单片机开发,方案定制开发

单片机软硬件开发:0755-8398,9709

蓄电池大功率恒流放电系统设计

时间:2014-03-20 10:12点击:
摘 要: 为了解决采用固定电阻、电阻箱等传统负载对蓄电池进行恒流放电时的精度低、人为干扰因素大等问题,设计了以C8051F020单片机作为控制器、采用模糊PID控制方法、以功率MOSFET管作为放电负载的一种新型蓄电池恒流放电系统,能通过工控机的人机界面进行

摘  要: 为了解决采用固定电阻、电阻箱等传统负载对蓄电池进行恒流放电时的精度低、人为干扰因素大等问题,设计了以C8051F020单片机作为控制器、采用模糊PID控制方法、以功率MOSFET管作为放电负载的一种新型蓄电池恒流放电系统,能通过工控机的人机界面进行人机对话,并且能对放电过程进行实时监控、记录和分析。系统采用多个放电支路并联的设计思想,大大提高了蓄电池恒流放电功率,并且通过模糊PID控制,使系统放电的控制精度更高。
关键词: 蓄电池; 模糊PID; 单片机; 电流

    蓄电池在军事、铁路、通信、电力等各行各业都得到了广泛的应用,逐渐成为日常生活中非常重要的备用电源[1-2]。在蓄电池的生产和使用过程中,性能检测是一项必不可少的工作。对其进行恒流放电是研究蓄电池性能最为直接、有效的一种方法。目前对蓄电池进行放电的方法有:采用固定电阻、可变电阻、电阻箱等作为放电负载,这需要人工调节放电电流,控制精度低[3];采用开关电源升压电路的方法,通过调节占空比控制加在负载两端的电压, 这种方法开关损耗大, 电流有脉动[4]。
    为解决上述问题,研制了一套以功率MOSFET管作为电子负载,能够自动控制和监测整个放电过程,以足够的密度记录放电过程中电压、电流的变化,并能以图形化的界面显示的蓄电池性能综合测试仪。
1 总体设计
    蓄电池大功率恒流放电系统主要包括上位机、串口单元、控制单元、驱动单元、放电单元和数据采集单元等。图1为系统结构框图。

2 控制单元设计
    传统PID控制器的结构简单、精度高,在工业过程控制领域得到了广泛应用,并且取得了良好的控制效果。但是对于时变性和非线性系统,即使对被控对象整定了一组满意的PID参数,但当对象特性发生变化时,也难以保证良好的控制性能[5]。经过对恒流放电控制系统反复实验,得出采用模糊PID控制方法较为合适。
    模糊PID控制器主要由PID控制器和模糊控制器两部分构成,模糊控制器的输入为误差e和误差变换率ec,然后采用模糊推理方法对PID参数Kp、Ti、Td进行在线整定,以满足不同时刻的误差e和误差变化率ec对控制器参数的不同要求,从而使被控对象有良好的动态、静态性能[6]。其机构如图2所示。

    本系统采用的控制芯片为单片机C8051F020,控制器的输入为上位机发送的电压命令,系统的输出为驱动单元的输出电压。反馈的实际电压信号与给定的电压信号相比较得出电压误差信号,通过模糊PID控制器计算出精确的PID参数调整因子,从而达到调整PID控制器参数的目的,然后计算出控制信号,控制信号再经过驱动单元的运放电路转换为MOSFET的栅极电压,从而调节放电单元的输出电流。
3 恒流放电方案的研究与设计
3.1 放电类型的选择

    目前对蓄电池进行放电的方法主要分为两类:能耗型和能馈型。能耗型是把流进电子负载的直流电传递到特殊的直流/交流转换器(逆变电路),然后再送回交流电网。这种类型的主要优点是节省电能,节约空间,不需要冷却[7]。但是它的放电电流具有波动性,精度低,并且容易给电网造成谐波污染。能耗型是指把蓄电池放出的电能通过功率管消耗掉,以热能或其他形式的能量释放出去。能耗型的主要优点是结构简单、经济实用、精度高等,缺点是有能量消耗,需要良好的散热系统。但是对蓄电池性能测试来说,由于为了保证的是恒流放电的精度,所以采用能耗型的放电方式进行设计。
3.2不同放电方案研究分析
    对于能耗型恒流放电,目前可采用3种方案来实现。
    方案1:电流直接采样法,即通过霍尔电流传感器检测流入电子负载的总电流,再与设定电流相比较,判断是否达到系统设定值。如果没有达到,则需要通过一定的算法对给定电压Vg进行调节,最终使负载电流稳定在设定值。方案2:电阻采样反馈法,即在MOSFET管的源极串接采样电阻,将电流转换成电压,反馈至高增益误差放大器的反相端。电阻采样反馈法的简单原理图如图3所示。在同向端输入给定电压信号,如果Rd上的电压小于Vg,也就是运算放大器反向端的电压小于同向端电压,则运放输出电压加大,使MOSFET导通电流加大;如果Rd上的电压大于给定值Vg,则运算放大器的输出减小,使MOSFET导通电流减小,这样电流最终维持在恒定的给定值上,也就实现了恒流工作。

    方案1电流变化范围大,适合大电流放电;缺点是响应速度比较慢。方案2优点在于响应速度快,结构简单;但由于采样电阻的功率一般较小,使电子负载的电流受到很大限制,容易受外界干扰,不适合大电流放电。
    针对以上两种方案的优缺点,提出了方案3:把方案2的几个放电支路并联运行,即采用多路放电支路并联设计思想[8]。但由于功率开关管以及支路控制电路参数的差异,流过各个支路开关管的电流不可能完全相等。因此,需要设计专门的均流电路实现各支路之间的电流均分,从而实现支路的功率均分,避免某些支路的功率过大,以致烧毁功率开关管[9-10]。这样既可以进行大功率放电,又能保证每个支路都工作在较小电流范围内。但是对于各支路之间需要采用均流电路进行控制,而均流电路是由许多相同参数的电阻、运放等理想器件组成。由于实际器件的参数是不完全相同的,因而给均流电路带来了很大的误差。
3.3 放电方案的最终设计
    均流电路会给系统带来不可避免的误差,因此不再采用均流电路,而直接用单片机来控制各支路给定电压Vg,使各支路给定电压相等从而实现各支路均流,以消除均流电路带来的误差。为了进一步提高系统精度,用霍尔电流传感器采集蓄电池放出的总电流,并反馈给C8051F020单片机,单片机通过模糊PID控制算法来调节各支路给定电压Vg的大小来控制各支路电流,从而达到精确控制总电流的目的。
4 实验结果
    为了能更加直接地检验恒流放电的效果,本实验用11 V~13 V变化的电压信号代替蓄电池,系统用5个放电支路并联放电,总电流设定为15 A。图4是恒流放电的实验结果。

顶一下
(1)
100%
踩一下
(0)
0%
------分隔线----------------------------
推荐内容