基于atmega16單片機(jī)的智能型鉛酸電池充電器設(shè)計(jì)方案

0 引言

本文針對(duì)礦用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)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(jī)為核心的智能充電器設(shè)計(jì)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?fù)p耗，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jī)構(gòu)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(tǒng)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(zhǎng)，溫升過(guò)快。另一方面，充電過(guò)程中存在過(guò)充和欠充現(xiàn)象。專(zhuān)家研究表明：鉛酸蓄電池充電過(guò)程對(duì)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(tǒng)根據(jù)蓄電池的充電特性，采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法，設(shè)計(jì)了以atmega16 單片機(jī)為核心的智能充電器，它能夠?qū)崟r(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(xiàn)了高效、快速、無(wú)損的充電過(guò)程。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選取ATMEL 公司生產(chǎn)的 atmega16 單片機(jī)作為核心控制芯片?？傮w結(jié)構(gòu)包括：電源模塊、充電主電路模塊、模擬量檢測(cè)模塊、顯示及報(bào)警模塊和IGBT 驅(qū)動(dòng)模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

在充電過(guò)程中，單片機(jī)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(nèi)部的A/D 轉(zhuǎn)換器將上述模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并判斷電池是否出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)溫等故障。若出現(xiàn)故障，單片機(jī)立即關(guān)斷IGBT,并發(fā)出聲光報(bào)警。若檢測(cè)正常，則采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM 脈沖來(lái)控制IGBT 開(kāi)關(guān)，通過(guò)BUCK 電路對(duì)電池進(jìn)行充電。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 充電主電路設(shè)計(jì)

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(gòu)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(hào)的高電平脈沖出現(xiàn)，使IGBT 導(dǎo)通，電感L1 的電流不斷增大，并對(duì)電容C10 儲(chǔ)能，同時(shí)對(duì)電池充電。此時(shí)，續(xù)流二極管因反向偏置而截止。PWM 信號(hào)出現(xiàn)低電平時(shí)，IGBT 截止，電感L1 維持原電流方向，與續(xù)流二極管構(gòu)成充電回路，利用L1 和C10 中存儲(chǔ)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(cè)模塊

2.2.1 電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

電壓檢測(cè)電路采用線性光耦HCNR201 將噪聲信號(hào)與單片機(jī)系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)，電壓檢測(cè)電路如圖4 所示。

圖4 電壓檢測(cè)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(jī)檢測(cè)電壓的范圍是0-5V,所以通過(guò)R27 和Rw4 對(duì)電池兩端的電壓進(jìn)行分壓，通過(guò)調(diào)節(jié)Rw4 的阻值來(lái)限定運(yùn)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(jí)運(yùn)放輸入偏置電流的大小，C20 起反饋?zhàn)饔?，同時(shí)濾除了電路中的毛刺信號(hào)，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(qiáng)度，從而對(duì)控制通道增益起一定作用。運(yùn)算放大器2 和電阻R14將線性光耦HCNR201 的輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成輸出電壓信號(hào)送入單片機(jī)。

2.2.2 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

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

2.2.3 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)電路如圖5 所示。選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20 檢測(cè)電池溫度，緊貼電池安裝，當(dāng)電池溫度變化時(shí)，DS18B20 輸出引腳輸出相應(yīng)的信號(hào)，單片機(jī)將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為溫度顯示在液晶屏上。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖5 溫度檢測(cè)電路

2.3 顯示及報(bào)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(nèi)容包括：電池充電電流、電壓、溫度和充電狀態(tài)等信息。

報(bào)警模塊的主要功能是當(dāng)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(bào)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(qū)動(dòng)模塊

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

圖6 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路

3 模糊控制設(shè)計(jì)

采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法實(shí)現(xiàn)模糊控制器設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)、提高了抗干擾性和魯棒性[4-6].模糊控制器的總體結(jié)構(gòu)圖如圖7 所示。

圖7 模糊控制器總體結(jié)構(gòu)圖

3.1 輸入語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)

模糊控制器定義輸入偏差e(t)和偏差變化率ec(t)均有3 個(gè)模糊語(yǔ)言變量值：{ B(大)、M(中)、S(小)},它們的隸屬函數(shù)均采用對(duì)稱(chēng)、全交疊的結(jié)構(gòu)。輸入偏差e(t)和偏差變化率ec(t)的隸屬度函數(shù)如圖8 所示。

圖8 e(t)和ec(t)的隸屬度函數(shù)

3.2 模糊控制規(guī)則

模糊控制器設(shè)計(jì)的核心是模糊控制規(guī)則的選取和確定，本模糊控制器根據(jù)實(shí)際充電情況建立了基于sugeno 推理方式的五條模糊控制規(guī)則：

規(guī)則1:If e is B then νp is νp1,νi is νi1,νd is νd1;

規(guī)則2:If e is M and ec is B then νp is νp2, νi isνi2,νd is νd2;

規(guī)則3:If e is M and ec is M then νp is νp3,νi isνi3,νd is νd3;

規(guī)則4:If e is M and ec is S then νp is νp4, νi isνi4,νd is νd4;

規(guī)則5:If e is S then νp is νp5, νi is νi5,νd is νd5;

3.3 輸出語(yǔ)言變量值

模糊控制器采用sugeno 模糊推理方式，其輸出語(yǔ)言變量νp, νi ,νd 在下述五種控制規(guī)則中的取值如表1所示。

表1 νp,νi,νd 取值表

3.4 模糊推理算法

sugeno 型模糊推理算法，與其它類(lèi)型的模糊推理算法不同，該算法可將去模糊化結(jié)合到模糊推理中，即在sugeno 型模糊規(guī)則后件部分，將輸出量表示為輸入量的線性組合，因此輸出為精確量，這是由sugeno型模糊規(guī)則的形式所決定的。針對(duì)上述模糊控制規(guī)則，可調(diào)因子νp,νi 和νd 的推理計(jì)算公式為：

其中，隸屬度值為：

由此建立了PID 控制器參數(shù)的可調(diào)因子νp,νi 和νd與偏差e 和ec 之間的模糊函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了PID 參數(shù)Kp, Ki 和Kd 的模糊在線自調(diào)整，滿足了系統(tǒng)的要求。

4 實(shí)驗(yàn)

采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法設(shè)計(jì)的智能型鉛酸蓄電池充電器和普通的鉛酸蓄電池充電器分別對(duì)電池進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象采用的是廊坊東三星蓄電池有限公司生產(chǎn)的12V、4A h 鉛酸蓄電池。

充電時(shí)間為140 分鐘，每隔5 分鐘記錄一次電流和溫度值。兩種模式下的充電電流曲線如圖9 所示，兩種模式下的充電溫度曲線如圖10 所示。

圖9 兩種模式下的充電電流曲線

圖10 兩種模式下的充電溫度曲線

5 結(jié)論

本文以atmega16 單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計(jì)了對(duì)鉛酸蓄電池智能充電器的硬件方案，并采用了一種基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法，優(yōu)化了鉛酸蓄電池的充電過(guò)程，保證了礦用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)饋電開(kāi)關(guān)智能控制器備用電源的安全使用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案解決了鉛酸蓄電池充電過(guò)程中存在的過(guò)充電、充電不足和發(fā)熱等問(wèn)題，并在加快充電速度，減少能量損耗、延長(zhǎng)使用電池壽命等方面效果顯著。