基于DSP的电动车数字充电系统的研究与设计

2015-07-07李国洪马冬涛

制造业自动化 2015年6期

关键词：子程序中断电感

李国洪，马冬涛

（天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384）

0 引言

随着社会的发展，人们的生活节奏逐渐加快，电动车以其便捷、轻巧、低碳环保的优势受到越来越多的人喜爱。充电器作为电动车补充能源的装置，是电动车的重要组成部分，其性能稳定与否，关系到电动车的使用安全与使用寿命。

电动车的充电器实际上是一种能够实现恒流恒压模式充电的智能开关电源。由于DSP具有控制灵活、具有通信接口等诸多优点，应用在电动车充电电源领域具有诸多的优势，因此研究DSP数字充电系统具有应用价值和现实意义。

1 硬件电路设计

硬件电路总体结构如图1所示。

图1 充电器整体结构框图

1.1 主功率电路的设计

本电源用于给电动汽车动力电池充电，设计最大输出电压为400VDC，最大输出电流为8A，选择全桥拓扑结构，如图2所示。

图2 全桥式DC-DC变换器电路

功率主电路选用4只MOSFET作为开关管组成全桥电路。在电路的滞后桥臂上加上电容Ca1、Ca2，电感La及二级管VDa1、VDa2，并与滞后臂MOSFET并联电容构成辅助谐振网络。电路中的变压器输入回路中C5为隔直电容。Lin为滞后臂谐振电感，配合滞后臂谐振网络实现软开关控制。

1.2 EMI滤波器电路设计

传统EMI电路存在一些缺陷。与电容器相连的引线电感或电极产生的串联等效电感，会严重影响滤波器在高频下的性能，还会导致旁通效应和谐振频率的降低。针对这种情况，本文采用在Cy两端分别并联一个电感L0，如图3所示。这样由电容器流入地线的电流和信号线中的电流方向正交，减小了寄生电感。

图3 改进后的EMI滤波器

1.3 保护电路的设计

1.3.1 温度检测电路

为了防止电源温度过高发生意外，需要对系统温度进行实时监控，当温度高于50oC或低于-20oC自动停止充电。本系统采用NTC温度传感器，它的特点是灵敏度高，响应速度快，符合本设计要求。温度检测电路如图4所示。

图4 温度检测电路

1.3.2 过电流保护

为了防止因短路故障造成的过流烧坏功率管，利用电流互感器检测变压器原边电流，感应电流经整流后，由R1、R2转换为电压信号。若主电路出现大电流，则R1两端电压升高，二极管D5导通，将高电平信号引到DSP电流检测端，停止主功率管的驱动脉冲输出。

图5 过电流保护电路

1.4 控制电路的设计

控制电路采用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片作为主控制器。DSP不但具有强大的数字信号处理能力，而且还具有完善的事件管理能力和嵌入式控制能力，广泛应用在大批量数据处理的测控场合。

1.4.1 采样电路设计

本系统设计开关电源需要同时对电压和电流进行控制，故需要对电压和电流分别进行采样，并将输出电压和电流信号调整满足DSP芯片AD采样的要求。电压采样可以通过电阻分压电路获得，如图6所示。电流采样选用CHF-300E型号的霍尔传感器，如图7所示。

图6 电压采样电路

图7 电流采样电路

1.4.2 驱动电路

为了保证开关电源的较高的开关频率，可以选用IGBT或MOSFET功率开关管，本系统为了降低成本，选用MOSFET功率管。MOSFET属于电压型器件，驱动电路相对简单，本系统采用光电耦合器TLP250实现隔离及放大作用。TLP250的输入电压范围10V～35V，输出电流±1.5A，开通时间约为0.5微秒，隔离电压大于2500V，符合本设计要求。驱动电路如图8所示。

图8 MOSFET管驱动电路

2 软件设计

2.1 主程序设计

控制程序的主要部分是中断，主程序进行系统初始化、开中断和等待中断。主程序流程图如图9所示。

图9 主程序流程图

2.2 PI算法的设计

对于一般的基于DSP控制的开关电源，采用PI控制即可满足设计需求。PI调节器的增量型计算公式为：

参数α、β的值是通过大量实验整定的。

PI调节子程序的工作过程：初始化ADC寄存器；设置每个开关周期采样次数为100次；求出一个开关周期的电压均值和预设值之间的误差e；如果e小于1%则忽略误差，若大于1%则进入PI调节，直至误差缩小到允许范围。

2.3 ADC程序设计

ADC初始化在主程序中完成，设置采样频率为300kHz，采用中断方式。中断服务程序主要完成对输出电压、电流信号的AD转换并对结果进行均值滤波，而后进行 PI运算，根据PID输出修改PWM的移相角度。ADC中断服务子程序流程图如图10所示。

图10 ADC中断服务子程序

2.4 CAN通信程序设计

CAN模块是TMS320F2812芯片上内嵌的增强型CAN控制器。模块初始化程序在系统初始化中完成，CAN总线用于对电源的控制并对其运行状态进行实时监控。CAN的发送程序与定时器保持同步，电源每隔1秒钟将一帧当前状态帧发送到总线，为了确保电源实时响应控制命令，故CAN的接收程序采用中断方式实现。由于发送程序每隔1秒钟才发送一次状态帧，为了使CAN总线及时反馈用户发送的命令，CAN每次接收到信息之后，都要立即把一帧的当前状态帧发送到总线。CAN发送和接收子程序如图11所示。