基于DSP的電動車數(shù)字充電系統(tǒng)的研究與設計

李國洪，馬冬濤

（天津理工大學 天津市復雜系統(tǒng)控制理論及應用重點實驗室，天津 300384）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人們的生活節(jié)奏逐漸加快，電動車以其便捷、輕巧、低碳環(huán)保的優(yōu)勢受到越來越多的人喜愛。充電器作為電動車補充能源的裝置，是電動車的重要組成部分，其性能穩(wěn)定與否，關系到電動車的使用安全與使用壽命。

電動車的充電器實際上是一種能夠實現(xiàn)恒流恒壓模式充電的智能開關電源。由于DSP具有控制靈活、具有通信接口等諸多優(yōu)點，應用在電動車充電電源領域具有諸多的優(yōu)勢，因此研究DSP數(shù)字充電系統(tǒng)具有應用價值和現(xiàn)實意義。

1 硬件電路設計

硬件電路總體結構如圖1所示。

圖1 充電器整體結構框圖

1.1 主功率電路的設計

本電源用于給電動汽車動力電池充電，設計最大輸出電壓為400VDC，最大輸出電流為8A，選擇全橋拓撲結構，如圖2所示。

圖2 全橋式DC-DC變換器電路

功率主電路選用4只MOSFET作為開關管組成全橋電路。在電路的滯后橋臂上加上電容Ca1、Ca2，電感La及二級管VDa1、VDa2，并與滯后臂MOSFET并聯(lián)電容構成輔助諧振網(wǎng)絡。電路中的變壓器輸入回路中C5為隔直電容。Lin為滯后臂諧振電感，配合滯后臂諧振網(wǎng)絡實現(xiàn)軟開關控制。

1.2 EMI濾波器電路設計

傳統(tǒng)EMI電路存在一些缺陷。與電容器相連的引線電感或電極產生的串聯(lián)等效電感，會嚴重影響濾波器在高頻下的性能，還會導致旁通效應和諧振頻率的降低。針對這種情況，本文采用在Cy兩端分別并聯(lián)一個電感L0，如圖3所示。這樣由電容器流入地線的電流和信號線中的電流方向正交，減小了寄生電感。

圖3 改進后的EMI濾波器

1.3 保護電路的設計

1.3.1 溫度檢測電路

為了防止電源溫度過高發(fā)生意外，需要對系統(tǒng)溫度進行實時監(jiān)控，當溫度高于50oC或低于-20oC自動停止充電。本系統(tǒng)采用NTC溫度傳感器，它的特點是靈敏度高，響應速度快，符合本設計要求。溫度檢測電路如圖4所示。

圖4 溫度檢測電路

1.3.2 過電流保護

為了防止因短路故障造成的過流燒壞功率管，利用電流互感器檢測變壓器原邊電流，感應電流經(jīng)整流后，由R1、R2轉換為電壓信號。若主電路出現(xiàn)大電流，則R1兩端電壓升高，二極管D5導通，將高電平信號引到DSP電流檢測端，停止主功率管的驅動脈沖輸出。

圖5 過電流保護電路

1.4 控制電路的設計

控制電路采用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片作為主控制器。DSP不但具有強大的數(shù)字信號處理能力，而且還具有完善的事件管理能力和嵌入式控制能力，廣泛應用在大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合。

1.4.1 采樣電路設計

本系統(tǒng)設計開關電源需要同時對電壓和電流進行控制，故需要對電壓和電流分別進行采樣，并將輸出電壓和電流信號調整滿足DSP芯片AD采樣的要求。電壓采樣可以通過電阻分壓電路獲得，如圖6所示。電流采樣選用CHF-300E型號的霍爾傳感器，如圖7所示。

圖6 電壓采樣電路

圖7 電流采樣電路

1.4.2 驅動電路

為了保證開關電源的較高的開關頻率，可以選用IGBT或MOSFET功率開關管，本系統(tǒng)為了降低成本，選用MOSFET功率管。MOSFET屬于電壓型器件，驅動電路相對簡單，本系統(tǒng)采用光電耦合器TLP250實現(xiàn)隔離及放大作用。TLP250的輸入電壓范圍10V～35V，輸出電流±1.5A，開通時間約為0.5微秒，隔離電壓大于2500V，符合本設計要求。驅動電路如圖8所示。

圖8 MOSFET管驅動電路

2 軟件設計

2.1 主程序設計

控制程序的主要部分是中斷，主程序進行系統(tǒng)初始化、開中斷和等待中斷。主程序流程圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

2.2 PI算法的設計

對于一般的基于DSP控制的開關電源，采用PI控制即可滿足設計需求。PI調節(jié)器的增量型計算公式為：

參數(shù)α、β的值是通過大量實驗整定的。

PI調節(jié)子程序的工作過程：初始化ADC寄存器；設置每個開關周期采樣次數(shù)為100次；求出一個開關周期的電壓均值和預設值之間的誤差e；如果e小于1%則忽略誤差，若大于1%則進入PI調節(jié)，直至誤差縮小到允許范圍。

2.3 ADC程序設計

ADC初始化在主程序中完成，設置采樣頻率為300kHz，采用中斷方式。中斷服務程序主要完成對輸出電壓、電流信號的AD轉換并對結果進行均值濾波，而后進行 PI運算，根據(jù)PID輸出修改PWM的移相角度。ADC中斷服務子程序流程圖如圖10所示。

圖10 ADC中斷服務子程序

2.4 CAN通信程序設計

CAN模塊是TMS320F2812芯片上內嵌的增強型CAN控制器。模塊初始化程序在系統(tǒng)初始化中完成，CAN總線用于對電源的控制并對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。CAN的發(fā)送程序與定時器保持同步，電源每隔1秒鐘將一幀當前狀態(tài)幀發(fā)送到總線，為了確保電源實時響應控制命令，故CAN的接收程序采用中斷方式實現(xiàn)。由于發(fā)送程序每隔1秒鐘才發(fā)送一次狀態(tài)幀，為了使CAN總線及時反饋用戶發(fā)送的命令，CAN每次接收到信息之后，都要立即把一幀的當前狀態(tài)幀發(fā)送到總線。CAN發(fā)送和接收子程序如圖11所示。

圖11 CAN發(fā)送與接收子程序

3 實驗結果分析

根據(jù)要求設計了樣機并且做了實驗驗證。充電系統(tǒng)輸入端接220V市電，控制器CAN口與PC端USB連接。從圖12可以看出，波形沒有開通尖峰，基本無毛刺，在功率管開關時實現(xiàn)了ZVS軟開關。圖13可以看出輸出電壓平滑穩(wěn)定，紋波基本在0.5%一下，輸出的直流電壓基本達到設計要求。

圖12 充電實驗變壓器副邊波形

圖13 開關電源大負載穩(wěn)壓輸出波形

4 結束語

研究設計了基于DSP TMS320F2812微處理器，結合DSP數(shù)字控制技術，采用增量式PI控制算法，設計了一款400V/8A的開關電源。完成電路板設計，測試其輸出電壓波形進行分析，通過不斷地在線調試得到理想的效果，驗證了方案的可行性。

[1] 李國洪,李志永.基于DSP的車載充電機的設計與實現(xiàn)[J].電源技術,2014,1:116-119.

[2] 高凱.數(shù)字開關電源的研究與設計[D].江西:華東交通大學,2013.

[3] 顧衛(wèi)鋼.手把手教你學DSP[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.

[4] 潘亞培.基于DSP的高頻開關電源設計與實現(xiàn)[D].江蘇:南京理工大學,2013.

[5] 李燕.電動自行車用鋰電池充電器設計[D].河南:河南師范大學,2012.