《電子技術(shù)應用》
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機車蓄電池充放電檢測控制系統(tǒng)的設計與研究
來源:電子技術(shù)應用2014年第8期
張敏三1,2,吳海波2
(1.湖南大學 電氣工程學院,湖南 長沙410083; 2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院,湖南 株洲4120
摘要: 對機車蓄電池充放電檢測控制系統(tǒng)進行研究和設計,基于DSP-TMS320F2812PGFA平臺,外部擴展了CPLD、SRAII、雙口RAM等,完成了整個控制系統(tǒng)的硬件設計。軟件設計分為上位機軟件和下位機軟件設計兩個部分,對檢測系統(tǒng)的參數(shù)和檢測數(shù)據(jù)的存儲、顯示以及整個控制系統(tǒng)的運行邏輯進行了設計,完成了一款具有能量雙向流動、網(wǎng)側(cè)電流正弦化、功率因數(shù)高、功率靈活調(diào)控特點的檢測控制裝置。測試結(jié)果表明,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)通信采用符合CAN2.0A/B協(xié)議的隔離的CAN總線接口,可靠性高。
中圖分類號: TM912.3
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)08-0062-03
Design and research of locomotive battery charge and discharge control system
Zhang Minsan1,2,Wu Haibo2
1.School of Information Engineering,Hunan University,Changsha 410083,China;2.Hunan Railway Professional Technology College, Zhuzhou 412001,China
Abstract: Locomotive battery charge and discharge control system was designed and researched in this paper. Based on DSP- TMS320F2812PGFA platform, the external CPLD, SRAII, dual port RAM were expanded, and the hardware design of the whole control system was completed. The software design was divided into upper and lower machine software design. The logic of the operation parameter design and test data of detection system of storage and display, and the whole control system were designed. Finally,a detection control device with characteristics of the two-way flow of energy, the net side current sinusoidal, high power factor and power control was completed. The test results show that the system runs steadily,and isolated CAN bus interface data communication used with CAN2.0A/B protocol was with high reliability.
Key words : battery charge and discharge system;DSP;CAN bus;power factor

      傳統(tǒng)的蓄電池充放電控制裝置大部分采用比較低端的控制芯片,如51系列單片機,或功能簡單的CPLD器件[1-2]。51系列單片機功能單一,速度慢,在數(shù)據(jù)處理上具有先天的劣勢,在上下位機的系統(tǒng)中,其所支持的通信方式無法滿足高速采集系統(tǒng)的要求。而功能比較單一的CPLD器件在價格上有一定的優(yōu)勢,但隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理能力的不斷提升,對系統(tǒng)的要求越來越高。本文對機車蓄電池充放電檢測控制系統(tǒng)的設計是基于DSP-TMS320F2812PGFA平臺,外部擴展了CPLD、SRAII、雙口RAM等,完成了整個控制系統(tǒng)的硬件設計,軟件設計分為上位機和下位機軟件設計兩個部分,對檢測系統(tǒng)的參數(shù)和檢測數(shù)據(jù)的存儲、顯示以及整個控制系統(tǒng)的運行邏輯進行了設計,完成了一款具有能量雙向流動、網(wǎng)側(cè)電流正弦化、功率因數(shù)高、功率靈活調(diào)控特點的檢測控制裝置[3-4]。測試結(jié)果表明,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)通信采用符合CAN2.0A/B協(xié)議的隔離的CAN總線接口,具有較高可靠性。
1 系統(tǒng)原理
    整個蓄電池充放電裝置的原理框圖如圖1所示。本文的設計主要針對控制系統(tǒng)。

圖1  蓄電池充放電裝置圖


    控制系統(tǒng)主要負責對DC/DC電路、PWM整流器進行相關控制,采集傳感器的相關信號。DC/DC變換器的主要作用是將外部被試直流電源的直流電壓轉(zhuǎn)變到系統(tǒng)運行要求的值域范圍內(nèi),此外將對輸入功率進行調(diào)節(jié)和控制,DC/DC變換器前端設計的熔斷器和真空繼電器是為了提高系統(tǒng)的可靠性;PWM整流器則將DC/DC變換器輸出的穩(wěn)定直流電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟妷海桓綦x變壓器實現(xiàn)蓄電池充放電裝置與電網(wǎng)的隔離,提高試驗系統(tǒng)的安全性能,保障操作者的人身安全,提高蓄電池充放電裝置對被試電源的適應性[9-10]。隔離變壓器與交流電網(wǎng)之間的濾波器和斷路器則是為了濾除PWM整流器工作產(chǎn)生的高頻諧波污染和在需要時將蓄電池充放電裝置從電網(wǎng)中完全切除。
2 控制系統(tǒng)的硬件設計
2.1 控制系統(tǒng)硬件總體設計
    硬件設計采用DSP-TMS320F2812PGFA為核心,實現(xiàn)反饋信號的處理、A/D轉(zhuǎn)換、DC/DC變換器和PWM整流器控制脈沖的產(chǎn)生、系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)視和控制、故障保護和存儲、RS485通信等功能,外部擴展了CPLD、SRAII、雙口RAM、四通道14位A/D轉(zhuǎn)換器、四通道12位D/A轉(zhuǎn)換器等,利用CPLD實現(xiàn)了16路數(shù)字輸入通道和16路數(shù)字輸出通道,另外還具有16路PWM輸出通道、八路模擬信號輸入及處理電路,對外串行接口包括符合CAN2.0A/B協(xié)議的隔離的CAN總線接口、符合USBI.1協(xié)議的USB總線接口、SPI同步串口等。
    控制系統(tǒng)的整個結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2  控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖


2.2 接觸器電路的設計
    接觸器線圈電壓為AC 220 V。接觸器控制板的電路原理圖如圖3所示。
    接觸器的總體控制如圖4所示。其中K1為輔助觸頭,用于構(gòu)成自鎖電路。另一個輔助觸頭用于向控制系統(tǒng)輸送啟動命令。

圖3  接觸器控制板的電路原理圖

 

圖4  控制器總體控制圖


2.3 電壓傳感器板的設計
    電壓傳感器板用于蓄電池電壓和中間電壓的檢測,同時完成與其他傳感器的接口。電壓反饋采用LV25-P。測量蓄電池電壓:按220 V/10 mA設計,輸出關系200 V-25 mA;測量中間直流環(huán)節(jié)電壓:按400 V/10 mA設計,輸出關系400 V-25 mA。在F2812控制板中,對應的采樣電阻降電流變換為3 V電壓,電阻大小為120.0 Ω。F2812控制板上的采樣電阻應為精度在0.5%以上的高精度電阻,其最大功耗為25 mA×3 V=0.075 W,所以可采用0.5 W電阻。
2.4 網(wǎng)側(cè)濾波器電路的設計
    網(wǎng)側(cè)采用形式為LCL的T型濾波電路??拷娋W(wǎng)側(cè)的電感采用變壓器的漏感,濾波電容串接阻尼電阻接地。其示意圖如圖5所示。

圖5  網(wǎng)側(cè)T型濾波電路圖


    變壓器二次側(cè)線壓有效值為167 V,直流電壓為300 V。SVPWM各主要諧波隨調(diào)制比的增大而增大,6 kHz附近諧波幅值增大,諧波情況也更惡劣。因此電感值設計應選擇在最大調(diào)制比處。
3 控制系統(tǒng)的軟件設計
    本控制系統(tǒng)的軟件設計分為下位機軟件設計和上位機軟件設計兩大部分。
3.1 下位機軟件設計
    下位機軟件主要包括以下模塊:DC/DC變換處理程序、電壓相序等中斷處理程序、功率保護處理程序、系統(tǒng)故障檢測與處理程序以及相關輔助器件等的控制程序等。其中主函數(shù)的設計流程圖如圖6所示。

圖6  主函數(shù)流程圖


    系統(tǒng)的初始化函數(shù)包括中斷初始化、I/O口初始化、工作初始化、外設初始化、用戶自定義程序初始化和中斷地址初始化。在主函數(shù)運行前,必須完成系統(tǒng)的初始化工作。
    網(wǎng)壓捕獲函數(shù)的軟件設計流程圖如圖7所示。

圖7  網(wǎng)壓捕獲函數(shù)流程圖


3.2 上位機軟件設計
    整個上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要包括電源監(jiān)控、參數(shù)設置以及工作輸出指示。而人機界面主要是對監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)設置、模式設置等提供輸入,并通過LCD等顯示當前的一些運行狀態(tài)以及進行操作指示。
    蓄電池充放電裝置監(jiān)控系統(tǒng)上位機界面中顯示4臺蓄電池充放電裝置的輸出電壓/電流、已充放電次數(shù)等。
4 裝置試驗及試驗數(shù)據(jù)
    試驗前必須做好實驗準備,包括查線、相位檢測、變流單元檢查、整機檢查與上電準備,確保儀器能正常、安全運行。
    實驗分為空載實驗、負載試驗、放電試驗和溫升試驗四部分。在試驗的基礎上,可以通過上位機監(jiān)測,測得充電工況下輸出側(cè)的波形質(zhì)量分析數(shù)據(jù),如表1所示。
    本文介紹了對機車蓄電池充放電檢測控制系統(tǒng)的設計與研究,并在整個控制系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計的基礎上,完成了一款具有能量雙向流動、網(wǎng)側(cè)電流正弦化、功率因數(shù)高、功率可靈活調(diào)控的檢測控制裝置。經(jīng)過測試,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)通信采用符合CAN2.0A/B協(xié)議的隔離的CAN總線接口,可靠性高。系統(tǒng)實際輸出電壓為109.988 V,輸出電壓穩(wěn)定度高,穩(wěn)定精度達到0.09%;紋波僅為0.85%,網(wǎng)側(cè)的功率因素接近1,而輸出電壓總諧波畸變小于僅為3.3,諧波污染小,具有良好的市場前景。
參考文獻
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(收稿日期:2014-03-03)  
作者簡介:
    張敏三,男,1957年生,高級工程師,主要研究方向:電工電子、自動化控制。
    吳海波,男,1979年生,碩士,副教授,主要研究方向:計算機應用、工業(yè)機器人。

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