船用大功率柴油發電機充電控制系統研究

楊光明 李小謙

摘 要：本文提出了一種基于DSP的船用大功率柴油發電機充電控制器的方案，分析了控制器硬件及軟件的結構和功能，并在大功率直流電力系統平臺上進行了實驗驗證，結果表明控制器的性能良好。

關鍵詞： DSP；分級恒流控制

中圖分類號：U665.1 文獻標識碼：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

某些船舶采用電力推進方式，其特點是一次動力源為柴油發電機，二次動力源為蓄電池，在柴油機動力不足或者特殊工況下，由蓄電池提供主要動力。另外，蓄電池還能增加其水下續航能力，提高作戰隱蔽能力。

本文研究的蓄電池充電系統為：四臺整流柴油發電機、兩組蓄電池、直流負載、保護裝置、充電控制系統等，見圖1所示。

圖1中，1號和3號柴油發電機為一組，Icf1和Icf3為兩臺柴油發電機的充電電流，與1號蓄電池組直接并聯，蓄電池充電電流為Idc1；2號和4號柴油發電機為一組，Icf2和Icf4為兩臺柴油發電機的充電電流，與2號蓄電池組直接并聯，蓄電池充電電流為Idc2。兩組蓄電池分別并接負載后通過限流保護裝置Rx并聯。

蓄電池分級恒流充電控制系統作為充電系統的核心，要求其能夠在盡可能地延長蓄電池使用壽命的基礎上，在規定的時間內使蓄電池快速充足電量。它的主要任務是根據給定的電流級別經過計算輸出4～20 mA的恒流控制信號，該信號經過勵磁調節器放大后去控制柴油發電機的勵磁電流，從而使兩組蓄電池的充電電流值達到給定的充電電流級別。

2 蓄電池充電系統的控制策略

充電系統的充電電源為四臺柴油發電機，能工作在恒流或恒壓兩種工作模式。一般發電機恒壓充電工作于手動工況，需要實時調節控制電位器來調節充電電流，操作強度大；而自動充電工作于恒流模式，采用多級恒流與浮充恒壓充電方案，具體策略如下：

（ 1 ） 將蓄電池整個充電過程分為六個恒流階段和一個浮充階段，根據經驗選擇2 400 A、1 800 A、1 200 A、900 A、600 A、300 A作為六個恒流階段的充電設定值；

（ 2 ） 各充電階段終止控制策略：主要基于每階段的蓄電池端電壓值，當蓄電池端電壓達到設定的閥值時，便進入恒壓充電階段，充電電流將逐漸減小，同時提示轉入下一充電階段；

（ 3 ） 浮充階段的充電控制策略：當切換到浮充檔后，若此時蓄電池端電壓沒有達到所設定的浮充電壓值，則充電電流限制在100 A 以內。當達到浮充電壓值時，控制蓄電池組的充電電流為0，使蓄電池組處于既不充電又不放電的狀態；

（ 4 ） 發電機的投入和退出策略：柴油發電機的工作電流有最大上限，在功率缺額時需提示投入新的柴油發電機彌補缺額，并投入柴油發電機后能自動均流，減小沖擊；在柴油發電機處于輕載或空載狀態時，特別是在低于25%負載并聯運行時易出現振蕩，需提示退出柴油發電機，避免振蕩，提高燃油效率；

（ 5 ） 功率保護越限策略：在滿功率時，不是在所有情況下柴油發電機都能輸出額定電流，當蓄電池電壓升高到一定值后，需要實時計算此時的最大充電電流上限值，避免柴油發電機功率越限。

3 基于DSP的充電控制器硬件電路設計

如圖2 所示，整個硬件電路主要包括兩組蓄電池電壓電流檢測及采樣電路、四臺柴油發電機投入狀態開關量檢測電路、四臺柴油發電機勵磁狀態開關量檢測電路、充電電流分級開關信號檢測電路、四臺柴油發電機控制信號D/A輸出及隔離電路、CAN通訊接口電路等。

3.1 蓄電池組電壓電流檢測及采樣電路

兩組蓄電池組的電壓、電流的取樣都是通過霍爾傳感器來實現的，其采樣信號經過調理電路、RC濾波電路接入芯片TLV2544的模擬輸入通道，經A/D 轉換后，通過高速光耦隔離電路6N137將串行數據送入DSP。

3.2 四路恒流控制信號輸出電路

DSP計算的控制量是數字量，因此需要將其轉化為模擬信號才能作為四臺柴油發電機勵磁的輸入信號。四路數字控制信號通過光耦隔離電路，驅動四路具有獨立隔離電源的模轉換芯片DAC7512產生輸出0～5 V 的電壓信號，而柴油發電機的勵磁調節器是由電流信號驅動的，故需采用由AD694恒流源電路把0～5 V 電壓信號轉化為4～20 mA 的電流信號。

3.3 電壓限幅值下傳通訊電路

蓄電池使用一段時間后，充電特性會發生變化，為了便于維護蓄電池，上位機可以通過CAN隔離通訊接口將修改后的電壓保護限幅值下傳到控制板上，并在數據效驗合格后存儲于EPROM中，提供快捷的用戶接口。

4 基于DSP的充電控制器軟件設計

在以TMS320LF2407 為核心構成的蓄電池恒流充電控制系統中，其軟件功能如下：

（ 1 ） 實現檢測信號的A/D 變換和控制信號的D/A 轉換；

（ 2 ） 實現蓄電池多級充電電壓限幅數據下載存儲；

（ 3 ） 實現電壓外環、電流內環的PI控制算法；

（ 4 ） 實現四臺柴油發電機投入和退出邏輯控制及指示。

主程序要完成系統和所需各個功能模塊的初始化，進入主程序中循環執行，等待T1周期中斷的發生。T1中斷周期為20 ms，是程序調用的最小時間節拍。一旦T1周期中斷發生，DSP自動執行T1周期中斷服務子程序，完成0到9的循環計數，即一個調節時間步長為200 ms，其間以時間片來調度蓄電池電壓、電流共四路檢測信號的轉換A/D變換、PI調節算法、投入邏輯控制、D/A轉換、通訊接口的數據查詢。

在蓄電池恒流充電控制系統中，由于柴油發電機輸出恒定電流，而充電電流的變化會直接影響端電壓的變化，故設計了電壓環、電流環雙環的PI控制結構，如圖3所示。其中電壓環為外環，在2 400 A、1 800 A、1 200 A、900 A、600 A充電電流級別時，設定的電壓給定值為蓄電池的過充保護電壓值；在300 A時，設定為浮充電壓值。當端電壓沒有達到該電壓值時，電壓環將輸出與充電電流級別關聯的飽和值，這時電流環起主要作用；當蓄電池達到該電壓值時，電壓環才起作用。

電壓環、電流環調節采用PI調節器。根據雙環控制的結構特點，選用增量式PI調節器算法。

圖4給出了PI調節器的結構框圖，為了防止溢出，設置了輸出飽和限制。PI調節器的參數值（k1 和k2 ）整定比較復雜[2]，需要通過實驗來整定。

5 試驗結果

在進行實際系統聯調實驗時，在蓄電池充電系統模擬測試平臺上根據幾種典型的工況驗證了控制器的性能。

（1）第一種工況：蓄電池并聯充電，1、2號柴油發電機投入，將充電電流級別從1 200 A 逐級切換到0A檔，觀察蓄電池各級充電電流響應情況。以1 200 A 切換到900 A 為例，圖6 給出了充電電流較大一組蓄電池的響應情況。

由圖6 可以看出，充電電流調節過程比較平緩，調節時間為12 s 左右，符合實際系統的要求。

（2）第二種工況：蓄電池并聯充電，1、2號柴油發電機投入，充電電流級別為900 A，觀察蓄電池充電電壓上升，達到保護值545 V時充電電流的變化。

如圖7 可以看出，蓄電池端電壓達到設定值時，充電電流會逐漸減小。這時充電電流的控制進入電壓、電流雙環調節的階段，為了維持端電壓恒定，充電電流必然要減小，但變化過程要求比較平緩。

6 結論

該控制器的各項性能指標完全達到了設計要求。在后續的研究中還要繼續兩方面的工作：一是設計友好方便的人機界面或者交互接口；二是反饋PI環參數和電壓電流的采樣值和方向，用于監控控制器的工作狀態，以提高控制系統的可靠性和安全性。

參考文獻

[1] 高金源.計算機控制系統-理論、設計與實現[M].北京航空航天大學

出版社.

[2] 賴壽宏.微型計算機控制技術[M].機械工業出版社，2003.