基于C8051 F005控制的蓄电池充放电系统

《自动化技术与应用》2005年第24卷第8期工业控制与应用
Industry Control and Applications
基于C8051F005控制的蓄电池充放电系统
周永鹏,邓中立
(华中科技大学控制科学与工程系,湖北　武汉　430074)
摘要:本文给出一种基于C8051F005控制的蓄电池充放电系统方案,分析了ACΠDC、DCΠDC主电路及其控制策略,给出了试验结果。

本系统显著降低对电网的谐波污染,功率因数接近1,满足绿色能源和节能设计要求。

关键词:C8051F005;整流逆变;数字PI D控制;功率因数
中图分类号:TP29　文献标识码:B　文章编号:100327241(2005)0820034203
Acc u m ulat or Rec harge a n d Dis c harge S ys te m
Bas e d o n C8051F005Co ntroller
ZH OU Yong2peng,DENG Zhong2li
(Huazhong University of Science and T echnology,Wuhan430074,China)
Abstract:This paper presents a scheme for accumulator’s recharge and discharge control system based on C8051F005C ontroller1By means of the proposed control,the harm onic contents are reduced and the power factor can approach unity1
K ey w ords:C8051F005;Rectifier and inverter;Digital PI D control;P ower factor
1　引言
为保证蓄电池质量,出厂前蓄电池厂商须对其进行几次充
放电处理。

目前,广泛采用晶闸管作整流逆变功率器件,该方式
能将电能馈送回电网,起节能作用,但其反馈回电网的电流波形
为方波,含有大量的高次谐波成分,对电网造成了谐波污染,运
行时电磁噪声大,并网功率因数低,且需要工人不时地监控管
理,增大了工人的劳动强度,智能化程度低。

本系统是以IG BT为主电路功率变换器件,以C8051F005单
片机为核心控制芯片,基于三相SPW M整流逆变方式,利用工控
机对系统进行监控管理的数模混合PI D控制的蓄电池充放电装置。

本系统交流侧三相市电输入通过次级为星形连接变压器降压至线电压220V,,稳定
380V直流母线输出,以精密锁相的正弦波电流实现电能变换,同时实现功率因数调节。

试验结果证明,本系统的控制方案显著降低对电网的谐波污染,满足绿色环保和节能设计要求,可靠性好,智能化程度高。

2　系统硬件结构及其原理
系统总体结构见图1。

系统原理上可划分两个子系统,即收稿日期:双向ACΠDC整流逆变主电路及其控制和DCΠDC充放电主电路及其控制。

(1)双向ACΠDC子系统主电路及其控制原理
ACΠDC整流逆变主电路[1]采用三相桥式全控整流电路结构,SPW M控制信号由ACΠDC控制板产生,控制六个IG BT的通断。

在蓄电池充电时通过三相PFC升压控制实现ACΠDC变换,将交流电网电压转换成DCΠDC子系统所需的稳定直流电压。

在蓄电池放电时通过三相PFC恒压逆变控制实现DCΠAC变换,将蓄电池释放的能量反馈回电网,同时,实现功率因数调节。

图1　系统结构框图
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此子系统采用电压、电流双闭环控制结构。

电压外环采用
C8051F005数字PI 算法实现,电流内环则采用模拟电路实现,以
确保电流控制的快速,提高系统工作的可靠性。

同时为了保持误差电流与给定相位一致,电流调节器采用比例控制。

见图2。

图2
　AC ΠDC 整流逆变控制框图
蓄电池充电时,输出电压Ud 低于给定值Ud 3,则电压调节器输出符号为正的Uc ,输入电压u 经过一个比例因子K u 后得到一个与u 同相的单位正弦Us ,Uc 与Us 的乘积作为电流给定i 3,与u 同相,控制i 跟随i 3,那么能量就能以单位功率因数从电网流向蓄电池,变流器工作在整流状态;蓄电池放电时,输出电压Ud 高于给定值Ud 3,则Uc 为负值,Uc 与Us 相乘得到与u 反向的电流给定i 3,控制i 跟随i 3,能量就能以单位功率因数从蓄电池流向电网,变流器工作在逆变状态。

电压外环产生输入电流给定i 3,它的幅值指明功率大小,符号决定功率流向,相位决定能量传递的功率因数;电流内环使输入电流跟踪给定,从而实现可逆单位功率因数变换。

(2)DC ΠDC 主电路及其控制原理DC ΠDC 主电路
[2]
及其控制见图3,实现系统的逆变直流电
能与蓄电池电能的转换,保证蓄电池充放电过程所要求的电流、电压和时间控制。

图3　DC ΠDC 充放电主电路及控制框图
在DC ΠDC 主电路中,Q1、D2构成Buck 变换器,由电源向电池供电,此时i 为正;Q2、D1构成Boost 变换器,由电池向电源反馈电能,此时i 为负。

为防止开关管发生直通现象,当电路工作在充电方式时,Q2始终处于关断状态,当电路工作在放电方式
时,Q1始终处在关断状态。

在DC ΠDC 控制中,采用双闭环控制结构[3]。

蓄电池有恒流
充电和恒压放电、恒流放电几种工作状态。

当对蓄电池进行恒流充电或恒流放电时,电流参考iref 接恒定的电流给定值ik ,当电池进行恒压充电时,电流参考iref 接入电压外环,采用
C8051F005实现数字PI 控制。

3　系统的软件实现
本系统采用cygnal 公司的C8051F005单片机作为核心控制芯片,它是最新的8位高速单片机,采用与8051兼容的流水线指令结构,指令执行速度可达25MIPS (时钟频率为25MH z 时),片内有32K F LASH 程序存储器、2K 内部RAM ,集成了J T AG 调试
电路,芯片内部的数字和模拟外设很丰富,在芯片内部集成了8通道12位ADC 和一个温度传感器、2个12位DAC 、一个电压基准、2个电压比较器、S M Bus ΠI2C 、UART 、SPI 总线接口、4个通用的
16位定时器、具有5个捕获Π比较模块的可编程计数器Π定时器
阵列(PC A )、一个内部振荡器、4个8位通用数字I ΠO 口。

(1)控制算法的实现
模拟PI D 调节器的控制规律为
u (t )=K p e (t )+1
T 1
∫
t
0e (t )dt +T D
de (t )dt
(1)
其中K P 为比例系数,T I 为积分时间常数,T D 为微分时间常数。

数字PI D 调节器的控制规律为
u (n )=K P e (n )+T
T 1
∑
n
i =1
e (i )+
T D
T
[e (n )-e (n -1)]+u 0
(2)
上式为位置型PI D 算法,软件实现不够方便,因为要累加偏差e (i ),不仅要占用较多的存储单元,而且不便于编程,为此对
(2)式进行改进。

得到下面的数字PI D 增量型控制算式为
Δu (n )=u (n )-u (n -1)
=K P [e (n )-e (n -1)]+K 1e (n )+K D [e (n )-2e (n -1)
　-e (n -2)]
=a 0e (n )+a 1e (n -1)+a 2e (n -2)(3)
u (n )=u (n -1)+u (n )
=u (n -1)+a 0e (n )+a 1e (n -1)+a 2e (n -2)
(4)由式(4)可见,按增量PI D 算法计算Δu (n )只需要保留现时刻及以前的两个偏差值e (n )、e (n -1)、e (n -2)。

初始化程序置
初值e (n -1)=e (n -2)=0,由中断服务程序对过程变量进行采样,并根据参数a 0、a 1、a 2以及e (n )、e (n -1)、e (n -2)计算Δu
(n )。

因为本系统所采用的电压外环为数字PI 算法,故a 2=0只
需要根据参数a 0、a 1以及e (n )、e (n -1)计算u (n )。

数字PI 算法如下式(5)
u (n )=u (n -1)+a 0e (n )+a 1e (n -1)
(5)
5
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数字PI 的算法其程序流程见图4。

图4　数字PI 算法流程图
(2)并口通讯的实现
基于C8051F005的控制板(下位机)是通过工控机(上位机)的IS A 插槽与其进行并口通讯的,用的是并口芯片82C55。

C8051F005单片机有32个通用的I ΠO ,它的引脚配置相当灵活,
却是以牺牲专用的功能引脚为代价的,没有专门的读写引脚,必须用软件来模拟通讯中的读写操作。

它与82C55的通讯连接见图5。

C8051F005的P1口作为8位并行数据口,P210引脚为读信号RD ,P211引脚为写信号WR ,P212、P213为82C55地址线
A0、A1,P2
14引脚为82C55片选信号CS 。

图5　并口通讯电路图
82C55的工作方式初始化为A 口为2方式,B 口0方式输
入,PC3～PC7为专用的联络信号线,其中PC3为中断信号线,因
82C55产生的中断信号为高电平,而C8051F005的外部中断为低
电平或下降沿触发,故须在配置为外部中断的引脚P010接一个反向器。

●C8051F005写8位数据到82C55的程序如下:
m ov P2,#0000xx11b ;片选82C55(P214=0,低有效);xx 表示片
选地址
m ov P1,#data ;写入82C55的数据为data clr P211;使能写信号,P1口的数据写到82C55
m ov P2,#00011111b ;写完一个数据后使片选信号、写信号无效
●类似地,从82C55读8位数据的程序如下:
m ov P2,#0000xx11b
clr P210;使能读信号,读入82C55的数据m ov A ,P1;从PI 端口读入数据放入累加器A m ov P2,#00011111b ;使片选、读信号无效
试验表明,此通讯方案稳定可行,传输数据正确可靠。

4　结果及结论
在AC ΠDC 侧,三相交流市电输入通过变压器降压至线电压
220V ,次级为星形连接,在给定直流母线电压Ud 3
为380V 的条
件下,实际输出的直流母线电压Ud 上升时间短,超调量小,可以稳定在380V 左右,波动极小,不到1%,具有良好的恒压品质,见图6。

在DC Π
DC 侧,恒压充电的给定值为80V ,实际测量的电
压也具有非常优良的恒压充电品质,
见图7。

图6　AC ΠDC 侧直流母线电压Ud
图7　DC ΠDC 侧恒压充电电压U
本文介绍的系统采用数模混合控制电路,即保证了快速性,也保证了精度。

因电池放电时是将电池能量反馈回电网,而不
是像传统方法用电阻消耗掉,故具有显著的节能效果。

理论分析和系统实验表明,此系统稳定可靠,并网功率因数接近1,对电网谐波污染极小,运行时电磁噪声较小,能很好地满足蓄电池充放电的要求,具有很强的实用价值。

5　参考文献:
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Systems[J ]1IEEE T ransactions On P ower E lectronics 12000,15(6):996-1006
[2]　BRY ANT ,B ;K AZIMIEREZ UK,M 1K 1Derivation of the buck -boost PW M DC -DC converter circuit topology[J ]1IEEE International Sym posium on Circuits and Systems ,2002,(5):841-844
[3]　朱士海,吴卫民,钱照明1一种新型高性能功率因数校正整流电路[J ]1电工电能新技术,2003,22(2):68-71
作者简介:周永鹏(1952-),男,,华中科技大学控制系硕士生导师,研究方向:电力电子与运动控制。

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3|Techniques of Automation &Applications 。