充電機(jī)PWM充電模式的直流電源控制原理
2017-6-18 10:38:29??????點(diǎn)擊：
直流電源PWM（Pulse Width Modulation）控制——脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。
直流電源PWM控制技術(shù)在逆變直流電源電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變直流電源電路設(shè)計(jì)絕大部分是直流電源PWM型，直流電源PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆 變直流電源電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，才確定了它在電力直流電源技術(shù)中的重要地位。
理論基礎(chǔ)：
沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。
圖1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖
面積等效原理：
分別將如圖1所示的直流電源電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L直流電源電路設(shè)計(jì)）上，如圖2a所示。其輸出直流電源電流i(t)對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。
圖2 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形
用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。
S直流電源PWM波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的直流電源PWM波形。
圖3 用直流電源PWM波代替正弦半波
要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。
直流電源PWM直流電源電流波： 直流電源電流型逆變直流電源電路設(shè)計(jì)進(jìn)行直流電源PWM控制，得到的就是直流電源PWM直流電源電流波。
直流電源PWM波形可等效的各種波形：
直流斬波直流電源電路設(shè)計(jì)：等效直流波形
S直流電源PWM波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和S直流電源PWM控制相同，也基于等效面積原理。
隨著直流電源技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種直流電源PWM技術(shù)，其中包括：相直流電源電壓控制直流電源PWM、脈寬直流電源PWM法、隨機(jī)直流電源PWM、SPWM法、線直流電源電壓控制直流電源PWM等，而本文介紹的是在鎳氫充電機(jī)充電電池智能充電機(jī)充電器中采用的脈寬直流電源PWM法。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為直流電源PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使直流電源電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整直流電源PWM的周期、直流電源PWM的占空比而達(dá)到控制充電機(jī)充電直流電源電流的目的。
直流電源PWM技術(shù)的具體應(yīng)用
直流電源PWM軟件法控制充電機(jī)充電直流電源電流
本方法的基本思想就是利用單片機(jī)具有的直流電源PWM端口，在不改變直流電源PWM方波周期的前提下，通過軟件的方法調(diào)整單片機(jī)的直流電源PWM控制寄存器來調(diào)整直流電源PWM的占空比，從而控制充電機(jī)充電直流電源電流。
本方法所要求的單片機(jī)必須具有ADC端口和直流電源PWM端口這兩個(gè)必須條件，另外ADC的位數(shù)盡量高，單片機(jī)的工作速度盡量快。
在調(diào)整充電機(jī)充電直流電源電流前，單片機(jī)先快速讀取充電機(jī)充電直流電源電流的大小，然后把設(shè)定的充電機(jī)充電直流電源電流與實(shí)際讀取到的充電機(jī)充電直流電源電流進(jìn)行比較，若實(shí)際直流電源電流偏小則向增加充電機(jī)充電直流電源電流的方向調(diào)整直流電源PWM 的占空比；若實(shí)際直流電源電流偏大則向減小充電機(jī)充電直流電源電流的方向調(diào)整直流電源PWM的占空比。
在軟件直流電源PWM的調(diào)整過程中要注意ADC的讀數(shù)偏差和直流電源工作直流電源電壓等引入的紋波干擾，合理采用算術(shù)平均法等數(shù)字濾波技術(shù)。軟件直流電源PWM法具有以下優(yōu)缺點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)：
簡化了直流電源PWM的硬件直流電源電路設(shè)計(jì)，降低了硬件的成本。利用軟件直流電源PWM不用外部的硬件直流電源PWM和直流電源電壓比較器，只需要功率MOSFET、續(xù)流磁芯、儲(chǔ)能電容等元器件，大大簡化了外圍直流電源電路設(shè)計(jì)。
可控制涓流大小。在直流電源PWM控制充電機(jī)充電的過程中,單片機(jī)可實(shí)時(shí)檢測(cè)ADC端口上充電機(jī)充電直流電源電流的大小，并根據(jù)充電機(jī)充電直流電源電流大小與設(shè)定的涓流進(jìn)行比較，以決定直流電源PWM占空比的調(diào)整方向。
充電機(jī)充電電池喚醒充電機(jī)充電。單片機(jī)利用ADC端口與直流電源PWM的寄存器可以任意設(shè)定充電機(jī)充電直流電源電流的大小，所以，對(duì)于充電機(jī)充電電池直流電源電壓比較低的充電機(jī)充電電池，在上電后，可以采取小直流電源電流充一段時(shí)間的方式進(jìn)行充電機(jī)充電喚醒，并且在小直流電源電流的情況下可以近似認(rèn)為恒流，對(duì)充電機(jī)充電電池的沖擊破壞也較小。
缺點(diǎn)：
直流電源電流控制精度低。充電機(jī)充電直流電源電流的大小的感知是通過直流電源電流采樣電阻來實(shí)現(xiàn)的，采樣電阻上的壓降傳到單片機(jī)的ADC輸入端口，單片機(jī)讀取本端口的直流電源電壓就可以知道充電機(jī)充電直流電源電流的大小。若設(shè)定采樣電阻為Rsample（單位為Ω），采樣電阻的壓降為Vsample（單位為mV）， 10位ADC的參考直流電源電壓為5.0V。則ADC的1 LSB對(duì)應(yīng)的直流電源電壓值為 5000mV/1024≈5mV。一個(gè)5mV的數(shù)值轉(zhuǎn)換成直流電源電流值就是50mA，所以軟件直流電源PWM直流電源電流控制精度最大為50mA。若想增加軟件直流電源PWM的直流電源電流控制精度，可以設(shè)法降低ADC的參考直流電源電壓或采用10位以上ADC的單片機(jī)。
直流電源PWM采用軟啟動(dòng)的方式。在進(jìn)行大直流電源電流快速充電機(jī)充電的過程中，充電機(jī)充電從停止到重新啟動(dòng)的過程中，由于磁芯上的反電動(dòng)勢(shì)的存在，所以在重新充電機(jī)充電時(shí)必須降低直流電源PWM的有效占空比,以克服由于軟件調(diào)整直流電源PWM的速度比較慢而帶來的無法控制充電機(jī)充電直流電源電流的問題。
充電機(jī)充電效率不是很高。在快速充電機(jī)充電時(shí)，因?yàn)椴捎昧顺潆姍C(jī)充電軟啟動(dòng)，再加上單片機(jī)的直流電源PWM調(diào)整速度比較慢，所以實(shí)際上停止充電機(jī)充電或小直流電源電流慢速上升充電機(jī)充電的時(shí)間是比較大的。
為了克服2和3缺點(diǎn)帶來的充電機(jī)充電效率低的問題，我們可以采用充電機(jī)充電時(shí)間比較長，而停止充電機(jī)充電時(shí)間比較短的充電機(jī)充電方式，例如充2s停50ms，再加上軟啟動(dòng)時(shí)的直流電源電流慢速啟動(dòng)折合成的停止充電機(jī)充電時(shí)間，設(shè)定為50ms，則實(shí)際充電機(jī)充電效率為（2000ms－100ms）/2000ms＝95％，這樣也可以保證充電機(jī)充電效率在90%以上。
純硬件直流電源PWM法控制充電機(jī)充電直流電源電流
由于單片機(jī)的工作頻率一般都在4MHz左右，由單片機(jī)產(chǎn)生的直流電源PWM的工作頻率是很低的，再加上單片機(jī)用ADC方式讀取充電機(jī)充電直流電源電流需要的時(shí)間，因此用軟件直流電源PWM的方式調(diào)整充電機(jī)充電直流電源電流的頻率是比較低的，為了克服以上的缺陷，可以采用外部高速直流電源PWM的方法來控制充電機(jī)充電直流電源電流?，F(xiàn)在智能充電機(jī)充電器中采用的直流電源PWM控制芯片主要有TL494等,本直流電源PWM控制芯片的工作頻率可以達(dá)到300kHz以上，外加阻容元件就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充電機(jī)充電電池充電機(jī)充電過程中的恒流限壓作用，單片機(jī)只須用一個(gè)普通的I/O端口控制TL494使能即可。另外也可以采用直流電源電壓比較器替代TL494，如LM393和LM358等。采用純硬件直流電源PWM具有以下優(yōu)缺點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)：
直流電源電流精度高。充電機(jī)充電直流電源電流的控制精度只與直流電源電流采樣電阻的精度有關(guān)，與單片機(jī)沒有關(guān)系。不受軟件直流電源PWM的調(diào)整速度和ADC的精度限制。
充電機(jī)充電效率高。不存在軟件直流電源PWM的慢啟動(dòng)問題，所以在相同的恒流充電機(jī)充電和相同的充電機(jī)充電時(shí)間內(nèi)，充到充電機(jī)充電電池中的能量高。
對(duì)充電機(jī)充電電池?fù)p害小。由于充電機(jī)充電時(shí)的直流電源電流比較穩(wěn)定，波動(dòng)幅度很小，所以對(duì)充電機(jī)充電電池的沖擊很小，另外TL494還具有限壓作用，可以很好地保護(hù)充電機(jī)充電電池。
缺點(diǎn)：
硬件的價(jià)格比較貴。TL494的使用在帶來以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，增加了產(chǎn)品的成本，可以采用LM358或LM393的方式進(jìn)行克服。
涓流控制簡單，并且是脈動(dòng)的。充電機(jī)充電電池充電機(jī)充電結(jié)束后，一般采用涓流充電機(jī)充電的方式對(duì)充電機(jī)充電電池維護(hù)充電機(jī)充電，以克服充電機(jī)充電電池的自放電效應(yīng)帶來的容量損耗。單片機(jī)的普通I/O控制端口無法實(shí)現(xiàn)直流電源PWM端口的功能，即使可以用軟件模擬的方法實(shí)現(xiàn)簡單的直流電源PWM功能，但由于單片機(jī)工作的實(shí)時(shí)性要求，其軟件模擬的直流電源PWM頻率也比較低，所以最終采用的還是脈沖充電機(jī)充電的方式，例如在10%的時(shí)間是充電機(jī)充電的，在另外90%時(shí)間內(nèi)不進(jìn)行充電機(jī)充電。這樣對(duì)充滿電的充電機(jī)充電電池的沖擊較小。
單片機(jī) 直流電源PWM控制端口與硬件直流電源PWM融合
對(duì)于單純硬件直流電源PWM的涓流充電機(jī)充電的脈動(dòng)問題，可以采用具有直流電源PWM端口的單片機(jī)，再結(jié)合外部直流電源PWM芯片即可解決涓流的脈動(dòng)性。
在充電機(jī)充電過程中可以這樣控制充電機(jī)充電直流電源電流：采用恒流大直流電源電流快速充電機(jī)充電時(shí)，可以把單片機(jī)的直流電源PWM輸出全部為高電平（直流電源PWM控制芯片高電平使能）或低電平（直流電源PWM控制芯片低電平使能）；當(dāng)進(jìn)行涓流充電機(jī)充電時(shí)，可以把單片機(jī)的直流電源PWM控制端口輸出直流電源PWM直流電源信號(hào)，然后通過測(cè)試直流電源電流采樣電阻上的壓降來調(diào)整直流電源PWM的占空比，直到符合要求為止。
直流電源PWM一般選用直流電源電壓控制型逆變器，是通過改變功率晶體管交替導(dǎo)通的時(shí)間來改變逆變器輸出波形的頻率，改變每半周期內(nèi)晶體管的通斷時(shí)間比，也就是說通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出直流電源電壓副值的大小。
其整流部分與逆變部分基本是對(duì)稱的。
總之，最后的輸出波形可調(diào)，副值可調(diào)，甚至功率因數(shù)也可調(diào)，不過，好象都是用正弦波做為基波的啦。
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