基于atmega16單片機(jī)的智能型鉛酸電池充電器設(shè)計(jì)方案
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0 引言
本文針對(duì)礦用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)饋電開關(guān)智能控制器采用的鉛酸蓄電池在充電過程中存在充電過度、充電不足、電池過熱和充電速度慢等諸多問題,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)鉛酸蓄電池充電過程的智能化控制。
目前礦用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)饋電開關(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)間過長,溫升過快。另一方面,充電過程中存在過充和欠充現(xiàn)象。專家研究表明:鉛酸蓄電池充電過程對(duì)其壽命影響最大,過充電、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、無損的充電過程。
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
在充電過程中,單片機(jī)實(shí)時(shí)采集電池充電過程中的電流、電壓和溫度等模擬量,通過其內(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)過壓、過流和過溫等故障。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 脈沖來控制IGBT 開關(guān),通過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,通過整流橋整流和EMI平滑濾波后,作為直流充電電源。在工作過程中,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 模擬量檢測模塊
2.2.1 電壓檢測電路設(shè)計(jì)
電壓檢測電路采用線性光耦HCNR201 將噪聲信號(hào)與單片機(jī)系統(tǒng)隔離開來,電壓檢測電路如圖4 所示。
圖4 電壓檢測電路
在正常充電的過程中,電池端電壓Ubat 的變化范圍是9V-15V,而單片機(jī)檢測電壓的范圍是0-5V,所以通過R27 和Rw4 對(duì)電池兩端的電壓進(jìn)行分壓,通過調(diào)節(jié)Rw4 的阻值來限定運(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 電流檢測電路設(shè)計(jì)
充電電流是通過檢測充電回路電阻兩端的電壓,并通過計(jì)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(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 溫度檢測電路設(shè)計(jì)
溫度檢測電路如圖5 所示。選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20 檢測電池溫度,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)溫度超過設(shè)定值時(shí),發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
圖5 溫度檢測電路
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)電池在充電過程中發(fā)生過壓、過流和過溫等情況時(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)模糊語言變量值:{ B(大)、M(中)、S(小)},它們的隸屬函數(shù)均采用對(duì)稱、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 輸出語言變量值
模糊控制器采用sugeno 模糊推理方式,其輸出語言變量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程,保證了礦用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)饋電開關(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程中存在的過充電、充電不足和發(fā)熱等問題,并在加快充電速度,減少能量損耗、延長使用電池壽命等方面效果顯著。