傳統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，在數據處理上具有先天的劣勢，在上下位機的系統中，其所支持的通信方式無法滿足高速采集系統的要求。而功能比較單一的CPLD器件在價格上有一定的優勢，但隨著嵌入式技術的發展和數據處理能力的不斷提升，對系統的要求越來越高。本文對機車蓄電池充放電檢測控制系統的設計是基于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，對檢測系統的參數和檢測數據的存儲、顯示以及整個控制系統的運行邏輯進行了設計，完成了一款具有能量雙向流動、網側電流正弦化、功率因數高、功率靈活調控特點的檢測控制裝置[3-4]。測試結果表明，系統運行穩定，數據通信采用符合CAN2．0A/B協議的隔離的CAN總線接口，具有較高可靠性。
1 系統原理
    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。

圖1  蓄電池充放電裝置圖

    控制系統主要負責對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變到系統運行要求的值域范圍內，此外將對輸入功率進行調節和控制，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的可靠性；PWM整流器則將DC/DC變換器輸出的穩定直流電壓逆變為三相交流電壓；隔離變壓器實現蓄電池充放電裝置與電網的隔離，提高試驗系統的安全性能，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之間的濾波器和斷路器則是為了濾除PWM整流器工作產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中完全切除。
2 控制系統的硬件設計
2.1 控制系統硬件總體設計
    硬件設計采用DSP-TMS320F2812PGFA為核心，實現反饋信號的處理、A/D轉換、DC/DC變換器和PWM整流器控制脈沖的產生、系統運行狀態的監視和控制、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轉換器、四通道12位D/A轉換器等，利用CPLD實現了16路數字輸入通道和16路數字輸出通道，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協議的隔離的CAN總線接口、符合USBI.1協議的USB總線接口、SPI同步串口等。
    控制系統的整個結構圖如圖2所示。

圖2  控制系統的結構框圖

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，用于構成自鎖電路。另一個輔助觸頭用于向控制系統輸送啟動命令。

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；測量中間直流環節電壓：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 網側濾波器電路的設計
    網側采用形式為LCL的T型濾波電路。靠近電網側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  網側T型濾波電路圖

    變壓器二次側線壓有效值為167 V，直流電壓為300 V。SVPWM各主要諧波隨調制比的增大而增大，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制比處。
3 控制系統的軟件設計
    本控制系統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。其中主函數的設計流程圖如圖6所示。

圖6  主函數流程圖

    系統的初始化函數包括中斷初始化、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。在主函數運行前，必須完成系統的初始化工作。
    網壓捕獲函數的軟件設計流程圖如圖7所示。

圖7  網壓捕獲函數流程圖

3.2 上位機軟件設計
    整個上位機監控系統主要包括電源監控、參數設置以及工作輸出指示。而人機界面主要是對監控系統的參數設置、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以及進行操作指示。
    蓄電池充放電裝置監控系統上位機界面中顯示4臺蓄電池充放電裝置的輸出電壓/電流、已充放電次數等。
4 裝置試驗及試驗數據
    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，可以通過上位機監測，測得充電工況下輸出側的波形質量分析數據，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的設計與研究，并在整個控制系統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、網側電流正弦化、功率因數高、功率可靈活調控的檢測控制裝置。經過測試，系統運行穩定，數據通信采用符合CAN2．0A/B協議的隔離的CAN總線接口，可靠性高。系統實際輸出電壓為109.988 V，輸出電壓穩定度高，穩定精度達到0.09%；紋波僅為0.85%，網側的功率因素接近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、工業機器人。