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)方法。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重要原因。

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。總體結(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控制算法出現(xiàn)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起反饋用途，同時(shí)濾除了電路中的毛刺信號(hào)，防止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用途。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，差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

顯示模塊重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)警模塊的重要功能是當(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。

2.4IGBT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6IGBT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I(lǐng)和I的變化率I/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。