CN110336457B - 一种数字式车载电源输出软起动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字式车载电源输出软起动方法，属于车载电子技术领域，包括建立车载电源主电路和车载电源控制单元，初始化配置函数、完成功能函数、通过比较软起动计数器与设定电压参考值的方式选择二者中的一个作为电压外环电压基准代入电压外环PID计算，从而实现车载电源软启动，解决了车载电源软启动的技术问题，杜绝了车载电源这种开关式电源输出端电压过大、输出端电压急剧上升而导致输出端电容无法曾受过大的浪涌电流的情况，本发明避免了使用软起动电路从而减小了车载电源的体积以及制造成，避免了软起动电路的功率消耗，提高了车载电源的运行效率，实现了软起动时间的可控。
Description
技术领域
本发明属于车载电子理技术领域，特别涉及一种数字式车载电源输出软起动方法。
背景技术
为了缓解能源消耗和环境问题，实现汽车产业绿色可持续发展，发展电动汽车已成为行业共同选择和研究重点。电动汽车(BEV)是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。
车载电源属于开关电源。开关电源的软起动电路通常是指在开关电源的输入电路设置的防止冲击电流的电路。开关电源的输入电路大都采用整流加电容滤波电路。在输入电路合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零会形成很大的瞬时冲击电流，特别是大功率开关电源，其输入采用较大容量的滤波电容器，其冲击电流可达100A以上。在电源接通瞬间产生如此大的冲击电流幅值，往往会导致输入熔断器烧断，有时甚至将合闸开关的触点烧坏，轻者也会使空气开关合不上闸，上述原因均会造成开关电源无法正常投入。为此几乎所有的开关电源在其输入电路设置防冲击电流的软起动电路，以保证开关电源正常而可靠的运行。
功率热敏电阻电路是一种常见的软起动电路。它利用热敏电阻的负温度系数特性，在电源接通瞬间，热敏电阻的阻值较大，达到限制冲击电流的作用；当热敏电阻流过较大电流时，电阻发热而使其阻值变小，使电路处于正常工作状态。在实际使用时，开关电源输入电路设置软起动电路仅在合闸瞬间起作用，通过将热敏电阻与输入继电器并联，在软起动完成后闭合输入继电器而使热敏电阻失去作用防止进一步的功率消耗。然而在开关电源输出端采用功率热敏电阻电路会造成车载电源体积的增大以及成本的增加，热敏电阻上功率的消耗也会使车载电源的工作效率大幅度降低。
除了传统的软起动电路，一些集成式芯片中运用了一种利用恒流源给电容充电的软起动方法。如图1所示，由TL431组成的高精度恒流源电路给软起动电容Css充电，恒流源电流大小由电阻R1的阻值决定。在软起动电容Css不断充电过程中，软起动电容电压值缓慢增加，软起动电容电压的正端与电压参考值共同连接到运放器的正端，运放器的负端连接输出电压值。当软起动电容电压值小于电压参考值时，电压参考值失去调节作用，车载电源电压外环以软起动电容电压作为参考值进行调节，输出电压跟随软起动电容电压缓慢上升；当软起动电容电压值大于电压参考值时，软起动电容电压值失去调节作用，此时车载电源电压外环以设定的电压参考值作为参考电压进行调节最终使输出电压稳定在设定的电压参考值处。这种软起动方法相较于传统的软起动方法具有结构简单便于集成的优点，然而由于恒流源电流大小不变，软起动过程的时间无法调节，输出电压上升到参考电压值的时间不受控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字式车载电源输出软起动方法，解决了车载电源软启动的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种数字式车载电源输出软起动方法，包括如下步骤：
步骤1：建立车载电源主电路和车载电源控制单元，车载电源主电路包括一个移相全桥电路；
车载电源控制单元包括控制电路、采样及通信电路、保护电路和驱动电路，控制电路包括主控芯片及其外围电路，采样及通信电路包括ADC数模转换模块和通信模块，保护电路包括一个过流保护电路，驱动电路用于对移相全桥电路提供4路PWM驱动信号；
ADC数模转换模块与主控芯片的一组IO口连接，ADC数模转换模块用于对外提供数模采样端口；
通信模块与主控芯片的一组串口连接，通信模块用于与上位机通信；
过流保护电路包括主控芯片的内部比较器，内部比较器的正输入端连接移相全桥电路中的变压器的原边的电流信号、负输入端连接主控芯片的内部DACVAL寄存器；
驱动电路为主控芯片的一组IO口，主控芯片通过该组IO口为移相全桥电路提供所述4路PWM驱动信号；
步骤2：初始化配置函数：主控芯片对配置函数进行初始化操作，配置函数包括系统时钟的配置、中断配置、程序运行方式配置、外设配置、看门狗配置、引脚状态配置、外设使能配置、参数初始化配置和程序时间片配置；
步骤3：根据功能函数完成对车载电源主电路的电信号采样、驱动、过流保护，同时完成数据的传递和存储功能，其步骤如下：
步骤S1：PWM信号驱动：主控芯片通过IO口产生4路PWM信号，并将这4路PWM信号加载到移相全桥电路，PWM信号的开关频率配置为67KHz、占空比均配置为50％、移相全桥电路中的同桥臂开关管的PWM驱动信号配置为互补导通且之间的死区时间配置为200ns、对应开关管之间的PWM驱动信号由相位寄存器控制移相角度；
步骤S2：ADC采样结果的上传：ADC数模转换模块共有6路电信号需要采样，采样时需要对每一路电信号均配置一个采样通道，每一个电信号的采样均由PWM驱动信号进行触发，采样时间配置为383ns，仅输出电压与输出电流采样完成后需配置进入中断完成双环PID输出的计算；
步骤S3：电流保护事件记录：主控芯片通过配置DACVAL寄存器的值可以调节过流保护的节点，当所述内部比较器的正输入端的电流信号大于配置的DACVAL的值时，所述内部比较器输出高电平，该高电平信号继续作用于ePWM模块中的TZ子模块将PWM驱动信号置低；
步骤4：主控芯片利用设定一个软起动计数器每次进入中断不断累加的方式模拟恒定电流源对软起动电容Css进行充电，通过比较软起动计数器与设定电压参考值的方式选择二者中的一个作为电压外环电压基准与采样得到的移相全桥电路输出电压相减得到电压误差值，通过PID计算输出占空比值，最终通过主控芯片输出对应占空比的PWM驱动信号，随着软起动计数器值不断增加实现输出PWM驱动信号占空比不断增加从而实现车载电源软启动。
优选的，所述数模采样端口所采样的电信号包括移相全桥电路输入电压、移相全桥电路输出电压、车载电源电池电压、移相全桥电路输出电感电流。
优选的，所述通信模块为主控芯片TMS320F28035内部的SCI异步串口通信模块。
优选的，所述主控芯片的IO口还连接一组LED呼吸灯的控制，用于指示所述载电源主电路和所述车载电源控制单元的工作状态。
优选的，在执行步骤S2时，电信号的采样由PWM驱动信号进行触发的方法为：每个开关周期触发一次对输出电流信号的采样，每三个开关周期触发一次对输出电压信号的采样。
本发明所述的一种数字式车载电源输出软起动方法，解决了车载电源软启动的技术问题，杜绝了车载电源这种开关式电源输出端电压过大、输出端电压急剧上升而导致输出端电容无法曾受过大的浪涌电流的情况，本发明避免了使用软起动电路从而减小了车载电源的体积以及制造成，避免了软起动电路的功率消耗，提高了车载电源的运行效率，实现了软起动时间的可控。
附图说明
图1是背景技术的电路图示意图；
图2是本发明的系统构架图；
图3是本发明的软起动方法控制框图；
图4是移相全桥电路的电路原理图。
具体实施方式
如图2-图4所示的一种数字式车载电源输出软起动方法，包括如下步骤：
步骤1：建立车载电源主电路和车载电源控制单元，车载电源主电路包括一个移相全桥电路；
车载电源控制单元包括控制电路、采样及通信电路、保护电路和驱动电路，控制电路包括主控芯片及其外围电路，采样及通信电路包括ADC数模转换模块和通信模块，保护电路包括一个过流保护电路，驱动电路用于对移相全桥电路提供4路PWM驱动信号；
主控芯片的GPIO引脚的功能包括：作为普通GPIO口实现LED呼吸灯的亮灭控制，作为普通GPIO口实现继电器的开关控制，作为ADC引脚实现电信号的采样，作为PWM引脚实现PWM驱动信号的输出，作为异步通信串口引脚实现数据的接收与发送，作为比较器引脚实现电流保护的控制。
主控芯片的型号为TMS320F28035，ADC数模转换模块为主控芯片中的内置电路。
ADC数模转换模块与主控芯片的一组IO口连接，ADC数模转换模块用于对外提供数模采样端口；
通信模块与主控芯片的一组串口连接，通信模块用于与上位机通信；
过流保护电路包括主控芯片的内部比较器，内部比较器的正输入端连接移相全桥电路中的变压器的原边的电流信号、负输入端则通过主控芯片的内部寄存器设置过流点，实现连接主控芯片的内部DACVAL寄存器；
驱动电路为主控芯片的一组IO口，主控芯片通过该组IO口为移相全桥电路提供所述4路PWM驱动信号；
步骤2：初始化配置函数：主控芯片对配置函数进行初始化操作，配置函数包括系统时钟的配置、中断配置、程序运行方式配置、外设配置、看门狗配置、引脚状态配置、外设使能配置、参数初始化配置和程序时间片配置；
步骤3：根据功能函数完成对车载电源主电路的电信号采样、驱动、过流保护，同时完成数据的传递和存储功能，其步骤如下：
步骤S1：PWM信号驱动：主控芯片通过IO口产生4路PWM信号，并将这4路PWM信号加载到移相全桥电路，PWM驱动信号的开关频率配置为67KHz；根据移相全桥开关管的控制策略每路PWM驱动信号的占空比均配置为50％；根据实际需要将同桥臂开关管的PWM驱动信号配置为互补导通且之间的死区时间配置为200ns，对应开关管之间的PWM驱动信号由相位寄存器控制移相角度；
步骤S2：ADC采样结果的上传：ADC数模转换模块共有6路电信号需要采样，采样时需要对每一路电信号均配置一个采样通道，每一个电信号的采样均由PWM驱动信号进行触发，采样时间配置为383ns，仅输出电压与输出电流采样完成后需配置进入中断完成双环PID输出的计算；
双环PID输出的计算包括通过对主控芯片内部寄存器的配置，在完成输出电压与输出电流采样后进入ADC中断完成ADC采样结果的上传。
步骤S3：电流保护事件记录：主控芯片通过配置DACVAL寄存器的值可以调节过流保护的节点，当所述内部比较器的正输入端的电流信号大于配置的DACVAL的值时，所述内部比较器输出高电平，该高电平信号继续作用于ePWM模块中的TZ子模块将PWM驱动信号置低；ePWM模块中的TZ子模块用于在接收到高电平信号后将PWM驱动信号置低。
在实现过流保护作用的内部比较器输出置高时，配置将所有开关管的PWM驱动信号置低。
配置函数只在最初运行一次，完成各种功能的初始化配置；功能函数则需要在while循环中不断循环运行，完成各种功能的循环调度运行。
步骤4：主控芯片利用设定一个软起动计数器每次进入中断不断累加的方式模拟恒定电流源对软起动电容Css进行充电，通过比较软起动计数器与设定电压参考值的方式选择二者中的一个作为电压外环电压基准与采样得到的移相全桥电路输出电压相减得到电压误差值，通过PID计算输出占空比值，最终通过主控芯片输出对应占空比的PWM驱动信号，随着软起动计数器值不断增加实现输出PWM驱动信号占空比不断增加从而实现车载电源软启动；
通过修改每次进入中断后软起动计数器累加的值的大小进而控制软起动计数器累加到电压参考值的时间，实现了软起动时间的可控，
具体步骤如下：
步骤A1：刚开机时，DSP芯片控制输出继电器的闭合，车载电源开始充电；
步骤A2：车载电源的开关频率设置为67KHz，开关周期为15us，根据实际要求将电压外环的带宽设置在1KHz，因此由采样定理可利用ePWM模块控制每三个开关周期触发一次对输出电压信号的采样；
步骤A3：将输出电压信号的采样结果转换为实际电压值，且设置DSP芯片内部ADC模块在输出电压信号采样完成后进入ADC中断；
步骤A4：设置一个全局变量定义为软起动计数器，在每次进入中断后完成一次累加操作并将该计数器的值与设置的参考电压值进行比较；
在车载电源刚开始工作时，由于软起动计数器从0开始计数，软起动计数器的值必然小于参考电压的值，此时将软起动计数器的值作为电压外环的电压参考值代入到电压外环的PID计算中得到电压外环的PID输出结果，该输出结果作用于DSP芯片内部ePWM模块输出PWM驱动波形；
步骤A5：由于软起动计数器每次进入中断后才完成一次累加操作，因此在电压电流双环调节下输出电压也跟随软起动计数器的值缓慢上升；
步骤A6：当软起动计数器的值累加到大于或等于参考电压值时将参考电压的值作为电压外环的电压参考值代入到电压外环的PID计算中得到电压外环的PID输出结果，最终通过调节使得车载电源稳定工作在电压参考值处，同时停止软起动计数器继续累加；
步骤A7：通过修改每次进入中断后软起动计数器累加的值可以调节软起动计数器累加到参考电压值的时间从而实现了软起动的调节。
优选的，所述数模采样端口所采样的电信号包括移相全桥电路输入电压、移相全桥电路输出电压、车载电源电池电压、移相全桥电路输出电感电流。
优选的，所述通信模块为主控芯片TMS320F28035内部的SCI异步串口通信模块。
优选的，所述主控芯片的IO口还连接一组LED呼吸灯的控制，用于指示所述载电源主电路和所述车载电源控制单元的工作状态。
优选的，在执行步骤S3时，电信号的采样由PWM驱动信号进行触发的方法为：每个开关周期触发一次对输出电流信号的采样，每三个开关周期触发一次对输出电压信号的采样。
本发明所述的一种数字式车载电源输出软起动方法，解决了车载电源软启动的技术问题，杜绝了车载电源这种开关式电源输出端电压过大、输出端电压急剧上升而导致输出端电容无法曾受过大的浪涌电流的情况，本发明避免了使用软起动电路从而减小了车载电源的体积以及制造成，避免了软起动电路的功率消耗，提高了车载电源的运行效率，实现了软起动时间的可控。
Claims (5)
1.一种数字式车载电源输出软起动方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：建立车载电源主电路和车载电源控制单元，车载电源主电路包括一个移相全桥电路；
车载电源控制单元包括控制电路、采样及通信电路、保护电路和驱动电路，控制电路包括主控芯片及其外围电路，采样及通信电路包括ADC数模转换模块和通信模块，保护电路包括一个过流保护电路，驱动电路用于对移相全桥电路提供4路PWM驱动信号；
ADC数模转换模块与主控芯片的一组IO口连接，ADC数模转换模块用于对外提供数模采样端口；
通信模块与主控芯片的一组串口连接，通信模块用于与上位机通信；
过流保护电路包括主控芯片的内部比较器，内部比较器的正输入端连接移相全桥电路中的变压器的原边的电流信号、负输入端连接主控芯片的内部DACVAL寄存器；
驱动电路为主控芯片的一组IO口，主控芯片通过该组IO口为移相全桥电路提供所述4路PWM驱动信号；
步骤2：初始化配置函数：主控芯片对配置函数进行初始化操作，配置函数包括系统时钟的配置、中断配置、程序运行方式配置、外设配置、看门狗配置、引脚状态配置、外设使能配置、参数初始化配置和程序时间片配置；
步骤3：根据功能函数完成对车载电源主电路的电信号采样、驱动、过流保护，同时完成数据的传递和存储功能，其步骤如下：
步骤S1：PWM信号驱动：主控芯片通过IO口产生4路PWM信号，并将这4路PWM信号加载到移相全桥电路，PWM信号的开关频率配置为67KHz、占空比均配置为50％、移相全桥电路中的同桥臂开关管的PWM驱动信号配置为互补导通且之间的死区时间配置为200ns、对应开关管之间的PWM驱动信号由相位寄存器控制移相角度；
步骤S2：ADC采样结果的上传：ADC数模转换模块共有6路电信号需要采样，采样时需要对每一路电信号均配置一个采样通道，每一个电信号的采样均由PWM驱动信号进行触发，采样时间配置为383ns，仅输出电压与输出电流采样完成后需配置进入中断完成双环PID输出的计算；
步骤S3：电流保护事件记录：主控芯片通过配置DACVAL寄存器的值可以调节过流保护的节点，当所述内部比较器的正输入端的电流信号大于配置的DACVAL的值时，所述内部比较器输出高电平，该高电平信号继续作用于ePWM模块中的TZ子模块将PWM驱动信号置低；
步骤4：主控芯片利用设定一个软起动计数器每次进入中断不断累加的方式模拟恒定电流源对软起动电容Css进行充电，通过比较软起动计数器与设定电压参考值的方式选择二者中的一个作为电压外环电压基准与采样得到的移相全桥电路输出电压相减得到电压误差值，通过PID计算输出占空比值，最终通过主控芯片输出对应占空比的PWM驱动信号，随着软起动计数器值不断增加实现输出PWM驱动信号占空比不断增加从而实现车载电源软启动；
通过修改每次进入中断后软起动计数器累加的值的大小进而控制软起动计数器累加到电压参考值的时间，实现了软起动时间的可控，
具体步骤如下：
步骤A1：刚开机时，DSP芯片控制输出继电器的闭合，车载电源开始充电；
步骤A2：车载电源的开关频率设置为67KHz，开关周期为15us，根据实际要求将电压外环的带宽设置在1KHz，因此由采样定理可利用ePWM模块控制每三个开关周期触发一次对输出电压信号的采样；
步骤A3：将输出电压信号的采样结果转换为实际电压值，且设置DSP芯片内部ADC模块在输出电压信号采样完成后进入ADC中断；
步骤A4：设置一个全局变量定义为软起动计数器，在每次进入中断后完成一次累加操作并将该计数器的值与设置的参考电压值进行比较；
在车载电源刚开始工作时，由于软起动计数器从0开始计数，软起动计数器的值必然小于参考电压的值，此时将软起动计数器的值作为电压外环的电压参考值代入到电压外环的PID计算中得到电压外环的PID输出结果，该输出结果作用于DSP芯片内部ePWM模块输出PWM驱动波形；
步骤A5：由于软起动计数器每次进入中断后才完成一次累加操作，因此在电压电流双环调节下输出电压也跟随软起动计数器的值缓慢上升；
步骤A6：当软起动计数器的值累加到大于或等于参考电压值时将参考电压的值作为电压外环的电压参考值代入到电压外环的PID计算中得到电压外环的PID输出结果，最终通过调节使得车载电源稳定工作在电压参考值处，同时停止软起动计数器继续累加；
步骤A7：通过修改每次进入中断后软起动计数器累加的值可以调节软起动计数器累加到参考电压值的时间从而实现了软起动的调节。
2.如权利要求1所述的一种数字式车载电源输出软起动方法，其特征在于：所述数模采样端口所采样的电信号包括移相全桥电路输入电压、移相全桥电路输出电压、车载电源电池电压、移相全桥电路输出电感电流。
3.如权利要求1所述的一种数字式车载电源输出软起动方法，其特征在于：所述通信模块为所述主控芯片内部的SCI异步串口通信模块。
4.如权利要求1所述的一种数字式车载电源输出软起动方法，其特征在于：所述主控芯片的IO口还连接一组LED呼吸灯的控制，用于指示所述载电源主电路和所述车载电源控制单元的工作状态。
5.如权利要求1所述的一种数字式车载电源输出软起动方法，其特征在于：在执行步骤S2时，电信号的采样由PWM驱动信号进行触发的方法为：每个开关周期触发一次对输出电流信号的采样，每三个开关周期触发一次对输出电压信号的采样。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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