船用大功率柴油发电机充电控制系统研究

杨光明 李小谦

摘 要：本文提出了一种基于DSP的船用大功率柴油发电机充电控制器的方案，分析了控制器硬件及软件的结构和功能，并在大功率直流电力系统平台上进行了实验验证，结果表明控制器的性能良好。

关键词： DSP；分级恒流控制

中图分类号：U665.1 文献标识码：A

Abstract： This paper presents a charging control system of high-power marine diesel generator based on DSP， analyzes the structure and function of the control system and the goodproperties of the control system are verified through experiment on the high-power DC powersystem platform.

Key words： DSP； Multi-constant current charging

1 引言

某些船舶采用电力推进方式，其特点是一次动力源为柴油发电机，二次动力源为蓄电池，在柴油机动力不足或者特殊工况下，由蓄电池提供主要动力。另外，蓄电池还能增加其水下续航能力，提高作战隐蔽能力。

本文研究的蓄电池充电系统为：四台整流柴油发电机、两组蓄电池、直流负载、保护装置、充电控制系统等，见图1所示。

图1中，1号和3号柴油发电机为一组，Icf1和Icf3为两台柴油发电机的充电电流，与1号蓄电池组直接并联，蓄电池充电电流为Idc1；2号和4号柴油发电机为一组，Icf2和Icf4为两台柴油发电机的充电电流，与2号蓄电池组直接并联，蓄电池充电电流为Idc2。两组蓄电池分别并接负载后通过限流保护装置Rx并联。

蓄电池分级恒流充电控制系统作为充电系统的核心，要求其能够在尽可能地延长蓄电池使用寿命的基础上，在规定的时间内使蓄电池快速充足电量。它的主要任务是根据给定的电流级别经过计算输出4～20 mA的恒流控制信号，该信号经过励磁调节器放大后去控制柴油发电机的励磁电流，从而使两组蓄电池的充电电流值达到给定的充电电流级别。

2 蓄电池充电系统的控制策略

充电系统的充电电源为四台柴油发电机，能工作在恒流或恒压两种工作模式。一般发电机恒压充电工作于手动工况，需要实时调节控制电位器来调节充电电流，操作强度大；而自动充电工作于恒流模式，采用多级恒流与浮充恒压充电方案，具体策略如下：

（ 1 ） 将蓄电池整个充电过程分为六个恒流阶段和一个浮充阶段，根据经验选择2 400 A、1 800 A、1 200 A、900 A、600 A、300 A作为六个恒流阶段的充电设定值；

（ 2 ） 各充电阶段终止控制策略：主要基于每阶段的蓄电池端电压值，当蓄电池端电压达到设定的阀值时，便进入恒压充电阶段，充电电流将逐渐减小，同时提示转入下一充电阶段；

（ 3 ） 浮充阶段的充电控制策略：当切换到浮充档后，若此时蓄电池端电压没有达到所设定的浮充电压值，则充电电流限制在100 A 以内。当达到浮充电压值时，控制蓄电池组的充电电流为0，使蓄电池组处于既不充电又不放电的状态；

（ 4 ） 发电机的投入和退出策略：柴油发电机的工作电流有最大上限，在功率缺额时需提示投入新的柴油发电机弥补缺额，并投入柴油发电机后能自动均流，减小冲击；在柴油发电机处于轻载或空载状态时，特别是在低于25%负载并联运行时易出现振荡，需提示退出柴油发电机，避免振荡，提高燃油效率；

（ 5 ） 功率保护越限策略：在满功率时，不是在所有情况下柴油发电机都能输出额定电流，当蓄电池电压升高到一定值后，需要实时计算此时的最大充电电流上限值，避免柴油发电机功率越限。

3 基于DSP的充电控制器硬件电路设计

如图2 所示，整个硬件电路主要包括两组蓄电池电压电流检测及采样电路、四台柴油发电机投入状态开关量检测电路、四台柴油发电机励磁状态开关量检测电路、充电电流分级开关信号检测电路、四台柴油发电机控制信号D/A输出及隔离电路、CAN通讯接口电路等。

3.1 蓄电池组电压电流检测及采样电路

两组蓄电池组的电压、电流的取样都是通过霍尔传感器来实现的，其采样信号经过调理电路、RC滤波电路接入芯片TLV2544的模拟输入通道，经A/D 转换后，通过高速光耦隔离电路6N137将串行数据送入DSP。

3.2 四路恒流控制信号输出电路

DSP计算的控制量是数字量，因此需要将其转化为模拟信号才能作为四台柴油发电机励磁的输入信号。四路数字控制信号通过光耦隔离电路，驱动四路具有独立隔离电源的模转换芯片DAC7512产生输出0～5 V 的电压信号，而柴油发电机的励磁调节器是由电流信号驱动的，故需采用由AD694恒流源电路把0～5 V 电压信号转化为4～20 mA 的电流信号。

3.3 电压限幅值下传通讯电路

蓄电池使用一段时间后，充电特性会发生变化，为了便于维护蓄电池，上位机可以通过CAN隔离通讯接口将修改后的电压保护限幅值下传到控制板上，并在数据效验合格后存储于EPROM中，提供快捷的用户接口。

4 基于DSP的充电控制器软件设计

在以TMS320LF2407 为核心构成的蓄电池恒流充电控制系统中，其软件功能如下：

（ 1 ） 实现检测信号的A/D 变换和控制信号的D/A 转换；

（ 2 ） 实现蓄电池多级充电电压限幅数据下载存储；

（ 3 ） 实现电压外环、电流内环的PI控制算法；

（ 4 ） 实现四台柴油发电机投入和退出逻辑控制及指示。

主程序要完成系统和所需各个功能模块的初始化，进入主程序中循环执行，等待T1周期中断的发生。T1中断周期为20 ms，是程序调用的最小时间节拍。一旦T1周期中断发生，DSP自动执行T1周期中断服务子程序，完成0到9的循环计数，即一个调节时间步长为200 ms，其间以时间片来调度蓄电池电压、电流共四路检测信号的转换A/D变换、PI调节算法、投入逻辑控制、D/A转换、通讯接口的数据查询。

在蓄电池恒流充电控制系统中，由于柴油发电机输出恒定电流，而充电电流的变化会直接影响端电压的变化，故设计了电压环、电流环双环的PI控制结构，如图3所示。其中电压环为外环，在2 400 A、1 800 A、1 200 A、900 A、600 A充电电流级别时，设定的电压给定值为蓄电池的过充保护电压值；在300 A时，设定为浮充电压值。当端电压没有达到该电压值时，电压环将输出与充电电流级别关联的饱和值，这时电流环起主要作用；当蓄电池达到该电压值时，电压环才起作用。

电压环、电流环调节采用PI调节器。根据双环控制的结构特点，选用增量式PI调节器算法。

图4给出了PI调节器的结构框图，为了防止溢出，设置了输出饱和限制。PI调节器的参数值（k1 和k2 ）整定比较复杂[2]，需要通过实验来整定。

5 试验结果

在进行实际系统联调实验时，在蓄电池充电系统模拟测试平台上根据几种典型的工况验证了控制器的性能。

（1）第一种工况：蓄电池并联充电，1、2号柴油发电机投入，将充电电流级别从1 200 A 逐级切换到0A档，观察蓄电池各级充电电流响应情况。以1 200 A 切换到900 A 为例，图6 给出了充电电流较大一组蓄电池的响应情况。

由图6 可以看出，充电电流调节过程比较平缓，调节时间为12 s 左右，符合实际系统的要求。

（2）第二种工况：蓄电池并联充电，1、2号柴油发电机投入，充电电流级别为900 A，观察蓄电池充电电压上升，达到保护值545 V时充电电流的变化。

如图7 可以看出，蓄电池端电压达到设定值时，充电电流会逐渐减小。这时充电电流的控制进入电压、电流双环调节的阶段，为了维持端电压恒定，充电电流必然要减小，但变化过程要求比较平缓。

6 结论

该控制器的各项性能指标完全达到了设计要求。在后续的研究中还要继续两方面的工作：一是设计友好方便的人机界面或者交互接口；二是反馈PI环参数和电压电流的采样值和方向，用于监控控制器的工作状态，以提高控制系统的可靠性和安全性。

参考文献

[1] 高金源.计算机控制系统-理论、设计与实现[M].北京航空航天大学

出版社.

[2] 赖寿宏.微型计算机控制技术[M].机械工业出版社，2003.