【正文】 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 38 附錄 A 系統(tǒng)電路圖 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 1 。是的，自己的收獲是大于自己耗費(fèi)的能量的，這是值得的。無論是在理論學(xué)習(xí)階段，還是在論文的選題、資料查詢、開題、研究和撰寫的環(huán)節(jié)，老師都是有問必答，有求必應(yīng)，這為學(xué)生著想之心清晰可見。其次，十分感激李建英教授在設(shè)計(jì)過程中提供的莫大幫助。在此，首先我要感謝父母給予我入大學(xué)的機(jī)會(huì)。 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，樣機(jī)具有高效節(jié)能無污染的優(yōu)點(diǎn)。軟件設(shè)計(jì)注重高效的代碼率 ，快速的響應(yīng)速度與實(shí)時(shí)性等。 軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的核心。再給控制電路的設(shè)計(jì)，包括采樣電路、保護(hù)電路、 PWM 接口電路、驅(qū)動(dòng)電路等。 詳細(xì)介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。并在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析三相電壓型 PWM 整流器，分析其一般數(shù)模型與 dq 數(shù)學(xué)模型。裝置具有節(jié)能環(huán)保、對(duì)網(wǎng)側(cè)諧波污染少的優(yōu)點(diǎn)。 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 34 結(jié)束語 本文研究與設(shè)計(jì)基于 PWM 的蓄電池充放電裝置，用于蓄電池的生產(chǎn)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池整流充電和逆變放電雙重功能，解決傳統(tǒng)充放電裝置存在的網(wǎng)側(cè)功 率因數(shù)低、諧波污染嚴(yán)重、裝置體積龐大、能量浪費(fèi)等缺點(diǎn)。充電電流在主電路、采樣電路和程序中有不同的表現(xiàn)形式，如圖 所示： 圖 充電電流在主電路、采樣電路和程序中的表現(xiàn)形式 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 33 在主電路中實(shí) 際充電電流為 xA，經(jīng) A/D 采樣調(diào)理電路得到 yV 電壓，經(jīng) TMS320F28035 采樣得到數(shù)值 z（程序中用寄存器 Idctemp 存起來），進(jìn)一步得到采樣電流的 Q12 格（程序中用寄存 Idc 存起來）。每個(gè) SOC 采樣完成以后都會(huì)產(chǎn)生 EOC 信號(hào)，本程序中用 E。 A/D 初始化配置成軟件觸發(fā)方式，觸發(fā)信號(hào)來了以后，啟動(dòng) SOC0~13 的 A/D 采樣，分別采樣 ADCINA5~ADCINA4， A/D 采樣采用 SOC 方式進(jìn)行管理，能實(shí) 現(xiàn)對(duì)同一通道進(jìn)行重復(fù)采樣提高采樣的精度。捕獲單元選用的定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率為 60M，前后兩次捕獲到的值之差即為電網(wǎng)周期（還要考慮到溢出），用 T 表示，如果電網(wǎng)周期剛好為 ，則： PWM1 定時(shí)器中斷選用的定時(shí)器也同樣為 60M，周期寄存器值為 PWM 周期的一半，用 p 表示。各部分功能簡(jiǎn)要概述如下： ecap1_isr( )對(duì)電壓進(jìn)行鎖相控制，求出三相整流 橋 PWM1 周期值； epwm1_timer_isr( )軟件觸發(fā) A/D 采樣，微調(diào) PWM1 周期值； adc1_isr( )讀取 A/D 采樣值，并轉(zhuǎn)化為計(jì)數(shù)需要的 Qn 格式； xint1_isr( )IGBT 過流或電容電壓過高時(shí)產(chǎn)生保護(hù)，封鎖驅(qū)動(dòng)； xint2_isr( )IGBT 過熱時(shí)產(chǎn)生保護(hù)，封鎖驅(qū)動(dòng)； epwm6_timer_isr( )在 BUCK 電路工作時(shí)，軟件觸發(fā)充電電流 A/D 采樣； adc2_isr( )讀取 BUCK 充電電流 A/D 采樣值，并轉(zhuǎn)化為計(jì)數(shù)需 要的 Qn 格式； 程序流程如圖 所示： 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 29 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 30 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 31 電網(wǎng)周期與 PWM 周期的計(jì)算 這部分由捕獲中斷服務(wù)程序和 PWM 的計(jì)數(shù)值 CTR=0 中斷服務(wù)程序完成。主程序由初始化、工作模式管理、相序判斷、 calculate( )、 svpwm( )和 buck( )子程序組成，如圖 41 所示。各功能模塊詳細(xì)介紹清晰的說明了基于三相 PWM 整流器的蓄電池充放電系統(tǒng)的工作原理。而從 N23_4 輸出的高電平有 5V，不能直接接到 TMS320F28035 的 CAN 接收腳，因而需要將 5V 電壓轉(zhuǎn)化成為 電壓。 圖 相序檢測(cè)電路圖 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 27 CAN 通信接口電路設(shè)計(jì) 圖 為以 N23 CTM8251T 為核心組成的 CAN 通信接口電路， CTM8251T 以 5V 為高電平，而 TMS320F28035 以 為高電平。相序檢測(cè)可在 PWM 工作之前完成。 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 26 圖 繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖 相序檢測(cè) 電路設(shè)計(jì) 為了使系統(tǒng)能在電網(wǎng)正序和反序時(shí)都能工作，需要增加相序檢測(cè)電路，圖 為相序檢測(cè)的硬件電路對(duì)比 GPIO12 和 Cap 的信號(hào)可知，只要 TMS320F28035 在一個(gè)周期內(nèi)檢測(cè)兩次 GPIO12 的電平極性，就能得知電網(wǎng)的相序。圖 313 為磁保持繼電器的驅(qū)動(dòng)電路，來自 TMS320F28035 的 IO 口的信號(hào)先經(jīng)過 N14 非門進(jìn)行反向放大到 5V 電平，再由 N1820xxA 進(jìn)一步放大到 15V。上電之前，磁保持繼電器斷開，抑制浪涌電流。由電路可知，捕獲 y 的變化范圍是 0~3，相應(yīng)地， x 的變化范圍是 ~，輸入輸出為線性關(guān)系?？紤]蓄電池充放電裝置使用的電網(wǎng)畸變通常比較大，采樣 RC 延遲是很有必要的。為了避免由于干擾而造成誤過零，采樣 R6 R64 和 C48 構(gòu)成 RC 濾波電路，該 RC 濾波會(huì)產(chǎn)生 10 度左右的延時(shí)，將會(huì)在程序中進(jìn)行補(bǔ)償。 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 24 圖 交流側(cè)電流采樣電路圖 電網(wǎng)電壓過零檢測(cè)和電壓采樣電路設(shè)計(jì) 圖 能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓過零檢測(cè)和采樣。 圖 蓄電池電壓采樣電路 交流側(cè)電流采樣電路設(shè)計(jì) 本采樣電路采用 R9=470Ω 作為采樣電阻，設(shè)相電流的瞬時(shí)值為 x 安，輸入到TMS320F28035 的電壓為 y 伏， y 的變化范圍是 0~3，相應(yīng)地， x 的變化范圍是~，輸入輸出為線性關(guān)系。設(shè)蓄電池電壓為 x 伏， y 的變化范圍是 0~3，相應(yīng)地， x 的變化范圍是 ~，輸入輸出為線性關(guān)系。 圖 蓄電池電流采樣電路 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 23 蓄電池電壓采樣 電路設(shè)計(jì) 圖 蓄電池的電壓采樣電路，蓄電池的電壓通過電阻分壓作為 7800 輸入電壓。 圖 隔離運(yùn)放 7800 的輸入輸出特性 圖 為蓄電池電流采樣電路，采用 10A/150mV 的分流器與蓄電池串聯(lián)，分流器上的電壓經(jīng) RC 濾波后輸入到 7800 的 PIN2 與 PIN3，輸出腳 PIN6 與 PIN7 的電壓經(jīng)差分電路轉(zhuǎn)換成單極性電壓。 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 22 為了節(jié)約成本，本系統(tǒng)采用 7800 隔離運(yùn)放做電氣隔離。 蓄電池電流采樣電路設(shè)計(jì) 為了對(duì)整個(gè)裝置系統(tǒng)進(jìn)行控制，需要對(duì)一些電氣參量進(jìn)行隔離、變換、取樣、計(jì)算。而 TMS320F28035 的 7 對(duì) PWM 口有獨(dú)立的定時(shí) /計(jì)數(shù)器，能配置成同周期同相位的計(jì)數(shù)，作為三相整流橋的控制，也能配置成不周期和相位的計(jì)數(shù)，去控制獨(dú)立的 PWM 電路，使用更加靈活。而 TMS320F28035 則使用 32 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，即使不分頻，定時(shí)時(shí)間也可達(dá) 212/60M=。而 TMS320F28035 使用 單電源供電，比較方便，省去了專門的電源芯片。 TMS320F28035 的主頻為 60M，低于 TMS320F2812 的 120M 主頻，但已經(jīng)滿足控制要求。TMS320F28035 相 對(duì) 于 TMS320F2812 ,更 適 合 作 為電力電子控制芯片。15V—— 給采樣電路的 78L02 供電 +5V—— 給隔離運(yùn)放 7800 二次側(cè)和數(shù)字電路供電 +3V—— 給采樣電路提供基準(zhǔn)電壓 +5VP +5VP3—— 給隔離運(yùn)放 7800 一次側(cè)供電 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 20 圖 35 輔助電源電路圖 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 21 檢測(cè)控制電路設(shè)計(jì) TMS320F28035 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 在數(shù)字控制器中， DSP 芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的 DSP 指令，可以快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)算法，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力，為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)理想的解決方案，已經(jīng)成為電機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制的主流芯片。變壓器二次側(cè)輸出為兩組 9V 和帶有中心抽頭的 18V 交流電壓。輸出 177。 本系統(tǒng)中選取直流側(cè)電容參數(shù)為：電容量 2200uH，額定電壓 450V。若 VSR 直流電壓控制器采用 PI 調(diào)節(jié)器，則此時(shí) PI 調(diào)節(jié)器輸出飽和，這意味著三相 VSR 電流環(huán)將跟蹤最大幅效基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 19 電流。這一過程實(shí)際上是直流負(fù)載電流從零到額定電流的三相 VSR 負(fù)載擾動(dòng)過程。若忽略 VSR 交流側(cè)電阻 R ，考慮到三相 VSR 單位功率因數(shù)控制，電流過零時(shí)，電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì) Ea=0。 2) 濾除 PWM 整流器交流側(cè)諧波電流，從而實(shí)現(xiàn)交流側(cè)正弦波電流控制； 3) 使 PWM 整流器具有 Boost PWM 整流器 AC/DC 變換性能； 4) 使 PWM 整流器獲得一定的阻尼特性，從而有利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。交流側(cè)濾波電感的取值不僅會(huì)影響電流內(nèi)環(huán)的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)，而且還制約著 PWM 整流器的輸出功率、功率因數(shù)以及直流母線電壓。選取 IGBT 時(shí)，額定電流CEI 要跟據(jù)實(shí)際工作最大電流的 倍選取，額定電壓 CEU 要跟據(jù)實(shí)際工作最大反向電壓的 ~2 倍選取，并考慮 到散熱條件。 主電路設(shè)計(jì) 功率器件 IGBT 的選型 考慮到 PWM 整流器運(yùn) 行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，電網(wǎng)電壓 d =15%的波動(dòng)，整流器效率 h =90%，蓄電池最大電壓為 Udc=360V， PWM 整流器可運(yùn)行在充電和放電狀態(tài)，兩者功率不一致。 基于三相 PWM 整流器蓄電池充放電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 17 圖 31 基于 PWM 的蓄電池充放電裝置硬件系統(tǒng)示意圖 當(dāng)蓄電池電壓小于 160V 時(shí)， S1 斷開， S2 閉合，三相 PWM 整流橋進(jìn)行恒壓控制，穩(wěn)定電容電壓 Udc1 ， BUCK 電路對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流充電；當(dāng)蓄電池電壓大于 160V 時(shí)， S1 閉合， S2 斷開，三相 PWM 整流橋進(jìn)行恒流充放和恒壓充，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)和單位功率因數(shù)整流。保護(hù)電路分為電容電壓監(jiān)測(cè)、 IGBT 過流檢測(cè)和 IGBT 過溫保護(hù)電路三部分。過零檢測(cè)電路用于產(chǎn)生與電網(wǎng)同相的方波信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的鎖相控制，并將采樣量經(jīng)過調(diào)理電路進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為 0~3V 電壓，輸入到 TMS320F28035 的 A/D 口。 硬件系統(tǒng)構(gòu)成 基于 PWM 的蓄電池充放電裝置硬件系統(tǒng)如圖 31 所示，系統(tǒng)主電路由變比為