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基于PIC單片機(jī)的智能充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者: 時(shí)間:2012-05-18 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 引言

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/177223.htm

鉛酸蓄電池是目前大容量電池的主要品種,其制造成本低、容量大、價(jià)格低廉,使用范圍非常廣泛。鉛酸蓄電池的基本充電方式有兩種:恒壓充電和恒流充電。如果單獨(dú)采用一種方法,比如恒流法,則在充電后期由于充電電流不變,容易使容量下降而提前報(bào)廢。單獨(dú)采用恒壓法,充電初期電流過大,可能致使電極活性物質(zhì)脫落,后期電流又過小,形成長期充電不足,影響蓄電池的使用壽命[1]。因此,大部分都是綜合采用兩種方法的多階段充電方式。近年來,先恒流、再恒壓、最后恒壓浮充的三階段充電方式被逐漸接受。

目前,三階段充電方式主要采用模擬控制的方案。雖然具有實(shí)時(shí)性好、帶寬高的優(yōu)點(diǎn),但其硬件電路復(fù)雜,控制不靈活。為此,本文了一種數(shù)字控制的,采用作為控制回路的核心,通過電壓、電流實(shí)時(shí)采樣,從而控制輸出電壓和輸出電流,了三階段充電策略,可靈活的控制蓄電池的充電,提高蓄電池的利用效率,并有助于提高蓄電池的使用壽命和性能。

2 電源結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。主要由3部分組成:第一部分為開關(guān)電源部分,采用反激DC/DC變換器;第二部分為電壓、電流采樣電路;第三部分為核心的PWM輸出,再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)反激電路。

1.JPG

圖1 充電器電路總體框圖

系統(tǒng)由電壓采樣電路、電流采樣電路實(shí)時(shí)分別采樣電壓、電流,將采樣的電壓、電流各自送的RA0、RA1,經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)值,然后根據(jù)編寫的軟件進(jìn)行對應(yīng)操作,由PWM模塊得到相應(yīng)的占空比,再由RC2將占空比送到驅(qū)動(dòng)電路,用于驅(qū)動(dòng)反激電路的開關(guān)管,從而在輸出端得到相應(yīng)的電壓或電流對鉛酸蓄電池進(jìn)行充電。

3 數(shù)字控制電路結(jié)構(gòu)

數(shù)字控制電路通過相應(yīng)信號(hào)的獲取和輸出,監(jiān)測和控制充電器對應(yīng)的工作過程,使其能自適應(yīng)工作。然而,主電路輸出是模擬信號(hào),單片機(jī)能夠處理的卻是數(shù)字信號(hào),因此在處理信號(hào)之前,必須先通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。假定ADC字長為N,則模數(shù)轉(zhuǎn)換精度為1/2N,N越大精度也越高,但價(jià)格越貴。數(shù)字控制器PWM單元的時(shí)間分辨率及模數(shù)轉(zhuǎn)換精度,決定了充電器的輸出電壓、輸出電流、輸出功率的精度。為了同時(shí)滿足精度需求及降低成本的考量,需要選擇合適位數(shù)的ADC和PWM數(shù)字控制器。

ADC轉(zhuǎn)換器選定后,需要選擇PWM位數(shù)。如果PWM位數(shù)太小,將導(dǎo)致輸出電壓在某一電壓值附近上下波動(dòng),造成極限環(huán)現(xiàn)象,輸出電壓將發(fā)生周期性抖動(dòng),進(jìn)而影響到采樣數(shù)據(jù),最終影響到整個(gè)系統(tǒng)的處理精度。因此,PWM單元分辨率越高越好。

PWM位數(shù)N與頻率fPWM滿足下式:2.JPG。式中,fclk表示單片機(jī)的時(shí)鐘頻率。PR2為單片機(jī)PWM周期寄存器,fPWM越高存入PR2的值越小。設(shè)存入PR2的值為M,則最大分辨率為分頻值f/M。由此可見,頻率不一定越高越好,過高的頻率會(huì)降低PWM分辨率。PWM輸出的頻率與分辨率之間的關(guān)系如表1所示。

表1 PWM頻率與分辨率的關(guān)系(fclk=40MHz)

QQ截圖20120518141801.JPG

為了保證足夠高的分辨率,保證輸出電壓紋波受PWM分辨率的影響小于輸出濾波電容的影響,本設(shè)計(jì)選用10位PWM。

同時(shí),考慮到其它需求,本系統(tǒng)對數(shù)字控制器的具體要求主要包括:(1)內(nèi)置ADC模塊,至少2個(gè)ADC信道,精度在10位以上;(2)至少內(nèi)置1個(gè)PWM單元,PWM精度在10位以上;(3)至少兩個(gè)定時(shí)器;(4)有中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置;(5)至少5個(gè)I/O口;(6)價(jià)格低于50元人民幣。

綜合考慮以上因素,選擇microchip公司的18F2620作為數(shù)字控制芯片。18F2620的主要性能有:10個(gè)10位的ADC信道;最高外接時(shí)鐘頻率可達(dá)到40M:1024字節(jié)的數(shù)據(jù)EEPROM,用于儲(chǔ)存可變數(shù)據(jù);可延長電池壽命的低功耗強(qiáng)化設(shè)計(jì),睡眠模式下耗電僅為100nA等等,其性能滿足系統(tǒng)需要。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

三階段充電,開始時(shí)采用恒流充電,中間為恒壓充電,最后采用浮充充電。該充電法減少了充電出氣量,充電比較徹底,延長了蓄電池使用壽命。三階段充電法充電電流和充電電壓變化曲線如圖2所示。

QQ截圖20120518141815.JPG

圖2 三階段充電特性圖

根據(jù)三階段充電的原理,畫出系統(tǒng)的主程序流程圖,如圖3所示。(其中Um為蓄電池的最大電壓上限,Ubat為恒壓充電門限,Ibat為恒流充電門限,其值一般取蓄電池容量的1/10。)

單片機(jī)系統(tǒng)的主程序,主要用于A/D采樣初始化、PWM初始化、定時(shí)和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器的初值設(shè)定,然后一直檢測充電器的電壓與電流,進(jìn)行三階段的自適應(yīng)充電。

程序中需要注意一下問題。

(1)因?yàn)樾枰瑫r(shí)采樣電壓和電流2個(gè)變量,此時(shí)可根據(jù)18F2620的采樣單元特點(diǎn),可通過直接改變A/D控制寄存器ADCON0.2~3位進(jìn)行更換通道,其速度快、花費(fèi)時(shí)間少。

(2)中斷系統(tǒng)是程序的重點(diǎn)部分。由于采樣單元不可能一直工作,這樣既浪費(fèi)單片機(jī)的運(yùn)算能力又影響其它部分的工作,使系統(tǒng)的工作效率低下。為了使單片機(jī)更有效率的工作,系統(tǒng)采用定時(shí)中斷的工作方式:利用TMR0定時(shí)器進(jìn)行定時(shí),固定一定的時(shí)間后進(jìn)入中斷。目前,市面上的單片機(jī)一般都存在中斷優(yōu)先級(jí),比如系統(tǒng)采用的PIC18F2620有2個(gè)優(yōu)先級(jí),可以通過設(shè)置不同的中斷向量進(jìn)行不同優(yōu)先級(jí)的操作。對應(yīng)的高優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)子程序,使TMR0復(fù)位,并載入相應(yīng)的初值,進(jìn)入下一次的定時(shí)狀態(tài)。低優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)子程序,則是復(fù)位A/D模塊使能位,讀取并存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,然后判別相應(yīng)的電壓、電流采樣值所處的階段,最后經(jīng)過各個(gè)階段對應(yīng)的PI調(diào)節(jié)修改占空比。

QQ截圖20120518141845.JPG

圖3 主程序流程圖

4.2 采樣子程序

采樣處理后的電壓、電流信號(hào),不可避免的存在系統(tǒng)所帶來的噪聲和干擾,為了準(zhǔn)確的測量和控制,必須濾除這些噪聲和干擾。除了在硬件電路上進(jìn)行濾波,還可采用軟件濾波或稱為數(shù)字濾波。常用的數(shù)字濾波方法有很多,本系統(tǒng)采用了平均值法:多次采樣后排序,再去掉最大和最小值之后求平均值的方法,提高了采樣精度。

4.3 PI子程序

為了消除積分飽和的影響,本系統(tǒng)采用增量式PI控制算法,并利用遇限削弱的方法。

遇限削弱積分PI算法,實(shí)際上是一旦控制量進(jìn)入飽和區(qū)范圍,則停止增大積分項(xiàng)的運(yùn)算而只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算[5]。PI程序流程圖如圖4所示。

QQ截圖20120518141930.JPG

圖4 PI控制算法流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用以上介紹的方法制作樣機(jī),對YTX7A-BS/12V-7AH的鉛酸蓄電池充電。

主電路參數(shù)如下:輸入電壓Uin=24V,電路工作頻率f=50kHz,采用EI33磁芯,原邊電感Lp=212μH,副邊電感Ls=112μH,開關(guān)管采用IRF840,輸出電容采用1000μF/25V的電解電容。

圖5為樣機(jī)給鉛酸蓄電池充電變化曲線圖,橫軸為充電時(shí)間,左邊Y軸為蓄電池電壓,右邊Y軸為充電電流。

QQ截圖20120518141944.JPG

圖5 蓄電池充電變化曲線

從圖5可知,根據(jù)程序設(shè)計(jì)要求,在充電的初始階段,充電器先進(jìn)行恒流充電,蓄電池電流保持為0.7A左右。此后,當(dāng)蓄電池電壓超過恒壓充電門限14.4V,轉(zhuǎn)為恒壓充電,充電電壓保持為14.4V,充電電流不斷下降。同時(shí),通過RA1不斷檢測充電電流,當(dāng)充電電流降到0.1A以下時(shí),表明蓄電池已充滿電。這時(shí),為了補(bǔ)充蓄電池的自放電,轉(zhuǎn)為浮充充電,充電電壓保持于13.7V。根據(jù)以上結(jié)果分析表明:本文所提出的鉛酸蓄電池三階段自適應(yīng)數(shù)字控制方案是有效的,充電器能夠根據(jù)蓄電池所處的實(shí)際狀態(tài)來選擇對應(yīng)的充電方式(恒流,恒壓充電和浮充)進(jìn)行充電。

6 結(jié)語

相對于傳統(tǒng)的模擬控制的鉛酸蓄電池充電器,采用數(shù)字控制的充電器大大提高了控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性、穩(wěn)定性等。隨著控制方案與功能整合的不斷完善以及單片機(jī)價(jià)格的逐漸降低,采用單片機(jī)的數(shù)字控制充電器將成為今后一個(gè)重要的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡恒生,王慧,趙徐成,呂瑞強(qiáng). 蓄電池充電方法的分析和探討[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用,2009,12(8):1-4.

[2] 陳堅(jiān). 電力電子學(xué)DD電力電子變換和控制技術(shù)[M]. 北京:高等教育出版社,2004.

[3] 孟建輝,劉文生. 反激式變換器 DCM與CCM模式的分析與比較[J]. 通訊電源技術(shù),2010,27(6):33-38.

[4] 童詩白,華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京:高等教育出版社,2001.

[5] Cook,B. New Developments and Future Trends in High-Efficiency Lighting. IEEEngineering Science and Education Journal,2000,9:207-217.■



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