传统的蓄电池充放电控制装置大部分采用比较低端的控制芯片，如51系列单片机，或功能简单的CPLD器件[1-2]。51系列单片机功能单一，速度慢，在数据处理上具有先天的劣势，在上下位机的系统中，其所支持的通信方式无法满足高速采集系统的要求。而功能比较单一的CPLD器件在价格上有一定的优势，但随着嵌入式技术的发展和数据处理能力的不断提升，对系统的要求越来越高。本文对机车蓄电池充放电检测控制系统的设计是基于DSP-TMS320F2812PGFA平台，外部扩展了CPLD、SRAII、双口RAM等，完成了整个控制系统的硬件设计，软件设计分为上位机和下位机软件设计两个部分，对检测系统的参数和检测数据的存储、显示以及整个控制系统的运行逻辑进行了设计，完成了一款具有能量双向流动、网侧电流正弦化、功率因数高、功率灵活调控特点的检测控制装置[3-4]。测试结果表明，系统运行稳定，数据通信采用符合CAN2．0A/B协议的隔离的CAN总线接口，具有较高可靠性。
1 系统原理
    整个蓄电池充放电装置的原理框图如图1所示。本文的设计主要针对控制系统。

图1  蓄电池充放电装置图

    控制系统主要负责对DC/DC电路、PWM整流器进行相关控制，采集传感器的相关信号。DC/DC变换器的主要作用是将外部被试直流电源的直流电压转变到系统运行要求的值域范围内，此外将对输入功率进行调节和控制，DC/DC变换器前端设计的熔断器和真空继电器是为了提高系统的可靠性；PWM整流器则将DC/DC变换器输出的稳定直流电压逆变为三相交流电压；隔离变压器实现蓄电池充放电装置与电网的隔离，提高试验系统的安全性能，保障操作者的人身安全，提高蓄电池充放电装置对被试电源的适应性[9-10]。隔离变压器与交流电网之间的滤波器和断路器则是为了滤除PWM整流器工作产生的高频谐波污染和在需要时将蓄电池充放电装置从电网中完全切除。
2 控制系统的硬件设计
2.1 控制系统硬件总体设计
    硬件设计采用DSP-TMS320F2812PGFA为核心，实现反馈信号的处理、A/D转换、DC/DC变换器和PWM整流器控制脉冲的产生、系统运行状态的监视和控制、故障保护和存储、RS485通信等功能，外部扩展了CPLD、SRAII、双口RAM、四通道14位A/D转换器、四通道12位D/A转换器等，利用CPLD实现了16路数字输入通道和16路数字输出通道，另外还具有16路PWM输出通道、八路模拟信号输入及处理电路，对外串行接口包括符合CAN2．0A/B协议的隔离的CAN总线接口、符合USBI.1协议的USB总线接口、SPI同步串口等。
    控制系统的整个结构图如图2所示。

图2  控制系统的结构框图

2.2 接触器电路的设计
    接触器线圈电压为AC 220 V。接触器控制板的电路原理图如图3所示。
    接触器的总体控制如图4所示。其中K1为辅助触头，用于构成自锁电路。另一个辅助触头用于向控制系统输送启动命令。

图3  接触器控制板的电路原理图

图4  控制器总体控制图

2.3 电压传感器板的设计
    电压传感器板用于蓄电池电压和中间电压的检测，同时完成与其他传感器的接口。电压反馈采用LV25-P。测量蓄电池电压：按220 V/10 mA设计，输出关系200 V-25 mA；测量中间直流环节电压：按400 V/10 mA设计，输出关系400 V-25 mA。在F2812控制板中，对应的采样电阻降电流变换为3 V电压，电阻大小为120.0 Ω。F2812控制板上的采样电阻应为精度在0.5％以上的高精度电阻，其最大功耗为25 mA×3 V＝0.075 W，所以可采用0.5 W电阻。
2.4 网侧滤波器电路的设计
    网侧采用形式为LCL的T型滤波电路。靠近电网侧的电感采用变压器的漏感，滤波电容串接阻尼电阻接地。其示意图如图5所示。

图5  网侧T型滤波电路图

    变压器二次侧线压有效值为167 V，直流电压为300 V。SVPWM各主要谐波随调制比的增大而增大，6 kHz附近谐波幅值增大，谐波情况也更恶劣。因此电感值设计应选择在最大调制比处。
3 控制系统的软件设计
    本控制系统的软件设计分为下位机软件设计和上位机软件设计两大部分。
3.1 下位机软件设计
    下位机软件主要包括以下模块：DC/DC变换处理程序、电压相序等中断处理程序、功率保护处理程序、系统故障检测与处理程序以及相关辅助器件等的控制程序等。其中主函数的设计流程图如图6所示。

图6  主函数流程图

    系统的初始化函数包括中断初始化、I/O口初始化、工作初始化、外设初始化、用户自定义程序初始化和中断地址初始化。在主函数运行前，必须完成系统的初始化工作。
    网压捕获函数的软件设计流程图如图7所示。

图7  网压捕获函数流程图

3.2 上位机软件设计
    整个上位机监控系统主要包括电源监控、参数设置以及工作输出指示。而人机界面主要是对监控系统的参数设置、模式设置等提供输入，并通过LCD等显示当前的一些运行状态以及进行操作指示。
    蓄电池充放电装置监控系统上位机界面中显示4台蓄电池充放电装置的输出电压/电流、已充放电次数等。
4 装置试验及试验数据
    试验前必须做好实验准备，包括查线、相位检测、变流单元检查、整机检查与上电准备，确保仪器能正常、安全运行。
    实验分为空载实验、负载试验、放电试验和温升试验四部分。在试验的基础上，可以通过上位机监测，测得充电工况下输出侧的波形质量分析数据，如表1所示。
    本文介绍了对机车蓄电池充放电检测控制系统的设计与研究，并在整个控制系统的硬件设计和软件设计的基础上，完成了一款具有能量双向流动、网侧电流正弦化、功率因数高、功率可灵活调控的检测控制装置。经过测试，系统运行稳定，数据通信采用符合CAN2．0A/B协议的隔离的CAN总线接口，可靠性高。系统实际输出电压为109.988 V，输出电压稳定度高，稳定精度达到0.09%；纹波仅为0.85%，网侧的功率因素接近1，而输出电压总谐波畸变小于仅为3.3，谐波污染小，具有良好的市场前景。
参考文献
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(收稿日期：2014-03-03)  
作者简介：
    张敏三，男，1957年生，高级工程师，主要研究方向：电工电子、自动化控制。
    吴海波，男，1979年生，硕士，副教授，主要研究方向：计算机应用、工业机器人。