移相全桥充电机控制系统及控制方法与流程

本发明属于充电机控制技术领域，涉及一种多工作模式移相全桥充电机控制系统及其控制方法。

背景技术：

列车充电机用于为整车直流负载供电，并为蓄电池充电。根据列车工况的不同，充电机有多种工作模式，具体包括恒压、充电限流和总电流电流三种模式。为保证充电机稳定工作，每种工作模式对应不同的控制策略，分别为恒压、充电限流和总电流限流三种控制策略。

移相全桥充电机是采用移相全桥变换器作为充电机软开关的充电机。移相全桥充电机的结构包括顺次连接的移相全桥电路、高频变压器及整流电路，其中移相全桥电路包括支撑电容及充电电阻；整流电路的输出端分别连接蓄电池和负载，为蓄电池充电，且驱动负载运行。

列车行驶过程中，充电机需要在三种工作模式间频繁切换，充电机控制系统需及时响应工作模式的切换状态，及时更换三种控制策略。通常情况下，三种控制策略均采用比例积分控制，若采用三组相同的比例参数和积分参数，无法满足每种工作模式的个性，无法同时满足稳态时电压和电流的控制技术条件要求；若采用三组不同的比例参数和积分参数，当在两种控制策略切换的瞬间，需迅速切换比例参数和积分参数，会导致系统动态调节时的电压电流超调，极端情况下会造成器件损坏。

目前，尚没有一种控制系统及稳定的控制方法，可保证列车充电机在不同工作模式间平滑切换，保证充电机在不同工作状态切换瞬间及切换后都可稳定工作的控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于根据现有技术中列车充电机在切换工作状态，提供了一种充电机不同工作模式间平滑切换控制系统和控制方法。

为实现以上目的，包括采样系统和充电机控制器；采样系统包括安装在充电机输入端的用于采集输入电压的输入电压采集装置、安装在充电机输出端的用于采集总输出电压的总输出电压采集装置及用于采集总输出电流的总输出电流采集装置，以及安装在蓄电池输入端的用于采集充电电流的充电电流采集装置。

充电机控制器包括：

启动运行判断单元：用于接收总输出电压信号、总输出电流信号、充电电流信号和占空比，并判断充电机工作在等待状态、预充电状态、软起动状态或运行状态，并生成相应的状态信号；所述运行状态包括恒压运行状态、总电流限流运行状态和充电限流运行状态；

软起动控制单元：用于在充电机软起动过程中对充电机进行控制；

运行控制单元：用于在充电机运行状态中对充电机进行控制及对充电机运行模式进行判断；

运行控制单元包括：

模式判断单元：接收总输出电压值、总输出电流值、充电电流值，判断充电机工作在何种运行状态，生产充电机运行状态信号；

恒压控制单元：用于当充电机工作在恒压运行状态下，对充电机控制；

总电流限流控制单元：用于在充电机工作在总电流限流运行状态下，对充电机控制；

充电限流控制单元：用于在充电机工作在充电限流运行状态下，对充电机控制；

充电机控制器还包括平滑切换控制单元：接收模式判断单元反馈的充电机运行状态信号，以及启动运行判断单元反馈的软起动运行信号，当充电机在软起动与运行状态之间切换，以及在不同的运行状态之间切换时，控制系统平滑地切换到与运行状态相对应的控制单元，实现对充电机移相全桥电路的控制。

充电机控制方法，包括以下步骤：

判断充电机是否预充电结束，若是，则进入软起动，软起动控制单元控制充电机工作；

判断充电机软起动是否结束，若是，则进入运行工作模式，运行控制单元工作，平滑切换控制单元默认控制切换到恒压控制单元；

模式判断单元接收总输出电压值、总输出电流值、充电电流值，总输出电流限流值，并为模式判断单元配置设定的充电电流值，总输出电流限流值、充电电流限流值和总输出电压设定参考值；根据以上接收值和设定值计算判断充电机运行状态，并将充电机运行状态指令反馈到平滑切换控制单元；

恒压运行状态下，采用恒压控制算法，但：

当且时，进入总电流限流运行状态，平滑切换控制切换到总电流限流控制单元；否则，当且时，进入充电限流运行状态，平滑切换控制单元控制切换到充电限流控制单元；否则，仍为恒压运行状态；

充电限流运行状态下，采用充电限流控制算法，但：

当且时，进入恒压运行状态，平滑切换控制单元控制切换到恒压控制控制单元；否则，当且进入总电流限流运行状态，平滑切换控制单元控制切换到总电流限流控制单元；否则，仍工作在充电限流运行状态；

总电流限流运行状态下，采用总电流限流控制算法，但：

当且时，进入恒压运行状态，平滑切换控制单元控制切换到恒压控制控制单元；否则，当且进入充电限流运行状态，平滑切换控制单元控制切换到充电限流控制单元；否则，仍工作在总电流限流运行状态；

以上各式中，V_out为总输出电压值，V_out-ref为总输出电压限压值，I_out为总输出电流值，I_out-ref为总输出电流限流值，I_bat为充电电流值，I_bat-ref为充电电流限流值，V_ref为总输出电压设定参考值。

优选的是：移相全桥电路输入端设置有支撑电容，通过判断充电机移相全桥电路中支撑电容上的电压与充电机输入电压的关系，判断预充电是否结束。

优选的是：判断充电机软起动是否结束的方法为：当满足条件1或条件2或条件3或条件4时，判断充电机软起动结束，其中：

条件1：当累加的占空比大于占空比设定值；其中duty为占空比设定值，V₁为输入电压采样值，N为充电机变压器变比；

条件2：输出电压V_out大于输出电压设定值V_os；

条件3：总输出电流I_out大于总输出电流设定值I_os，

条件4：充电电流I_bat大于充电电流设定值I_bs。

优选的是：V_os＝0.98V_ref，I_os＝0.98I_out-ref，I_bs＝0.98I_bat-ref。

优选的是：恒压控制算法、总电流限流控制算法和充电限流控制算法均采用PI控制算法，采用三组不同的PI参数：

其中T为采样频率；

对于恒压控制算法：

对于总电流限流控制算法：

对于充电限流控制算法：

软起动结束时，将当前累加得占空比DUTY值作为恒压控制单元、总电流限流控制单元和充电限流控制单元的输入；其中，DUTY＝duty(t)+Δduty。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种多控制单元充电机控制系统及控制方法，分为软起动控制单元、充电限流控制单元、总电流限流控制单元和恒压控制单元，三个控制单元采用不同的控制参数，可实现各运行状态或工作模式下的稳态最优效果。

(2)本发明控制器还包括平滑切换控制单元，当充电机在不同工作模式或运行状态间切换时，可实现各个控制单元控制参数即控制方法的平稳切换，超调量小，相应时间快，实现了良好的稳态性能和动态性能。

附图说明

图1为系统结构框图；

图2为充电机启动及控制流程图；

图3为控制器控制流程图；

图4为充电机在恒压运行状态和充电限流运行状态间切换时，充电机总输出电压和总输出电流波形图；

图5为充电机在软起动结束进入充电限流运行状态时，充电机总输出电压和总输出电流波形图；

图6为充电机在由充电限流工作模式进入恒压运行状态时，充电机总输出电压和总输出电流波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

如图1所示，移相全桥充电机的结构包括顺次连接的移相全桥电路、高频变压器及整流电路，其中整流电路的输出端分别连接蓄电池和负载，为蓄电池充电，且驱动负载运行。

移相全桥充电机的工作原理如下：

1、充电机移相全桥电路采用移相全桥零电压PWM变换器实现电压变换，移相全桥电路输入较高直流电压，输出稳定可调的较低直流电压。

2、充电机正常运行流程：首先检测输入直流电压，满足启动条件后，通过预充电电阻对输入侧支撑电容进行预充电。支撑电容预充电结束时切除电阻，进入软起动。软起动过程中以固定占空比增加移相角，使充电机输出电压和电流增大，当满足条件时，充电机进入运行阶段，并根据充电机工况的不同，采用不同控制策略，实现模式切换和运行。

如图2所示，为充电机正常工作时的起动流程图，

1、等待，检测输入直流电压，达到启动最低限值进入下阶段；

2、预充电，预充电接触器闭合后过一段时间(预充电时间)，闭合软启动接触器，并进入下软起动阶段；

3、软起动，以固定占空比累加，使控制器输出具有一定移相角的PWM波，控制功率模块，逐渐增加输出电压和电流，达到运行条件，进入下一阶段；

4、运行工作状态，包括恒压运行状态、充电限流运行状态和总电流限流运行状态，判断充电机工作模式，然后选择执行相应的PI控制器，进行闭环控制。

结合移相全桥充电机的工作原理及起动流程，设计了以下移相全桥充电机控制系统。

继续结合图1，移相全桥充电机控制系统，包括采样系统和充电机控制器；采样系统包括安装在充电机输入端的用于采集输入电压的输入电压采集装置、安装在充电机输出端的用于采集总输出电压的总输出电压采集装置及用于采集总输出电流的总输出电流采集装置，以及安装在蓄电池输入端的用于采集充电电流的充电电流采集装置。采样系统可采取相应的电流传感器、电压传感器来执行电流、电压的采集动作。

其中输入电压为移相全桥电路的输入电压；总输出电压为全波整流电路的输出电压，总输出电压分两路，一路驱动负载，一路为蓄电池充电，充电电流为蓄电池充电的电流。

充电机控制器是综合控制充电机启动、运行的装置，充电机控制器包括：

启动运行判断单元：用于接收总输出电压信号、总输出电流信号、充电电流信号和占空比，并判断充电机工作在等待状态、预充电状态、软起动状态或运行状态，并生成相应的状态信号；所述运行状态包括恒压运行状态、总电流限流运行状态和充电限流运行状态；充电机通电之初，运行与等待状态，启动运行判断单元反馈等待状态信号，随后进入预充电状态，反馈预充电状态信号，预充电技术后进入软起状态，反馈软起动运行信号，随后进入运行状态；软起动运行信号反应充电机是否还工作在软起动模式或已完成软起动。而不管充电机工作在何种状态，若启动运行判断单元接收到的信号反应充电机故障，或运行条件不满足运行要求，例如：过流、过压等，则充电机返回等待工作状态。

软起动控制单元：用于在充电机软起动过程中对充电机进行控制。

软起动结束后，充电机将进入运行状态。运行控制单元：用于在充电机运行状态中对充电机进行控制及对充电机运行模式进行判断；

运行控制单元包括：

模式判断单元：接收总输出电压值、总输出电流值、充电电流值，判断充电机工作在何种运行状态，生产充电机运行状态信号；

恒压控制单元：用于当充电机工作在恒压运行状态下，对充电机控制；

总电流限流控制单元：用于在充电机工作在总电流限流运行状态下，对充电机控制；

充电限流控制单元：用于在充电机工作在充电限流运行状态下，对充电机控制；

充电机控制器还包括平滑切换控制单元：接收模式判断单元反馈的充电机运行状态信号，以及启动运行判断单元反馈的软起动运行信号，当充电机在软起动与运行状态之间切换，以及在不同的运行状态之间切换时，控制切换到与运行状态相对应的控制单元，接通相应控制单元与充电机移相全桥电路之间的连接。

具体的说，当充电机在软起动到恒压工作模式间切换时，将控制器平滑切换到恒压控制单元；当充电机从恒压工作模式切换到总电流限流工作模式时，将控制器从恒压控制单元切换到总电流限流控制单元。同理，充电机在不同的工作模式间切换时，控制平滑切换到与工作模式匹配的控制单元。

如图3所示，充电机控制方法，包括以下步骤：

移相全桥电流的超前桥臂和滞后桥臂分别采用50％占空比的PWM波进行控制；软起动过程中，滞后桥臂PWM波滞后于超前桥臂(1-DUTY)个周期；运行过程汇总，滞后桥臂PWM波滞后于超前桥臂(1-u(k))个周期。

充电机启动后，首先会进行预充电。判断充电机是否预充电结束，若是，则进入软起动，软起动控制单元控制充电机工作。

移相全桥控制电路输入端设置有支撑电容，通过判断充电机移相全桥电路前端支撑电容上的电压与充电机输入电压的关系，判断预充电是否结束。

具体的说，预充电时间计算：

其中，R为预充电电阻，C为支撑电容，V₁为输入直流电压，可通过采样获得，V₀为支撑电容上的初始电压(一般取0)，V_t为预充电结束时，支撑电容C上的电压(一般取0.9*V₁)。

预充电时间结束，则进入充电机进入软起动流程。

判断充电机软起动是否结束，若是，则进入运行工作模式，运行控制单元工作。某一时刻，充电机只能工作在一种工作模式下。

具体的说，判断充电机软起动是否结束的方法为：当满足条件1或条件2或条件3或条件4时，判断充电机软起动结束，其中：

条件1：启动运行判断单元累加其采集的占空比，当累加的占空比DUTY大于占空比设定值；其中duty为占空比设定值，V₁为输入电压采样值，N为充电机变压器变比；V_ref为总输出电压设定参考值。DUTY＝duty(t)+Δduty。

条件2：输出电压V_out大于输出电压设定值V_os；其中输出电压设定值为根据经验选取的值；

条件3：总输出电流I_out大于总输出电流设定值I_os，其中总输出电流设定值为根据经验选取的值；

条件4：充电电流I_bat大于充电电流设定值I_bs，其中充电电流设定值为根据经验选取的值。

其中，V_os、I_os和I_bs可以采取以下取值，V_os＝0.98V_ref，I_os＝0.98I_out-ref，I_bs＝0.98I_bat-ref。以上的取值为经验值，实际中，V_os、I_os和I_bs的取值不限于以上取值。

判断充电机软起动是否结束，若是，则进入运行工作模式，运行控制单元工作，平滑切换控制单元默认控制切换到恒压控制单元；

模式判断单元接收总输出电压值、总输出电流值、充电电流值，总输出电流限流值，并为模式判断单元配置设定的充电电流值，总输出电流限流值、充电电流限流值和总输出电压设定参考值；根据以上接收值和设定值计算判断充电机运行状态，并将充电机运行状态指令反馈到平滑切换控制单元。

软起动结束后，控制单元默认充电机进入恒压运行状态，启动恒压控制单元。恒压运行状态下，采用恒压控制算法，恒压控制单元工作，但：

当且时，进入总电流限流运行状态，平滑切换控制单元控制切换到总电流限流控制单元，总电流限流控制单元工作，切换到总电流限流控制算法；否则，当且时，进入充电限流运行状态，平滑切换控制单元控制切换到充电限流控制单元，充电限流控制单元工作，切换到充电限流控制算法；否则，仍为恒压运行状态；

充电限流运行状态下，采用充电限流控制算法，充电限流控制单元工作，但：

当且时，进入恒压运行状态，平滑切换控制单元控制切换到恒压控制控制单元，恒压控制单元工作，切换到恒压控制算法；否则，当且进入总电流限流运行状态，平滑切换控制单元控制切换到总电流限流控制单元，总电流限流控制单元工作，切换到总电流限流控制算法；否则，仍工作在充电限流运行状态；

总电流限流运行状态下，采用总电流控制算法，总电流限流控制单元工作，但：

当，且时，进入恒压控制运行状态，平滑切换控制单元控制切换到恒压控制控制单元，恒压控制单元工作，切换到恒压控制算法；否则，当且进入充电限流运行状态，充电限流控制单元工作，平滑切换控制单元控制切换到充电限流控制单元，切换到充电限流控制算法；否则，仍工作在总电流限流运行状态。

以上各式中，V_out为总输出电压值，V_out-ref为总输出电压限压值，I_out为总输出电流值，I_out-ref为总输出电流限流值，I_bat为充电电流值，I_bat-ref为充电电流限流值，V_ref为总输出电压设定参考值。

恒压控制算法、总电流限流控制算法和充电限流控制算法均采用PI控制算法，采用三组不同的PI参数，分别选取满足自稳态控制要求的K_P和K_I参数。

PI控制器的设计方法如下：

PI控制器的s域传递函数为：

其中K_P为比例系数，K_I为积分系数。

PI控制器的z域传递函数为：

$G\left(z\right)=(K_P+\frac{K_I}{s}){|}_{s=\frac{T}{2}\×\frac{1-z^{-1}}{1+z^{-1}}}=\frac{(K_P+\frac{T}{2}{K}_I)+(\frac{T}{2}{K}_I-K_P)z^{-1}}{1-z^{-1}}$

进而得到易于变成实现的PI控制器的差分方程：

以上两式中的T为输出采样频率；

对于恒压控制算法：其中V_out(k)为充电机输出电压当前采样值。

对于总电流限流控制算法：其中I_out(k)为充电机总输出电流当前采样值。

对于充电限流控制算法：其中I_bat(k)为充电电流当前采样值。

软起动结束时，将当前累加得占空比DUTY值作为恒压控制单元、总电流限流控制单元和充电限流控制单元的输入；作为三种控制算法中的u(k-1)，其中，DUTY＝duty(t)+Δduty。充电机的软起动控制采用的是开环控制。

进入恒压模式，首先判断V_ref是否小于设定参考值，设定参考值是充电机总输出电压即V_out的目标值，电压设定值V_ref随时间变化；若V_ref小于设定参考值，则V_ref以固定步长累加，逐步靠近V_out的设定参考值，从而也使总输出电压逐步靠近设定的参考值；若否，则V_ref等于设定参考值，然后进行恒压控制。当充电机工作状态由恒压工作模式向充电限流工作模式切换时，将切换时刻恒压控制单元输出u(k)，作为充电限流控制单元的u(k-1)，计算第一次充电限流控制单元的e(k)；同理，当充电机由恒压工作模式向总电流限流工作模式转换时，将切换时刻恒压控制单元输出u(k)，作为总电流限流控制单元u(k-1)，并计算第一次总电流限流控制单元e(k)。

进入总电流限流模式，直接进行总电流限流控制，当充电机由总电流限流工作模式向充电限流工作模式或恒压工作模式切换时，将总电流限流控制单元输出u(k)分别赋予充电限流控制单元和恒压控制单元，作为u(k-1)，并计算一次充电限流控制单元和恒压控制单元e(k)；

进入充电限流模式，直接进行总电流限流控制，当充电机由充电限流限流工作模式向总电流限流工作模式或恒压工作模式切换时，然后将充电限流控制单元输出u(k)分别赋予总电流限流控制单元和恒压控制单元u(k-1)，并计算一次总电流限流控制单元和恒压控制单元e(k)。

采用本发明控制系统及控制方法对充电机进行控制模拟实验，采用示波器观察输出波形，得到图4、图5和图6。

图4所示，为充电机在恒压运行状态和总电流限流运行状态切换时，充电机输出波形图。从图4可见，充电机工作在恒压模式时，设定输出电压参考值V_ref＝120V，充电机总输出电压V_out＝120V，总输出电流I_out＝30A。在T1时刻，充电机由恒压运行状态进入总电流限流运行状态时，充电机总输出电压V_out＝114V，可实现输出电压的平滑切换。同样，在T2时刻，充电机由总电流限流运行状态切换到恒压运行状态时，总输出电压迅速且平滑的作出反应，未发生较大波动，表明控制算法可平稳切换。

图5所示，为充电机工作在软起动结束后，进入充电限流运行状态时，充电机输出波形图。从图5可见，充电机工作在软起动模式时，设定输出电压参考值V_ref＝120V，充电电流限流值I_bat-ref＝54A，充电机总输出电压V_out＝120V，充电电流I_bat＝30A。在T3时刻，充电机软起动结束，由软起动模式向充电限流运行状态切换，充电机总输出电压V_out＝116V，I_bat＝54A，可实现输出电压的平滑切换，表明充电机控制系统平滑切换了运行状态，较好的控制了超调量。

图6所示，为充电机由充电限流运行状态向恒压运行状态切换时，充电机输出波形图。从图6可见，设定输出电压参考值V_ref＝120V，充电机总输出电压V_out＝119V，充电电流限流值I_bat-ref＝54A,充电电流I_bat＝54A。在T4时刻，充电机由充电限流运行状态向恒压运行状态切换，充电机总输出电压V_out＝120V，可实现输出电压的平滑切换。切换到恒压模式后，由于蓄电池载荷逐渐增加，I_bat值逐渐降低。

由图4、图5和图6可见，采用本发明技术方案，模式间切换相应迅速(约0.2s以内)，超调较小(约5％)，各个模式中，充电机输出电压、电流平稳精确(波动为±1％，精度为±1％)，波动较小，可实现充电机在各个工作模式间控制的平稳切换。

系统工作过程中，采取以下方法选取采样数据：

1、充电机输入电压：采用充电机输入电压采集装置的实时采样值；

2、充电机总输出电压：采用总输出电压采集装置的实时采样值；

3、充电机输出总电流：采用总输出电流采集装置的实时采样值；

4、蓄电池充电电流，当还是采样值I_bat(k)大于I_bat-ref时，采用实时采样值；否则对采样的充电电流进行一阶低通滤波处理：

y(k)＝y(k-1)+0.05*(x(k)-y(k-1))

其中，x(k)为充电电流当前采样值，y(k)为滤波后充电电流。