本發(fā)明屬于充電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多工作模式移相全橋充電機(jī)控制系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

列車充電機(jī)用于為整車直流負(fù)載供電，并為蓄電池充電。根據(jù)列車工況的不同，充電機(jī)有多種工作模式，具體包括恒壓、充電限流和總電流電流三種模式。為保證充電機(jī)穩(wěn)定工作，每種工作模式對(duì)應(yīng)不同的控制策略，分別為恒壓、充電限流和總電流限流三種控制策略。

移相全橋充電機(jī)是采用移相全橋變換器作為充電機(jī)軟開(kāi)關(guān)的充電機(jī)。移相全橋充電機(jī)的結(jié)構(gòu)包括順次連接的移相全橋電路、高頻變壓器及整流電路，其中移相全橋電路包括支撐電容及充電電阻；整流電路的輸出端分別連接蓄電池和負(fù)載，為蓄電池充電，且驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。

列車行駛過(guò)程中，充電機(jī)需要在三種工作模式間頻繁切換，充電機(jī)控制系統(tǒng)需及時(shí)響應(yīng)工作模式的切換狀態(tài)，及時(shí)更換三種控制策略。通常情況下，三種控制策略均采用比例積分控制，若采用三組相同的比例參數(shù)和積分參數(shù)，無(wú)法滿足每種工作模式的個(gè)性，無(wú)法同時(shí)滿足穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓和電流的控制技術(shù)條件要求；若采用三組不同的比例參數(shù)和積分參數(shù)，當(dāng)在兩種控制策略切換的瞬間，需迅速切換比例參數(shù)和積分參數(shù)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)的電壓電流超調(diào)，極端情況下會(huì)造成器件損壞。

目前，尚沒(méi)有一種控制系統(tǒng)及穩(wěn)定的控制方法，可保證列車充電機(jī)在不同工作模式間平滑切換，保證充電機(jī)在不同工作狀態(tài)切換瞬間及切換后都可穩(wěn)定工作的控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中列車充電機(jī)在切換工作狀態(tài)，提供了一種充電機(jī)不同工作模式間平滑切換控制系統(tǒng)和控制方法。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，包括采樣系統(tǒng)和充電機(jī)控制器；采樣系統(tǒng)包括安裝在充電機(jī)輸入端的用于采集輸入電壓的輸入電壓采集裝置、安裝在充電機(jī)輸出端的用于采集總輸出電壓的總輸出電壓采集裝置及用于采集總輸出電流的總輸出電流采集裝置，以及安裝在蓄電池輸入端的用于采集充電電流的充電電流采集裝置。

充電機(jī)控制器包括：

啟動(dòng)運(yùn)行判斷單元：用于接收總輸出電壓信號(hào)、總輸出電流信號(hào)、充電電流信號(hào)和占空比，并判斷充電機(jī)工作在等待狀態(tài)、預(yù)充電狀態(tài)、軟起動(dòng)狀態(tài)或運(yùn)行狀態(tài)，并生成相應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)；所述運(yùn)行狀態(tài)包括恒壓運(yùn)行狀態(tài)、總電流限流運(yùn)行狀態(tài)和充電限流運(yùn)行狀態(tài)；

軟起動(dòng)控制單元：用于在充電機(jī)軟起動(dòng)過(guò)程中對(duì)充電機(jī)進(jìn)行控制；

運(yùn)行控制單元：用于在充電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)中對(duì)充電機(jī)進(jìn)行控制及對(duì)充電機(jī)運(yùn)行模式進(jìn)行判斷；

運(yùn)行控制單元包括：

模式判斷單元：接收總輸出電壓值、總輸出電流值、充電電流值，判斷充電機(jī)工作在何種運(yùn)行狀態(tài)，生產(chǎn)充電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)；

恒壓控制單元：用于當(dāng)充電機(jī)工作在恒壓運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)充電機(jī)控制；

總電流限流控制單元：用于在充電機(jī)工作在總電流限流運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)充電機(jī)控制；

充電限流控制單元：用于在充電機(jī)工作在充電限流運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)充電機(jī)控制；

充電機(jī)控制器還包括平滑切換控制單元：接收模式判斷單元反饋的充電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，以及啟動(dòng)運(yùn)行判斷單元反饋的軟起動(dòng)運(yùn)行信號(hào)，當(dāng)充電機(jī)在軟起動(dòng)與運(yùn)行狀態(tài)之間切換，以及在不同的運(yùn)行狀態(tài)之間切換時(shí)，控制系統(tǒng)平滑地切換到與運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電機(jī)移相全橋電路的控制。

充電機(jī)控制方法，包括以下步驟：

判斷充電機(jī)是否預(yù)充電結(jié)束，若是，則進(jìn)入軟起動(dòng)，軟起動(dòng)控制單元控制充電機(jī)工作；

判斷充電機(jī)軟起動(dòng)是否結(jié)束，若是，則進(jìn)入運(yùn)行工作模式，運(yùn)行控制單元工作，平滑切換控制單元默認(rèn)控制切換到恒壓控制單元；

模式判斷單元接收總輸出電壓值、總輸出電流值、充電電流值，總輸出電流限流值，并為模式判斷單元配置設(shè)定的充電電流值，總輸出電流限流值、充電電流限流值和總輸出電壓設(shè)定參考值；根據(jù)以上接收值和設(shè)定值計(jì)算判斷充電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并將充電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)指令反饋到平滑切換控制單元；

恒壓運(yùn)行狀態(tài)下，采用恒壓控制算法，但：

當(dāng)且時(shí)，進(jìn)入總電流限流運(yùn)行狀態(tài)，平滑切換控制切換到總電流限流控制單元；否則，當(dāng)且時(shí)，進(jìn)入充電限流運(yùn)行狀態(tài)，平滑切換控制單元控制切換到充電限流控制單元；否則，仍為恒壓運(yùn)行狀態(tài)；

充電限流運(yùn)行狀態(tài)下，采用充電限流控制算法，但：

當(dāng)且時(shí)，進(jìn)入恒壓運(yùn)行狀態(tài)，平滑切換控制單元控制切換到恒壓控制控制單元；否則，當(dāng)且進(jìn)入總電流限流運(yùn)行狀態(tài)，平滑切換控制單元控制切換到總電流限流控制單元；否則，仍工作在充電限流運(yùn)行狀態(tài)；

總電流限流運(yùn)行狀態(tài)下，采用總電流限流控制算法，但：

當(dāng)且時(shí)，進(jìn)入恒壓運(yùn)行狀態(tài)，平滑切換控制單元控制切換到恒壓控制控制單元；否則，當(dāng)且進(jìn)入充電限流運(yùn)行狀態(tài)，平滑切換控制單元控制切換到充電限流控制單元；否則，仍工作在總電流限流運(yùn)行狀態(tài)；

以上各式中，V_out為總輸出電壓值，V_out-ref為總輸出電壓限壓值，I_out為總輸出電流值，I_out-ref為總輸出電流限流值，I_bat為充電電流值，I_bat-ref為充電電流限流值，V_ref為總輸出電壓設(shè)定參考值。

優(yōu)選的是：移相全橋電路輸入端設(shè)置有支撐電容，通過(guò)判斷充電機(jī)移相全橋電路中支撐電容上的電壓與充電機(jī)輸入電壓的關(guān)系，判斷預(yù)充電是否結(jié)束。

優(yōu)選的是：判斷充電機(jī)軟起動(dòng)是否結(jié)束的方法為：當(dāng)滿足條件1或條件2或條件3或條件4時(shí)，判斷充電機(jī)軟起動(dòng)結(jié)束，其中：

條件1：當(dāng)累加的占空比大于占空比設(shè)定值；其中duty為占空比設(shè)定值，V₁為輸入電壓采樣值，N為充電機(jī)變壓器變比；

條件2：輸出電壓V_out大于輸出電壓設(shè)定值V_os；

條件3：總輸出電流I_out大于總輸出電流設(shè)定值I_os，

條件4：充電電流I_bat大于充電電流設(shè)定值I_bs。

優(yōu)選的是：V_os＝0.98V_ref，I_os＝0.98I_out-ref，I_bs＝0.98I_bat-ref。

優(yōu)選的是：恒壓控制算法、總電流限流控制算法和充電限流控制算法均采用PI控制算法，采用三組不同的PI參數(shù)：

其中T為采樣頻率；

對(duì)于恒壓控制算法：

對(duì)于總電流限流控制算法：

對(duì)于充電限流控制算法：

軟起動(dòng)結(jié)束時(shí)，將當(dāng)前累加得占空比DUTY值作為恒壓控制單元、總電流限流控制單元和充電限流控制單元的輸入；其中，DUTY＝duty(t)+Δduty。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明提供了一種多控制單元充電機(jī)控制系統(tǒng)及控制方法，分為軟起動(dòng)控制單元、充電限流控制單元、總電流限流控制單元和恒壓控制單元，三個(gè)控制單元采用不同的控制參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)各運(yùn)行狀態(tài)或工作模式下的穩(wěn)態(tài)最優(yōu)效果。

(2)本發(fā)明控制器還包括平滑切換控制單元，當(dāng)充電機(jī)在不同工作模式或運(yùn)行狀態(tài)間切換時(shí)，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制單元控制參數(shù)即控制方法的平穩(wěn)切換，超調(diào)量小，相應(yīng)時(shí)間快，實(shí)現(xiàn)了良好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。

附圖說(shuō)明

圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為充電機(jī)啟動(dòng)及控制流程圖；

圖3為控制器控制流程圖；

圖4為充電機(jī)在恒壓運(yùn)行狀態(tài)和充電限流運(yùn)行狀態(tài)間切換時(shí)，充電機(jī)總輸出電壓和總輸出電流波形圖；

圖5為充電機(jī)在軟起動(dòng)結(jié)束進(jìn)入充電限流運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，充電機(jī)總輸出電壓和總輸出電流波形圖；

圖6為充電機(jī)在由充電限流工作模式進(jìn)入恒壓運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，充電機(jī)總輸出電壓和總輸出電流波形圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行進(jìn)一步的描述。

如圖1所示，移相全橋充電機(jī)的結(jié)構(gòu)包括順次連接的移相全橋電路、高頻變壓器及整流電路，其中整流電路的輸出端分別連接蓄電池和負(fù)載，為蓄電池充電，且驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。

移相全橋充電機(jī)的工作原理如下：

1、充電機(jī)移相全橋電路采用移相全橋零電壓PWM變換器實(shí)現(xiàn)電壓變換，移相全橋電路輸入較高直流電壓，輸出穩(wěn)定可調(diào)的較低直流電壓。

2、充電機(jī)正常運(yùn)行流程：首先檢測(cè)輸入直流電壓，滿足啟動(dòng)條件后，通過(guò)預(yù)充電電阻對(duì)輸入側(cè)支撐電容進(jìn)行預(yù)充電。支撐電容預(yù)充電結(jié)束時(shí)切除電阻，進(jìn)入軟起動(dòng)。軟起動(dòng)過(guò)程中以固定占空比增加移相角，使充電機(jī)輸出電壓和電流增大，當(dāng)滿足條件時(shí)，充電機(jī)進(jìn)入運(yùn)行階段，并根據(jù)充電機(jī)工況的不同，采用不同控制策略，實(shí)現(xiàn)模式切換和運(yùn)行。

如圖2所示，為充電機(jī)正常工作時(shí)的起動(dòng)流程圖，

1、等待，檢測(cè)輸入直流電壓，達(dá)到啟動(dòng)最低限值進(jìn)入下階段；

2、預(yù)充電，預(yù)充電接觸器閉合后過(guò)一段時(shí)間(預(yù)充電時(shí)間)，閉合軟啟動(dòng)接觸器，并進(jìn)入下軟起動(dòng)階段；

3、軟起動(dòng)，以固定占空比累加，使控制器輸出具有一定移相角的PWM波，控制功率模塊，逐漸增加輸出電壓和電流，達(dá)到運(yùn)行條件，進(jìn)入下一階段；

4、運(yùn)行工作狀態(tài)，包括恒壓運(yùn)行狀態(tài)、充電限流運(yùn)行狀態(tài)和總電流限流運(yùn)行狀態(tài)，判斷充電機(jī)工作模式，然后選擇執(zhí)行相應(yīng)的PI控制器，進(jìn)行閉環(huán)控制。

結(jié)合移相全橋充電機(jī)的工作原理及起動(dòng)流程，設(shè)計(jì)了以下移相全橋充電機(jī)控制系統(tǒng)。

繼續(xù)結(jié)合圖1，移相全橋充電機(jī)控制系統(tǒng)，包括采樣系統(tǒng)和充電機(jī)控制器；采樣系統(tǒng)包括安裝在充電機(jī)輸入端的用于采集輸入電壓的輸入電壓采集裝置、安裝在充電機(jī)輸出端的用于采集總輸出電壓的總輸出電壓采集裝置及用于采集總輸出電流的總輸出電流采集裝置，以及安裝在蓄電池輸入端的用于采集充電電流的充電電流采集裝置。采樣系統(tǒng)可采取相應(yīng)的電流傳感器、電壓傳感器來(lái)執(zhí)行電流、電壓的采集動(dòng)作。

其中輸入電壓為移相全橋電路的輸入電壓；總輸出電壓為全波整流電路的輸出電壓，總輸出電壓分兩路，一路驅(qū)動(dòng)負(fù)載，一路為蓄電池充電，充電電流為蓄電池充電的電流。

充電機(jī)控制器是綜合控制充電機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行的裝置，充電機(jī)控制器包括：

啟動(dòng)運(yùn)行判斷單元：用于接收總輸出電壓信號(hào)、總輸出電流信號(hào)、充電電流信號(hào)和占空比，并判斷充電機(jī)工作在等待狀態(tài)、預(yù)充電狀態(tài)、軟起動(dòng)狀態(tài)或運(yùn)行狀態(tài)，并生成相應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)；所述運(yùn)行狀態(tài)包括恒壓運(yùn)行狀態(tài)、總電流限流運(yùn)行狀態(tài)和充電限流運(yùn)行狀態(tài)；充電機(jī)通電之初，運(yùn)行與等待狀態(tài)，啟動(dòng)運(yùn)行判斷單元反饋等待狀態(tài)信號(hào)，隨后進(jìn)入預(yù)充電狀態(tài)，反饋預(yù)充電狀態(tài)信號(hào)，預(yù)充電技術(shù)后進(jìn)入軟起狀態(tài)，反饋軟起動(dòng)運(yùn)行信號(hào)，隨后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)；軟起動(dòng)運(yùn)行信號(hào)反應(yīng)充電機(jī)是否還工作在軟起動(dòng)模式或已完成軟起動(dòng)。而不管充電機(jī)工作在何種狀態(tài)，若啟動(dòng)運(yùn)行判斷單元接收到的信號(hào)反應(yīng)充電機(jī)故障，或運(yùn)行條件不滿足運(yùn)行要求，例如：過(guò)流、過(guò)壓等，則充電機(jī)返回等待工作狀態(tài)。

軟起動(dòng)控制單元：用于在充電機(jī)軟起動(dòng)過(guò)程中對(duì)充電機(jī)進(jìn)行控制。

軟起動(dòng)結(jié)束后，充電機(jī)將進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行控制單元：用于在充電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)中對(duì)充電機(jī)進(jìn)行控制及對(duì)充電機(jī)運(yùn)行模式進(jìn)行判斷；

運(yùn)行控制單元包括：

模式判斷單元：接收總輸出電壓值、總輸出電流值、充電電流值，判斷充電機(jī)工作在何種運(yùn)行狀態(tài)，生產(chǎn)充電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)；

恒壓控制單元：用于當(dāng)充電機(jī)工作在恒壓運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)充電機(jī)控制；

總電流限流控制單元：用于在充電機(jī)工作在總電流限流運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)充電機(jī)控制；

充電限流控制單元：用于在充電機(jī)工作在充電限流運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)充電機(jī)控制；

充電機(jī)控制器還包括平滑切換控制單元：接收模式判斷單元反饋的充電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，以及啟動(dòng)運(yùn)行判斷單元反饋的軟起動(dòng)運(yùn)行信號(hào)，當(dāng)充電機(jī)在軟起動(dòng)與運(yùn)行狀態(tài)之間切換，以及在不同的運(yùn)行狀態(tài)之間切換時(shí)，控制切換到與運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的控制單元，接通相應(yīng)控制單元與充電機(jī)移相全橋電路之間的連接。

具體的說(shuō)，當(dāng)充電機(jī)在軟起動(dòng)到恒壓工作模式間切換時(shí)，將控制器平滑切換到恒壓控制單元；當(dāng)充電機(jī)從恒壓工作模式切換到總電流限流工作模式時(shí)，將控制器從恒壓控制單元切換到總電流限流控制單元。同理，充電機(jī)在不同的工作模式間切換時(shí)，控制平滑切換到與工作模式匹配的控制單元。

如圖3所示，充電機(jī)控制方法，包括以下步驟：

移相全橋電流的超前橋臂和滯后橋臂分別采用50％占空比的PWM波進(jìn)行控制；軟起動(dòng)過(guò)程中，滯后橋臂PWM波滯后于超前橋臂(1-DUTY)個(gè)周期；運(yùn)行過(guò)程匯總，滯后橋臂PWM波滯后于超前橋臂(1-u(k))個(gè)周期。

充電機(jī)啟動(dòng)后，首先會(huì)進(jìn)行預(yù)充電。判斷充電機(jī)是否預(yù)充電結(jié)束，若是，則進(jìn)入軟起動(dòng)，軟起動(dòng)控制單元控制充電機(jī)工作。

移相全橋控制電路輸入端設(shè)置有支撐電容，通過(guò)判斷充電機(jī)移相全橋電路前端支撐電容上的電壓與充電機(jī)輸入電壓的關(guān)系，判斷預(yù)充電是否結(jié)束。

具體的說(shuō)，預(yù)充電時(shí)間計(jì)算：

其中，R為預(yù)充電電阻，C為支撐電容，V₁為輸入直流電壓，可通過(guò)采樣獲得，V₀為支撐電容上的初始電壓(一般取0)，V_t為預(yù)充電結(jié)束時(shí)，支撐電容C上的電壓(一般取0.9*V₁)。

預(yù)充電時(shí)間結(jié)束，則進(jìn)入充電機(jī)進(jìn)入軟起動(dòng)流程。

判斷充電機(jī)軟起動(dòng)是否結(jié)束，若是，則進(jìn)入運(yùn)行工作模式，運(yùn)行控制單元工作。某一時(shí)刻，充電機(jī)只能工作在一種工作模式下。

具體的說(shuō)，判斷充電機(jī)軟起動(dòng)是否結(jié)束的方法為：當(dāng)滿足條件1或條件2或條件3或條件4時(shí)，判斷充電機(jī)軟起動(dòng)結(jié)束，其中：

條件1：?jiǎn)?dòng)運(yùn)行判斷單元累加其采集的占空比，當(dāng)累加的占空比DUTY大于占空比設(shè)定值；其中duty為占空比設(shè)定值，V₁為輸入電壓采樣值，N為充電機(jī)變壓器變比；V_ref為總輸出電壓設(shè)定參考值。DUTY＝duty(t)+Δduty。

條件2：輸出電壓V_out大于輸出電壓設(shè)定值V_os；其中輸出電壓設(shè)定值為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取的值；

條件3：總輸出電流I_out大于總輸出電流設(shè)定值I_os，其中總輸出電流設(shè)定值為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取的值；

條件4：充電電流I_bat大于充電電流設(shè)定值I_bs，其中充電電流設(shè)定值為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取的值。

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。以上的取值為經(jīng)驗(yàn)值，實(shí)際中，V_os、I_os和I_bs的取值不限于以上取值。

判斷充電機(jī)軟起動(dòng)是否結(jié)束，若是，則進(jìn)入運(yùn)行工作模式，運(yùn)行控制單元工作，平滑切換控制單元默認(rèn)控制切換到恒壓控制單元；

模式判斷單元接收總輸出電壓值、總輸出電流值、充電電流值，總輸出電流限流值，并為模式判斷單元配置設(shè)定的充電電流值，總輸出電流限流值、充電電流限流值和總輸出電壓設(shè)定參考值；根據(jù)以上接收值和設(shè)定值計(jì)算判斷充電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并將充電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)指令反饋到平滑切換控制單元。

軟起動(dòng)結(jié)束后，控制單元默認(rèn)充電機(jī)進(jìn)入恒壓運(yùn)行狀態(tài)，啟動(dòng)恒壓控制單元。恒壓運(yùn)行狀態(tài)下，采用恒壓控制算法，恒壓控制單元工作，但：

當(dāng)且時(shí)，進(jìn)入總電流限流運(yùn)行狀態(tài)，平滑切換控制單元控制切換到總電流限流控制單元，總電流限流控制單元工作，切換到總電流限流控制算法；否則，當(dāng)且時(shí)，進(jìn)入充電限流運(yùn)行狀態(tài)，平滑切換控制單元控制切換到充電限流控制單元，充電限流控制單元工作，切換到充電限流控制算法；否則，仍為恒壓運(yùn)行狀態(tài)；

充電限流運(yùn)行狀態(tài)下，采用充電限流控制算法，充電限流控制單元工作，但：

當(dāng)且時(shí)，進(jìn)入恒壓運(yùn)行狀態(tài)，平滑切換控制單元控制切換到恒壓控制控制單元，恒壓控制單元工作，切換到恒壓控制算法；否則，當(dāng)且進(jìn)入總電流限流運(yùn)行狀態(tài)，平滑切換控制單元控制切換到總電流限流控制單元，總電流限流控制單元工作，切換到總電流限流控制算法；否則，仍工作在充電限流運(yùn)行狀態(tài)；

總電流限流運(yùn)行狀態(tài)下，采用總電流控制算法，總電流限流控制單元工作，但：

當(dāng)，且時(shí)，進(jìn)入恒壓控制運(yùn)行狀態(tài)，平滑切換控制單元控制切換到恒壓控制控制單元，恒壓控制單元工作，切換到恒壓控制算法；否則，當(dāng)且進(jìn)入充電限流運(yùn)行狀態(tài)，充電限流控制單元工作，平滑切換控制單元控制切換到充電限流控制單元，切換到充電限流控制算法；否則，仍工作在總電流限流運(yùn)行狀態(tài)。

以上各式中，V_out為總輸出電壓值，V_out-ref為總輸出電壓限壓值，I_out為總輸出電流值，I_out-ref為總輸出電流限流值，I_bat為充電電流值，I_bat-ref為充電電流限流值，V_ref為總輸出電壓設(shè)定參考值。

恒壓控制算法、總電流限流控制算法和充電限流控制算法均采用PI控制算法，采用三組不同的PI參數(shù)，分別選取滿足自穩(wěn)態(tài)控制要求的K_P和K_I參數(shù)。

PI控制器的設(shè)計(jì)方法如下：

PI控制器的s域傳遞函數(shù)為：

其中K_P為比例系數(shù)，K_I為積分系數(shù)。

PI控制器的z域傳遞函數(shù)為：

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

進(jìn)而得到易于變成實(shí)現(xiàn)的PI控制器的差分方程：

以上兩式中的T為輸出采樣頻率；

對(duì)于恒壓控制算法：其中V_out(k)為充電機(jī)輸出電壓當(dāng)前采樣值。

對(duì)于總電流限流控制算法：其中I_out(k)為充電機(jī)總輸出電流當(dāng)前采樣值。

對(duì)于充電限流控制算法：其中I_bat(k)為充電電流當(dāng)前采樣值。

軟起動(dòng)結(jié)束時(shí)，將當(dāng)前累加得占空比DUTY值作為恒壓控制單元、總電流限流控制單元和充電限流控制單元的輸入；作為三種控制算法中的u(k-1)，其中，DUTY＝duty(t)+Δduty。充電機(jī)的軟起動(dòng)控制采用的是開(kāi)環(huán)控制。

進(jìn)入恒壓模式，首先判斷V_ref是否小于設(shè)定參考值，設(shè)定參考值是充電機(jī)總輸出電壓即V_out的目標(biāo)值，電壓設(shè)定值V_ref隨時(shí)間變化；若V_ref小于設(shè)定參考值，則V_ref以固定步長(zhǎng)累加，逐步靠近V_out的設(shè)定參考值，從而也使總輸出電壓逐步靠近設(shè)定的參考值；若否，則V_ref等于設(shè)定參考值，然后進(jìn)行恒壓控制。當(dāng)充電機(jī)工作狀態(tài)由恒壓工作模式向充電限流工作模式切換時(shí)，將切換時(shí)刻恒壓控制單元輸出u(k)，作為充電限流控制單元的u(k-1)，計(jì)算第一次充電限流控制單元的e(k)；同理，當(dāng)充電機(jī)由恒壓工作模式向總電流限流工作模式轉(zhuǎn)換時(shí)，將切換時(shí)刻恒壓控制單元輸出u(k)，作為總電流限流控制單元u(k-1)，并計(jì)算第一次總電流限流控制單元e(k)。

進(jìn)入總電流限流模式，直接進(jìn)行總電流限流控制，當(dāng)充電機(jī)由總電流限流工作模式向充電限流工作模式或恒壓工作模式切換時(shí)，將總電流限流控制單元輸出u(k)分別賦予充電限流控制單元和恒壓控制單元，作為u(k-1)，并計(jì)算一次充電限流控制單元和恒壓控制單元e(k)；

進(jìn)入充電限流模式，直接進(jìn)行總電流限流控制，當(dāng)充電機(jī)由充電限流限流工作模式向總電流限流工作模式或恒壓工作模式切換時(shí)，然后將充電限流控制單元輸出u(k)分別賦予總電流限流控制單元和恒壓控制單元u(k-1)，并計(jì)算一次總電流限流控制單元和恒壓控制單元e(k)。

采用本發(fā)明控制系統(tǒng)及控制方法對(duì)充電機(jī)進(jìn)行控制模擬實(shí)驗(yàn)，采用示波器觀察輸出波形，得到圖4、圖5和圖6。

圖4所示，為充電機(jī)在恒壓運(yùn)行狀態(tài)和總電流限流運(yùn)行狀態(tài)切換時(shí)，充電機(jī)輸出波形圖。從圖4可見(jiàn)，充電機(jī)工作在恒壓模式時(shí)，設(shè)定輸出電壓參考值V_ref＝120V，充電機(jī)總輸出電壓V_out＝120V，總輸出電流I_out＝30A。在T1時(shí)刻，充電機(jī)由恒壓運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入總電流限流運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，充電機(jī)總輸出電壓V_out＝114V，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的平滑切換。同樣，在T2時(shí)刻，充電機(jī)由總電流限流運(yùn)行狀態(tài)切換到恒壓運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，總輸出電壓迅速且平滑的作出反應(yīng)，未發(fā)生較大波動(dòng)，表明控制算法可平穩(wěn)切換。

圖5所示，為充電機(jī)工作在軟起動(dòng)結(jié)束后，進(jìn)入充電限流運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，充電機(jī)輸出波形圖。從圖5可見(jiàn)，充電機(jī)工作在軟起動(dòng)模式時(shí)，設(shè)定輸出電壓參考值V_ref＝120V，充電電流限流值I_bat-ref＝54A，充電機(jī)總輸出電壓V_out＝120V，充電電流I_bat＝30A。在T3時(shí)刻，充電機(jī)軟起動(dòng)結(jié)束，由軟起動(dòng)模式向充電限流運(yùn)行狀態(tài)切換，充電機(jī)總輸出電壓V_out＝116V，I_bat＝54A，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的平滑切換，表明充電機(jī)控制系統(tǒng)平滑切換了運(yùn)行狀態(tài)，較好的控制了超調(diào)量。

圖6所示，為充電機(jī)由充電限流運(yùn)行狀態(tài)向恒壓運(yùn)行狀態(tài)切換時(shí)，充電機(jī)輸出波形圖。從圖6可見(jiàn)，設(shè)定輸出電壓參考值V_ref＝120V，充電機(jī)總輸出電壓V_out＝119V，充電電流限流值I_bat-ref＝54A,充電電流I_bat＝54A。在T4時(shí)刻，充電機(jī)由充電限流運(yùn)行狀態(tài)向恒壓運(yùn)行狀態(tài)切換，充電機(jī)總輸出電壓V_out＝120V，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的平滑切換。切換到恒壓模式后，由于蓄電池載荷逐漸增加，I_bat值逐漸降低。

由圖4、圖5和圖6可見(jiàn)，采用本發(fā)明技術(shù)方案，模式間切換相應(yīng)迅速(約0.2s以內(nèi))，超調(diào)較小(約5％)，各個(gè)模式中，充電機(jī)輸出電壓、電流平穩(wěn)精確(波動(dòng)為±1％，精度為±1％)，波動(dòng)較小，可實(shí)現(xiàn)充電機(jī)在各個(gè)工作模式間控制的平穩(wěn)切換。

系統(tǒng)工作過(guò)程中，采取以下方法選取采樣數(shù)據(jù)：

1、充電機(jī)輸入電壓：采用充電機(jī)輸入電壓采集裝置的實(shí)時(shí)采樣值；

2、充電機(jī)總輸出電壓：采用總輸出電壓采集裝置的實(shí)時(shí)采樣值；

3、充電機(jī)輸出總電流：采用總輸出電流采集裝置的實(shí)時(shí)采樣值；

4、蓄電池充電電流，當(dāng)還是采樣值I_bat(k)大于I_bat-ref時(shí)，采用實(shí)時(shí)采樣值；否則對(duì)采樣的充電電流進(jìn)行一階低通濾波處理：

y(k)＝y(tǒng)(k-1)+0.05*(x(k)-y(k-1))

其中，x(k)為充電電流當(dāng)前采樣值，y(k)為濾波后充電電流。