基于ARM的井下不間斷電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

史延?xùn)|，薛 鵬，寧 飛

（西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安710072）

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)電能的質(zhì)量要求也越來越高［1］，不間斷電源便隨之產(chǎn)生，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、通信、交通和煤礦井下等領(lǐng)域。由于礦用井下環(huán)境比較特殊，不但要求在掉電時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切換的功能，而且對(duì)安全性、可靠性等提出了更高的要求。因此，從電池管理系統(tǒng)和蓄電池等因素綜合考慮設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的安全性。

1 系統(tǒng)的組成與工作原理

1．1 系統(tǒng)的組成

井下不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)主要由AC／DC模塊（單端反激式電源）、電源管理系統(tǒng)、微處理器、磷酸鐵鋰電池和切換電路等組成。

圖1 井下不間斷電源系統(tǒng)

微處理器采用STM32F100系列微處理器［2］，它是基于ARM 32位Cortex-M3的CPU，最大工作頻率為24 MHz，F(xiàn)lash為128 k B，SRAM 為8 k B，1個(gè)7通道的DMA控制器，具有豐富的外設(shè)接口，提供標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)接口，具有成本低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

充放電電池采用磷酸鐵鋰電池，符合礦用隔爆型鋰離子蓄電池安全技術(shù)要求。該電池是一種用磷酸鐵鋰材料做電池的正電極、用石墨作電池負(fù)極的新型鋰離子電池，標(biāo)稱電壓為3．2 V，終止充電電壓為3．6 V，終止放電電壓為2．0 V。

1．2 工作原理

正常情況下，輸入為40～180 V的交流電，通過單端反激式開關(guān)電源把交流電轉(zhuǎn)化為直流電。輸出20 V的直流電給用電設(shè)備供電，同時(shí)，輸出15 V的直流電，給磷酸鐵鋰電池組提供電能。微處理器STM32F100實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入的交流電。若因故障或其他原因，無交流輸入時(shí)，則微處理器STM32F100控制切換電路，由電池組給用電設(shè)備提供電能。實(shí)現(xiàn)了不間斷供電。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2．1 AC／DC單元電路的設(shè)計(jì)

單端反激式開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)如圖2所示，40～180 V寬范圍交流輸入，輸出20 V的直流電，輸出功率為40 W?？刂菩酒x用電流型脈寬調(diào)制控制芯片［3］UC3843。在系統(tǒng)中，輸入的交流電由整流模塊整流后得到直流電壓，經(jīng)穩(wěn)壓電容穩(wěn)壓后送入單端反激變壓器的原邊，經(jīng)高頻變壓器變電壓后，由副邊輸出。最后通過整流濾波，得到20 V直流電。

圖2 單端反激式開關(guān)電源結(jié)構(gòu)

MOS管的開關(guān)頻率為：

取RT＝8．2 kΩ，CT＝4．7 n F，則f≈45 k Hz。

高頻變壓器選用EI30鐵氧體的鐵芯，初級(jí)線圈匝數(shù)為16匝，次級(jí)線圈匝數(shù)為11匝。

在反饋電路中，由精密穩(wěn)壓源TL431和線性光耦PC817構(gòu)成外部電壓反饋回路［4-5］。

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)計(jì)了一款輸出功率為40 W的單端反激開關(guān)電源。該單端反激式開關(guān)電源在滿載時(shí)的效率為80%，電壓調(diào)整率為0．18%，輸出紋波電壓大小為40 m V。

2008年，程瀚購(gòu)買了濱湖春天小區(qū)的房子后，其商人朋友吳某某見狀，便說其可以幫助裝修，費(fèi)用由其來付。程瀚跟吳某某說，按40萬元左右的標(biāo)準(zhǔn)裝。

2．2 電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有4組完全相同的電池管理系統(tǒng)，每組電池管理系統(tǒng)分別控制1個(gè)單體磷酸鐵鋰電池。4個(gè)單體電源采用串聯(lián)的方式連接。

一個(gè)單體電池的管理系統(tǒng)由充電管理集成電路CN3705和電池保護(hù)集成電路FS361A組成，如圖3所示。

圖3 電池管理電路

CN3705的工作溫度為-40～＋80℃，具有恒流和恒壓充電模式，涓流充電模式。若輸入電源掉電或輸入電壓低于電池電壓，則自動(dòng)進(jìn)入低功耗睡眠模式。6腳為電池檢測(cè)輸入端，是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。

保護(hù)集成電路FS361A能提供過充電壓保護(hù)、過放電壓保護(hù)和短路電流保護(hù)。

微處理器控制實(shí)現(xiàn)的功能如圖4所示。電源管理系統(tǒng)與微處理器STM32F100具有如下功能：

a．保護(hù)功能。包括單體電池過充電壓保護(hù)、過放電壓保護(hù)、充放電過流保護(hù)、放電短路保護(hù)、充放電過溫保護(hù)和輸入交流欠電壓保護(hù)。

b．實(shí)時(shí)檢測(cè)與液晶顯示。對(duì)每個(gè)單體電池的電壓、電流和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并通過液晶顯示屏進(jìn)行顯示。

c．聲光報(bào)警。若電池性能出現(xiàn)異常時(shí)，在實(shí)現(xiàn)保護(hù)后，立即進(jìn)行聲光報(bào)警。

圖4 微處理器的控制功能

d．智能切換。輸入交流掉電時(shí)，實(shí)現(xiàn)智能切換，由蓄電池組給用電設(shè)備提供電能。

2．3 切換電路設(shè)計(jì)

切換電路如圖5所示。切換電路主要由P溝道的MOS管、三極管等器件組成。三極管Q1的門極接上拉電阻并與微處理器P0口相連接。微處理器STM32F100實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入電壓，若輸入交流電掉電時(shí)，則微處理器的P0口輸出高電平。三極管Q1導(dǎo)通，最終導(dǎo)致MOS管導(dǎo)通。電池為用電設(shè)備提供電能。

圖5 切換電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序在Keil4開發(fā)軟件中采用C語言進(jìn)行編寫。根據(jù)系統(tǒng)的功能劃分，子程序包括電池管理充電子程序和電池管理放電子程序。

系統(tǒng)主程序軟件流程如圖6所示。主程序采用循環(huán)檢測(cè)的工作方式，每個(gè)工作周期設(shè)置為20 ms。系統(tǒng)上電時(shí)，微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并檢測(cè)是否有交流電127 V輸入，從而決定電源管理系統(tǒng)的工作模式。微處理器把實(shí)時(shí)輸出電壓、輸出電流等參數(shù)通過LCD12864液晶顯示屏進(jìn)行顯示。

圖6 主程序軟件流程

電源管理充電子程序軟件流程如圖7所示。

對(duì)單體電池輸入的電流大小，充電電池的溫度、電壓進(jìn)行判斷，若不符合要求，則立即關(guān)閉充電電源。其次，對(duì)每個(gè)單體充電電池進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)。檢測(cè)完畢后，返回。

圖7 電池管理充電子程序流程

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

按照上述要求設(shè)計(jì)了一款井下不間斷電源。交流輸入掉電時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換；可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電池的溫度、電壓和輸出電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)；能夠?qū)崿F(xiàn)故障報(bào)警功能。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，當(dāng)充電結(jié)束后，每個(gè)單體電池的電壓偏差太大，這必然影響整個(gè)電池組性能。為此，在軟件程序中加入對(duì)單體電池電壓均衡判斷程序并進(jìn)行檢測(cè)，可得每個(gè)單體電池電壓的偏差小于1%。滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

利用ARM芯片，并結(jié)合嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款井下不間斷供電電源，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)控制、實(shí)時(shí)檢測(cè)多種運(yùn)行參數(shù)等功能，在掉電時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)智能切換。系統(tǒng)具有多種保護(hù)功能，提高了可靠性和安全性，有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

［1］ 劉 強(qiáng)，楊昉昉．礦用直流不間斷電源的設(shè)計(jì)［J］．工礦自動(dòng)化，2011，37（8）：130-133．

［2］ 王永虹，徐 煒，郝立平．STM32系列 ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008．

［3］ 李良鈺．一種基于UC3843的單端反激式開關(guān)電源［J］．電子質(zhì)量，2007，（7）：4-6．

［4］ 史延?xùn)|，張善純，寧 飛．基于FSDM026的反激式開關(guān)電源研究與設(shè)計(jì)［J］．電力電子技術(shù)，2009，43（9）：15-17．

［5］ 馬瑞卿，任先進(jìn)．一種基于TOP224Y的單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)［J］．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2007，15（2）：235-237，240．