频开关电源集成控制器．北京：机械工业出版社，2005．
[18] 黄济青，黄小军．通信高频开关电源．北京：机械工业出版社，2004．
[19] 刘和平，严利平，张学峰等．TMS320LF240X DSP结构、原理及应用．北京：北京航空航天大学出版社，2002．
[20] 张峰，王慧贞．智大功率汽车充电器的电路特点与研究重点．南京：西南京航空航天大学，2006．
[21] 梁志刚．基于DSP的移相全桥DC／DC变换器相关问题研究：(硕士学位论文)．浙江：浙江大学，2006．
[22] 陈警．数字化移相全桥ZVZCS直流变换器的研究：(硕士学位论文)．南京：华中科技大学，2004．
[23] 洪峰．数字控制移相全桥软开关变换器：(硕士学位论文)．南京：南京航空航天，2004．
[24] BVlatko Vlakovic, Juan A. Sabate et al. Small_Signal Analysis of the Phase_Shifted PWM Converter. IEEE transactions on power electronics, January 1992,7(3):110-113.
[25] John G. Hayes, Michael et al. Wide-Load-Range Resonant Converter Supplying the SAC J-1773 Electric Vehicle Inductive Charging Interface. IEEE transactions on power electronics. 1999,35(4):356-361.
[26] BS. Lan, P.Y. Woo. Linearization and pid paraneters design for nonlinear systems, orko H, Bernier C L. Indexing concepts and methods. Illinois:Department of Electrical Engineering Northern Illinois University OeKalb, 1992,56(8):732-736.
[27] V. Delli Colli, R. Di Stefano, F. Marignetti. DSP Controlled Soft-Switching Full-Bridge DC-DC Converter. Industrial Electronics Laboratory, 2002,33:754-759.
[28] L.H. Keel, J.I. Rego, S.P. Bhattacharyya. h new approach to digital PID controller design. IEEE transactions on automatic control, 2003,48(4):561-565.
[29] 马忠梅，籍顺心，张凯等．单片机的C语言应用程序设计．北京：北京航空航天大学出版社，2003．
[30] 北京闻亭科技发展有限公司．TMS320LF240X DSP高速数字信号处理器原理及应用．北京：机械工业出版社，1998．
[31] Kiam Heong Ang, Gregory, Yun Li. PID control system analysis design and technology. IEEE transactions on control systems technology, 2005,13(4):444-447.
[32] 李腾飞．基于DSP的高压直流开关电源的研制：(硕士学位论文)．大连：大连理工大学，2006．
[33] 谢剑英，贾青．微型计算机控制技术．北京：国防工业出版社，2001．
[34] 武瑛．新型无接触供电系统的研究：(博士学位论文)．北京：中国科学院研究生院，2004．
[35] 毛赛君．非接触感应电能传输系统关键技术研究：(硕士学位论文)．南京：南京航空航天大学，2006．
[36] 谭启泉．一种新型无线感应系统理论及其应用：(博士学位论文)．成都：西南交通大学，2003．