基于STM32的數(shù)字PI充電控制器設(shè)計(jì)

雷小玲,耿運(yùn)濤,高士然,李　敏（邵陽(yáng)學(xué)院，湖南邵陽(yáng) 422000）

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基于STM32的數(shù)字PI充電控制器設(shè)計(jì)

雷小玲,耿運(yùn)濤,高士然,李敏
（邵陽(yáng)學(xué)院，湖南邵陽(yáng) 422000）

摘要:針對(duì)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)對(duì)蓄電池的穩(wěn)定充電問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了以STM32F103ZET6單片機(jī)為主控核心的充電控制器，采用數(shù)字PI控制技術(shù)進(jìn)行電壓閉環(huán)控制和電流閉環(huán)控制，使充電裝置實(shí)現(xiàn)恒壓充電、恒流充電和浮充。論文給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括主電路設(shè)計(jì)、電壓/電流采集電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的充電控制器能夠在恒壓充電、恒流充電和浮充三種充電方式下穩(wěn)定充電，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞：STM32F103ZET6單片機(jī)充電控制器數(shù)字PI控制閉環(huán)控制恒壓/恒流充電

0　引言

在日常生活中，人們通常會(huì)選用蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，由于全密封免維護(hù)鉛酸蓄電池具有價(jià)格低廉，供電可靠，電壓穩(wěn)定等特點(diǎn)，同時(shí)具有密封好，無(wú)泄漏，無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，因此在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在對(duì)鉛酸蓄電池充電的過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定工作、蓄電池進(jìn)行快速充電、延長(zhǎng)蓄電池的壽命等的要求變得日益重要。論文通過(guò)對(duì)充電器主電路、電壓/電流采集電路、驅(qū)動(dòng)電路以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的快速充電，且同時(shí)具備過(guò)壓、欠壓和過(guò)流保護(hù)，能夠最大限度的保護(hù)蓄電池，以延長(zhǎng)蓄電池壽命。

1　總體方案設(shè)計(jì)

恒壓/恒流充電控制器系統(tǒng)框圖如圖1所示，圖中L、C組成濾波電路，Io為充電電流，Uo為充電電壓。整個(gè)裝置主要由主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和蓄電池組等組成。太陽(yáng)能電池組產(chǎn)生的直流電壓經(jīng)過(guò)DC/DC主電路降壓后，通過(guò)相應(yīng)的充電方式給蓄電池組充電?？刂葡到y(tǒng)為基于STM32F103ZET6單片機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)，主要的功能模塊有電壓/電流檢測(cè)模塊、控制模塊和觸發(fā)脈沖形成模塊，主要的功能是根據(jù)采集到的蓄電池兩端的電壓和電流，采取相應(yīng)的控制方式對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

圖1　恒壓 /恒流充申控制器系統(tǒng)框圖

1.1 主電路設(shè)計(jì)

由于太陽(yáng)能電池組輸出的直流電壓為24 V，而蓄電池的充電電壓為低于24V，因此主電路采用降壓型斬波電路，電路原理圖如圖2所示。根據(jù)系統(tǒng)的輸出容量，對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行選型，并對(duì)電感、電容參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。將光伏單元輸出的電流、電壓轉(zhuǎn)換成充電所需的電流、電壓。因N型MOSFET導(dǎo)通時(shí)電阻阻值很小，導(dǎo)通功率損耗較低，所以為了提高效率，采用N型MOSFET作為開(kāi)關(guān)管。通過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管串接，以防止太陽(yáng)能電池供電不足時(shí)出現(xiàn)蓄電池能量倒流的現(xiàn)象，并且采用開(kāi)關(guān)管代替二極管，給其以互補(bǔ)信號(hào)。

對(duì)電感的參數(shù)計(jì)算:

圖2　主申路

1.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池組輸出電壓會(huì)在24～36 V之間變化，但驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓等級(jí)較低，而主電路電壓等級(jí)較高，因此兩者之間需要采取隔離措施。高速光耦隔離低端驅(qū)動(dòng)具有工作頻率高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，基于此論文采用HCPL-3120對(duì) MOS管進(jìn)行光耦隔離，電路圖如圖3所示。

圖3　光耦隔離申路

1.3 電壓/電流采集電路設(shè)計(jì)

電流檢測(cè)電路如圖4所示，采用OP07將采樣電阻采集的電壓信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大處理，輸出通過(guò)穩(wěn)壓二極管限幅，并通過(guò)RC濾波電路減少干擾信號(hào)，輸出的信號(hào)供單片機(jī)進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換。

電壓檢測(cè)電路采用電阻分壓，通過(guò)限幅濾波，供單片機(jī)進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換。

圖4　申流檢測(cè)申路

1.4 輔助電源設(shè)計(jì)

輔助電源采用高效率的開(kāi)關(guān)降壓芯片LM2576，將太陽(yáng)能電池組輸出電壓降到15 V給驅(qū)動(dòng)電路供電；將電池電壓降到10 V，通過(guò)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓到5 V和3.3 V給控制器供電。通過(guò)ICL7660S芯片產(chǎn)生負(fù)電壓-5 V給檢測(cè)電路供電，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，其電路如圖5所示。

2　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 STM32系統(tǒng)框圖

STM32具有性能高、精度高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算快等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)需要5V 和3.3V兩路電源供電。5V電源由輔助電源得到，3.3V電源通過(guò)5V電源轉(zhuǎn)換得到。采樣電路將蓄電池的實(shí)時(shí)充電電壓、充電電流信號(hào)反饋給STM32。STM32通過(guò)對(duì)采樣數(shù)據(jù)和給定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后給驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生PWM信號(hào)。采用LCD12864作為液晶顯示模塊，通過(guò)并口通訊與STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，用以對(duì)充電電壓、充電電流的實(shí)時(shí)顯示。按鍵模塊能夠進(jìn)行啟動(dòng)或停止充電操作，并對(duì)相應(yīng)的控制參數(shù)（如電壓、電流）進(jìn)行設(shè)置。

圖5　輔助申源申路

圖6　STM32系統(tǒng)框圖

2.2 數(shù)字PI控制技術(shù)

控制系統(tǒng)采用數(shù)字PI控制技術(shù)進(jìn)行電壓閉環(huán)控制和電流閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)充電裝置恒壓充電和恒流充電兩種充電方式。

當(dāng)充電裝置處于恒壓充電時(shí)，控制系統(tǒng)采用數(shù)字PI控制技術(shù)進(jìn)行電壓閉環(huán)控制，如圖7所示，充電電壓反饋值與其給定值U*o做比較，產(chǎn)生的差值經(jīng)數(shù)字PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制主電路進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)恒壓充電。

圖7　恒壓充申閉環(huán)控制原理圖

當(dāng)充電裝置處于恒流充電時(shí)，控制系統(tǒng)采用數(shù)字PI控制技術(shù)進(jìn)行電流閉環(huán)控制，如圖8所示，充電電流反饋值與其給定值I*o做比較，產(chǎn)生的差值經(jīng)數(shù)字PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制主電路進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)恒流充電。

圖8　恒流充申閉環(huán)控制原理圖

圖9　充申控制主程序框圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)充電曲線，充電控制的方式采用三階段充電，其程序框圖如圖9所示，三階段充電包括恒流充電模式、恒壓充電模式和浮充模式。恒流充電模式：當(dāng)蓄電池的端電壓低于14.4 V時(shí)，采用恒流充電，充電電流設(shè)置為10 A，不斷檢測(cè)電池端電壓，當(dāng)電壓達(dá)到14 V，恒流充電模式終止，切換到恒壓充電模式。恒壓充電模式：充電電壓值為14 V，隨著對(duì)電池的不斷充電，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流下降到0.2 A時(shí)，恒壓充電模式終止，進(jìn)入到浮充模式。浮充模式：以恒定的電壓13.5 V對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，補(bǔ)充電池自放電消耗的電能，保證電池電量恒定，完成充電過(guò)程。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

當(dāng)輸入電壓為24 V時(shí)，恒流控制輸出2 A，MOSFET開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形如圖10所示，占空比為64.53%，輸出電流為2.01 A，輸出電壓10.3 V，其波形如圖11所示，充電器能夠進(jìn)行恒流充電。當(dāng)輸出電壓大于14 V時(shí)，恒壓控制輸出14 V，MOSFET開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形如圖12所示，占空比為83.69%，輸出電壓波形如圖13所示，輸出電壓13.9 V；且當(dāng)充電電流小于0.2 A時(shí)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定在恒定的13.5 V實(shí)現(xiàn)恒壓浮充模式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的充電控制器能夠在恒壓充電、恒流充電和浮充三種充電方式下穩(wěn)定充電，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和有效性。

圖11　恒流輸仕申壓波形

圖12　恒壓驅(qū)動(dòng)波形圖

圖13　恒壓輸仕申壓波形

4　結(jié)束語(yǔ)

論文針對(duì)太陽(yáng)能電池組對(duì)蓄電池充電時(shí)充電曲線的非線性的現(xiàn)實(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的快速穩(wěn)定充電設(shè)計(jì)了此系統(tǒng)。通過(guò)檢測(cè)蓄電池兩端的電壓、電流來(lái)判斷采取何種充電方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定充電，同時(shí)在充電過(guò)程中保護(hù)了蓄電池，延長(zhǎng)了蓄電池的壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，論文所涉及的充電控制器系統(tǒng)成功的實(shí)現(xiàn)了在動(dòng)態(tài)條件下對(duì)蓄電池進(jìn)行恒壓充電、恒流充電和浮充，能夠穩(wěn)定工作。且整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，同時(shí)考慮到實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，器件選擇的實(shí)用性和可靠性，減少了開(kāi)支，提高了性價(jià)比。

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Design of STM32-based Digital PI Control Charger

Lei Xiaoling,Geng Yuntao,Gao Shiran,Li Min
（Shaoyang University，Shaoyang 422000，Hunan，China）

Abstract:The paper mainly describes a charger based on single chip microcomputer STM32F103ZET6,which uses digital PI control technology to carry out single closed-loop control strategies.In this method,constant voltage charging and constant current charging becomes true.This paper shows every important parts,which contains the main circuit,control circuit,drive circuit,and control method.In the end of this paper,the results show that this design can work in the normal range when this equipment works on constant voltage charging and constant current charging,So the theory is effective.

Keywords:single chip microcomputer STM32F103ZET6;charge controller;digital PI control technology;closed-loop control strategies;constant voltage/ constant current charging

作者簡(jiǎn)介：雷小玲（1976-），女，本科，研究方向：計(jì)算機(jī)控制、圖書(shū)信息檢索。

收稿日期：2015-09-09

中圖分類號(hào)：TM914

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）01-0009-04