智能船用充電機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)

馬昭勝 方千山

（華僑大學(xué)機(jī)電學(xué)院，福建 362021）

1 引言

蓄電池在船舶上的主要用途是：（1）作為應(yīng)急電源或備用電源，一般商船都把蓄電池作為船舶小應(yīng)急電源，在船舶主電網(wǎng)失電而應(yīng)急發(fā)電機(jī)組尚未正常供電的時(shí)間內(nèi)，蓄電池組則供電給小應(yīng)急負(fù)載；（2）作為低壓設(shè)備的電源（如供電給無線電收發(fā)報(bào)機(jī)、自動(dòng)電話交換機(jī)和各種警報(bào)器）；（3）作應(yīng)急發(fā)電機(jī)組和救生艇上柴油機(jī)的起動(dòng)電源，用作羅經(jīng)的直流電源等；（4）船舶小應(yīng)急照明，操縱儀器和無線電設(shè)備的電源均采用蓄電池，船舶設(shè)置充放電板對(duì)蓄電池進(jìn)行充電、放電，實(shí)現(xiàn)向應(yīng)急用電設(shè)備正常供電[1]。

當(dāng)前交流船舶常用充放電板的電路原理主要有兩種類型；一種接線見圖1，采用二極管整流裝置把交流電變?yōu)橹绷麟?。圖中QS為整流電源開關(guān)，SA1、SA2為整流后的總電源開關(guān)，電源回路中設(shè)置有熔斷器、電壓表和電流表。在每一個(gè)充電回路應(yīng)設(shè)有防止逆流的逆電流繼電器或二極管。由圖1可見，當(dāng)主應(yīng)急電網(wǎng)都失電時(shí)，接觸器ZC1線圈失電，常閉觸頭閉合，直接向小應(yīng)急用電設(shè)備供電，其余用電設(shè)備分別利用開關(guān)送電。

另一種接線見圖2，采用單結(jié)晶體管整流裝置把交流電變?yōu)橹绷麟?。該電瓶充電機(jī)電路使用元件較少，線路簡(jiǎn)單，具有過充電保護(hù)、短路保護(hù)和電瓶短接保護(hù)。工作原理：R2、RP、 C 、T1、R3、 R4組成的單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。當(dāng)待充電電瓶接入電路后，觸發(fā)電路獲得所需電源電壓開始工作。當(dāng)電瓶電壓充到一定數(shù)值時(shí)，使得單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓UP大于穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓，單結(jié)晶體管不能導(dǎo)通，觸發(fā)電路不再產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，充電機(jī)停止充電。觸發(fā)電路和可控整流電路的同步是由二極管D和電阻R1來完成的。交流電壓過零變負(fù)后，電容通過D和R1迅速放電。交流電壓過零變正后D截止，電瓶電壓通過R2、RP向C充電。改變RP之值，可設(shè)定電瓶的初始充電電流。

圖1 整流器充電的充放電盤原理圖

圖2 電瓶充電機(jī)電路

這兩種充電方式雖然簡(jiǎn)單，但是都存在充電效率低、充電時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)蓄電池?fù)p害大等缺點(diǎn)，我們利用智能控制技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)和現(xiàn)代電力電子等領(lǐng)域中的最新成果，形成高效、快速、無損的蓄電池優(yōu)化充電思想和技術(shù)方案。依據(jù)最佳充電電流曲線給定，采取瞬間放電減少極化，提出了以蓄電池極化電壓和蓄電池的荷電狀態(tài)決定充電電流的智能充電思路；采用一個(gè)二單元的智能功率模塊IPM作主回路開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)新型Buck/Boost拓?fù)?，完成向蓄電池充電和蓄電池去極化放電功能；設(shè)計(jì)了基于Sam-sung公司S3C44BOX為核心的船用充電機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜的控制算法和PWM輸出控制等功能，從而完成高效、快速、無損的充電過程[2]。

2 智能充電機(jī)主電路

智能船用充電機(jī)的主電路采用Buck／Boost雙向功率傳輸電路，是一種AC-DC-DC的變換電路。其AC-DC部分的作用是通過將三相交流電源U、V、W進(jìn)行降壓、隔離和整流后得到不可控制的直流電壓U1；DC-DC部分采用的電路是一個(gè)方向?yàn)锽uck電路，另一方向?yàn)锽oost電路；即對(duì)蓄電池充電時(shí)為Buck電路，放電時(shí)為Boost電路，如圖3所示。

圖3 Buck/BoostDC-DC可逆電路

當(dāng)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，控制器件Q2關(guān)斷，直流電壓經(jīng)過全控開關(guān)器件Q1、續(xù)流二極管D2和電感L(同時(shí)兼作濾波)組成的Buck電路，并且通過控制Q1通斷來控制輸出電壓U2的大小，以控制蓄電池的充電電流和充電電壓。

當(dāng)蓄電池放電時(shí)，Q1關(guān)斷，通過控制由Q2、L和D1所組成的Boost電路，將蓄電池的化學(xué)能通過Boost電路通過電容C1放電；當(dāng)放電結(jié)束，轉(zhuǎn)入充電時(shí)，由于電容C1儲(chǔ)存有蓄電池放電時(shí)的能量，電容兩端電壓很高，因此，電容C1通過Q1、D2和L組成的Buck電路將所儲(chǔ)存的能量釋放給蓄電池；當(dāng)電容C1電壓低于下限值后，由電網(wǎng)通過充電裝置向蓄電池組進(jìn)行充電。

3 智能充電機(jī)控制電路

控制電路主要由三星公司生產(chǎn)的基于ARM7TDMI的嵌入式微控制器以S3C44BOX作為核心器件，再加上相應(yīng)的接口電路組成，控制電路如圖4所示。

圖4 控制電路結(jié)構(gòu)圖

3.1 S3C44BOX

S3C44BOX微處理器是三星公司提供的高性能的微控制器，它使用ARM7TDMI核心，工作在66 MHz。為了降低系統(tǒng)的總成本和減少外圍器件，該款芯片中還集成了以下部件：①實(shí)時(shí)時(shí)鐘；②1個(gè)IIS總線控制器；③1個(gè)多主I2C總線控制器；④2通道UART；⑤4個(gè)DMA通道；⑥5通道PWM定時(shí)器；⑦外部存儲(chǔ)器和控制器；⑧8通道10位ADC⑨8KB Cache及8個(gè)外部中斷源一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器；⑨71個(gè)通用I／O接口；⑩LCD控制器等。該芯片還具備ARM的高速結(jié)構(gòu)和精簡(jiǎn)系統(tǒng)，可以完成各種復(fù)雜的控制任務(wù)[3]。

3.2 外擴(kuò)存儲(chǔ)器

（1）FLASH功能

擴(kuò)展了AMD公司生產(chǎn)的FLASH芯片的AM29V160，其容量為2 MB，速度為90 ns。將其連接到S3C44B0X八個(gè)存儲(chǔ)體中的Bank0上，并作為系統(tǒng)的自舉ROM存儲(chǔ)體，將其地址設(shè)定為0x00000000～0x001fffff。因?yàn)锳M29V160為16×1Mbit，所以，通過OM[1：0]=01配置Bank0的總線寬度為16位。

（2）SDRAM功能

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能充電算法時(shí)采用了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線控制的程序設(shè)計(jì)和模糊控制器的隸屬度求解以及模糊推理，并且采用了觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，因此移植了嵌入式操作系統(tǒng)UC／OS-Ⅱ，所以系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存要求較高，為使系統(tǒng)擴(kuò)展為韓國(guó)現(xiàn)代公司生產(chǎn)的SDRAM芯片HY57V641620，其為16×4 Mbit，容量為8 MB。而S3C44BOX 的Bank0／Bank7 能支持SDRAM，因此，就將SDRAM HY57V641620接在Bank6上。并設(shè)定其地址為0x0c000000～0x0c7fffff。

3.3 LCD與觸摸屏電路

該電路能夠?qū)崿F(xiàn)充電參數(shù)的設(shè)置以及蓄電池的電壓、電流、時(shí)間、溫度、荷電狀態(tài)以及故障和充電結(jié)束等狀態(tài)，還能夠充電電壓和充電電流的曲線的進(jìn)行顯示。S3C44BOX自帶LCD控制器模塊，不需要加外圍LCD控制器芯片。在此直接使用S3C44BOX 自帶LCD控制器模塊，將其控制信號(hào)經(jīng)74HC245驅(qū)動(dòng)后直接與一款320×240帶4線觸摸屏液晶顯示模塊RG322421 WNHDWB-T相連。通過端口G模擬串行的SIO接口與Burr-Brown公司生產(chǎn)的觸摸屏控制芯片ADS7843進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成對(duì)觸摸屏觸摸位置坐標(biāo)的讀取[4]。并對(duì)電壓的切換以及采集接點(diǎn)處電壓并進(jìn)行模數(shù)A／D轉(zhuǎn)換。

3.4 信號(hào)檢測(cè)與A／D轉(zhuǎn)換電路

芯片集成了一個(gè)10位的D/A轉(zhuǎn)換器，擁有一個(gè)8通道的模擬量輸入、時(shí)鐘發(fā)生器、自動(dòng)過零比較器、l0位連續(xù)近似寄存器和輸出寄存器，可提供軟件選擇的運(yùn)行模式。利用S3C44BOX片內(nèi)所帶A／D轉(zhuǎn)換器，與信號(hào)檢測(cè)電路全隔離信號(hào)調(diào)制模塊的輸出端相連。由于其片內(nèi)自帶A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為0～2.5 V，因此充電電壓的檢測(cè)采用輸入為0～450 VDC，輸出為0～2.5 V電壓信號(hào)可以和微機(jī)直接接口的全隔離信號(hào)調(diào)制模塊檢測(cè)，加在S3C44BOX片內(nèi)自帶A／D的AIN0上；充電電流通過輸入為300 A，輸出為75 mV的分流器，進(jìn)而通過輸入為0～75 mV輸出為0～2.5 V的全隔離信號(hào)調(diào)制模塊隔離后加在S3C44BOX片內(nèi)自帶A／D的AIN1上。電解液溫度采用耐酸的溫度范圍為-50～+150 ℃的熱電偶Cu50檢測(cè)，并經(jīng)輸入為-5O～+150 ℃ 、輸出為0～2.5 V的全隔離信號(hào)調(diào)制模塊處理后加在S3C44BOX片內(nèi)自帶A／D的AIN2上。由于全隔離模塊的隔離電壓高，采用光電耦合器隔離，使主電路和控制電路完全隔離，因此該裝置的控制安全可靠。

3.5 PWM驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路

S3C44BOX中有6個(gè)l6位定時(shí)器，其中定時(shí)器0～4共五個(gè)有PWM功能，且具有：6個(gè)基于DMA或中斷操作的l6位定時(shí)器；3個(gè)8位預(yù)分頻器，2個(gè)5位除法器，1個(gè)4位除法器；輸出波形的可編程功率控制(PWM)；自動(dòng)裝載或短脈沖模式；死區(qū)發(fā)生器等功能。系統(tǒng)應(yīng)用了其TOUT1和TOUT2實(shí)現(xiàn)對(duì)全控器件IPM PM200DSA120模塊的監(jiān)控。充電時(shí)，由S3C44BOX的TOUT1口輸出頻率為20 kHz，占空比可變的PWM信號(hào)，通過光電隔離后控制IPM的導(dǎo)通，進(jìn)而控制充電電流的大小。放電時(shí)，由S3C44BOX的TOUT2口上產(chǎn)生周期為lk占空比為0.5的PWM信號(hào)，通過光電隔離后加在IPM的控制端，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的放電。當(dāng)IPM發(fā)生過流、短路、欠壓和過溫故障時(shí)，IPM自身能夠快速關(guān)斷，但關(guān)斷不死，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。同時(shí)，在FNO端輸出脈寬大于1 ms的低電平(正常時(shí)該端為高電平)。如果將IPM的上、下臂故障信號(hào)FPO和FNO相與后通過光電隔離加在S3C44BOX的外部中斷端EINT2和EINT3上。一旦發(fā)生故障，F(xiàn)PO或FNO端輸出低電平，產(chǎn)生外中斷。在外中斷服務(wù)程序中封鎖TOUT1和TOUT2口的輸出，加在IPM輸入端CPI和CNI上的脈沖，進(jìn)而更加可靠地保護(hù)了IPM模塊[5]。如圖5所示。

此外，該系統(tǒng)留有以太網(wǎng)接口、RS232串行擴(kuò)展接口，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)及通訊，最終實(shí)現(xiàn)全船集散化的功能。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路

4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)船舶蓄電池系統(tǒng)的功能，移植了實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)uC／OS-II，uC／OS-II該系統(tǒng)的軟件部分主要包括三層結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

在設(shè)備驅(qū)動(dòng)的程序部分，主要是針對(duì)本系統(tǒng)所用到的外圍硬件設(shè)備，定制了4個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，分別為：模數(shù)A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)(ad-data.c)、觸摸屏驅(qū)動(dòng)(tou-ch.C)、液晶顯示器驅(qū)動(dòng)(lcd.C)及PWM定時(shí)器控制輸出驅(qū)動(dòng)(pwm.C)。此外，該系統(tǒng)還包括8個(gè)功能模塊，分別為：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、觸摸屏模塊、LCD顯示模塊、模糊控制器模塊、PWM控制輸出模塊、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線控制的程序設(shè)計(jì)模塊和其它應(yīng)用模塊[6]。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語

基于嵌入式的船用嵌入式蓄電池系統(tǒng)的開發(fā)，為船舶輪機(jī)人員提供了快速充電的技術(shù)手段，保障了船舶應(yīng)急電源設(shè)備的正常使用。

本系統(tǒng)通過對(duì)某輪的12只D-180船用鉛酸蓄電池串聯(lián)充電實(shí)驗(yàn)，歷時(shí)1.25 h，充入電量為178.5 Ah。其后繼續(xù)充電，安時(shí)數(shù)增加微乎其微，充電效率為89%。整個(gè)充電期間，溫升為20.1 ℃～21.9℃，因而可實(shí)現(xiàn)高效、快速充電。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單，符合設(shè)備檢修的智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展方向，在航運(yùn)系統(tǒng)內(nèi)部具有一定的推廣價(jià)值。

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