基于atmega16單片機的智能型鉛酸電池充電器設計方案

0 引言

本文針對礦用永磁操動(dòng)機構饋電開(kāi)關(guān)智能控制器采用的鉛酸蓄電池在充電過(guò)程中存在充電過(guò)度、充電不足、電池過(guò)熱和充電速度慢等諸多問(wèn)題，提出了一種以atmega16 單片機為核心的智能充電器設計方案。采用了基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法，提高了充電器的充電速度，減少了電池損耗，實(shí)現了對鉛酸蓄電池充電過(guò)程的智能化控制。

目前礦用永磁操動(dòng)機構饋電開(kāi)關(guān)智能控制器采用鉛酸蓄電池作為備用電源。傳統的鉛酸蓄電池充電方法有恒流限壓充電和恒壓限流充電，但充電效果都不是很理想，一方面這些方法充電時(shí)間過(guò)長(cháng)，溫升過(guò)快。另一方面，充電過(guò)程中存在過(guò)充和欠充現象。專(zhuān)家研究表明：鉛酸蓄電池充電過(guò)程對其壽命影響最大，過(guò)充電、充電不足以及溫升都是引起電池故障的主要原因。

基于以上原因，系統根據蓄電池的充電特性，采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法，設計了以atmega16 單片機為核心的智能充電器，它能夠實(shí)時(shí)采集電池充電過(guò)程中的電流、電壓、溫度等模擬量，使充電始終在最佳狀態(tài)下進(jìn)行，實(shí)現了高效、快速、無(wú)損的充電過(guò)程。

1 系統總體結構設計

系統選取ATMEL 公司生產(chǎn)的 atmega16 單片機作為核心控制芯片?？傮w結構包括：電源模塊、充電主電路模塊、模擬量檢測模塊、顯示及報警模塊和IGBT 驅動(dòng)模塊。系統總體結構如圖1 所示。

圖1 系統總體結構圖

在充電過(guò)程中，單片機實(shí)時(shí)采集電池充電過(guò)程中的電流、電壓和溫度等模擬量，通過(guò)其內部的A/D 轉換器將上述模擬量轉化為數字量，并判斷電池是否出現過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)溫等故障。若出現故障，單片機立即關(guān)斷IGBT,并發(fā)出聲光報警。若檢測正常，則采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法產(chǎn)生相應占空比的PWM 脈沖來(lái)控制IGBT 開(kāi)關(guān)，通過(guò)BUCK 電路對電池進(jìn)行充電。

2 系統硬件電路設計

2.1 充電主電路設計

充電主電路其實(shí)是一個(gè)BUCK 變換器，BUCK 電路屬于降壓斬波電路。充電主電路如圖3 所示。IGBT、二極管、電感L1 和電容C10 構成BUCK 電路，220V市電經(jīng)變壓器降壓，通過(guò)整流橋整流和EMI平滑濾波后，作為直流充電電源。在工作過(guò)程中，PWM 控制信號的高電平脈沖出現，使IGBT 導通，電感L1 的電流不斷增大，并對電容C10 儲能，同時(shí)對電池充電。此時(shí)，續流二極管因反向偏置而截止。PWM 信號出現低電平時(shí)，IGBT 截止，電感L1 維持原電流方向，與續流二極管構成充電回路，利用L1 和C10 中存儲的電能向電池充電。

圖2 充電器實(shí)物圖

圖3 充電主電路

2.2 模擬量檢測模塊

2.2.1 電壓檢測電路設計

電壓檢測電路采用線(xiàn)性光耦HCNR201 將噪聲信號與單片機系統隔離開(kāi)來(lái)，電壓檢測電路如圖4 所示。

圖4 電壓檢測電路

在正常充電的過(guò)程中，電池端電壓Ubat 的變化范圍是9V-15V,而單片機檢測電壓的范圍是0-5V,所以通過(guò)R27 和Rw4 對電池兩端的電壓進(jìn)行分壓，通過(guò)調節Rw4 的阻值來(lái)限定運算放大器1 的輸入電壓，使其始終保持在0-5V.電阻R24 來(lái)控制初級運放輸入偏置電流的大小，C20 起反饋作用，同時(shí)濾除了電路中的毛刺信號，避免HCNR201 的發(fā)光二極管LED 受到意外的沖擊。R23 可以控制LED 的發(fā)光強度，從而對控制通道增益起一定作用。運算放大器2 和電阻R14將線(xiàn)性光耦HCNR201 的輸出電流信號轉化成輸出電壓信號送入單片機。

2.2.2 電流檢測電路設計

充電電流是通過(guò)檢測充電回路電阻兩端的電壓，并通過(guò)計算其與充電回路電阻的比值得到的。因此電流檢測電路與電壓檢測電路基本相同，區別在于電流充電回路電阻兩端電壓已經(jīng)在0-5V 范圍內，不需要電阻分壓。

2.2.3 溫度檢測電路設計

溫度檢測電路如圖5 所示。選用數字溫度傳感器DS18B20 檢測電池溫度，緊貼電池安裝，當電池溫度變化時(shí)，DS18B20 輸出引腳輸出相應的信號，單片機將該信號轉化為溫度顯示在液晶屏上。當溫度超過(guò)設定值時(shí)，發(fā)出報警信號。

圖5 溫度檢測電路

2.3 顯示及報警模塊

顯示模塊主要是采用北京銘正同創(chuàng )科技有限公司生產(chǎn)的12864LCD 液晶顯示器。該液晶顯示器顯示的內容包括：電池充電電流、電壓、溫度和充電狀態(tài)等信息。

報警模塊的主要功能是當電池在充電過(guò)程中發(fā)生過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)溫等情況時(shí)立即報警，并在12864 液晶屏上顯示故障原因，同時(shí)關(guān)斷IGBT 開(kāi)關(guān)管。

2.4 IGBT 驅動(dòng)模塊

IGBT 的驅動(dòng)電路如圖6 所示。為了提高系統的抗干擾能力，采用光耦TLP250 作為IGBT 的核心驅動(dòng)芯片。TLP250 光耦既保證了功率驅動(dòng)電路與PWM 脈寬調制電路的可靠隔離，又具備了直接驅動(dòng)IGBT 的能力，使驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單。

圖6 IGBT 驅動(dòng)電路

3 模糊控制設計

采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法實(shí)現模糊控制器設計，輸入量為理想電流與實(shí)際電流之差ΔI和ΔI 的變化率ΔI/t,模糊控制器輸出為以比例、積分、微分控制的充電電流值，該控制算法簡(jiǎn)化了控制器的結構、提高了抗干擾性和魯棒性[4-6].模糊控制器的總體結構圖如圖7 所示。

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