基于微機控制的雙向DC—DC變換器設(shè)計

藺鵬

摘要：文章設(shè)計了一種微機控制的雙向DC-DC變換器。它通過采集電池組充電或放電狀態(tài)時的電流、電壓信號送給AD轉(zhuǎn)換器，微控制器利用PID算法實現(xiàn)對控制量的計算以PWM脈沖控制雙向DC-DC變換器場效應(yīng)管的導(dǎo)通時間，完成電池組恒流充電或恒壓放電，實現(xiàn)能量雙向流動。

關(guān)鍵詞：雙向DC-DC變換器；PID算法；PWM；恒流

中圖分類號：TP302.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）13-0210-02

1概述

在一個電路系統(tǒng)中直流電源間需要雙向能量流動情況都需要雙向DC-DC變換器。它是指當(dāng)雙向DC-DC變換器的輸入、輸出電壓極性不變，通過控制變換器使輸入、輸出電流方向發(fā)生改變，同時保證輸入和輸出端口的電流和電壓能穩(wěn)定、可控，保證能量雙向流動。雙向DC-DC變換器可以看做一個中間電路網(wǎng)絡(luò)，不僅可以使功率從輸入端流向輸出端，也能使輸出端流向輸入端。因此直流電機驅(qū)動系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)、航空航天電源、太陽能（風(fēng)能）發(fā)電系統(tǒng)、能量儲存系統(tǒng)、電動汽車動力系統(tǒng)等廣泛應(yīng)用。

本文設(shè)計一種DC-DC變換器，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動，當(dāng)電池充電時電流可調(diào)并可恒流控制，當(dāng)電池處于放電狀態(tài)時變換器輸出恒壓控制。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制器通過控制DC-DC變換器電路開關(guān)實現(xiàn)直流電源對電池充電或反之控制DC-DC控制器實現(xiàn)電池放電。當(dāng)處于充電狀態(tài)時，ADC檢測電池充電電流并反饋給控制器，然后控制器控制DC-DC變換器以設(shè)定值保持恒流方式充電。當(dāng)電池放電時，ADC檢測電池輸出電壓，控制器控制DC-DC變換電路保持恒壓輸出。按鍵用于設(shè)置充電電流、電壓。LCD顯示充電電流、電壓，電池放電電壓等。

3系統(tǒng)硬件構(gòu)成

3.1STC12C5A16S2控制器

系統(tǒng)采用STC12C5A16S2作為主控制器，它具有16KBFLASH程序存儲器，1280B內(nèi)部RAM，2個16位的定時計數(shù)器，一個8路10位AD，指令與51單片機完全兼容，時鐘頻率可達40MHz。STC12C5A16S2將ADC送人的電流和電壓值與設(shè)定值進行比較后，利用相應(yīng)算法計算出控制量PWM值去控制DC-DC控制器從而達到對電池組充電、放電過程的控制。

3.2按鍵和LCD顯示

由于僅僅需要對電流和電壓進行設(shè)置，采用4個獨立式按鍵分別完成電流、電壓選擇鍵、加一鍵、減一鍵和確定鍵。為了顯示充電電流、電壓信號同時減小體積和重量可采用LCD1602顯示。

3.3雙向DC-DC控制電路

DC-DC控制電路有兩種狀態(tài)“充電”和“放電”如圖2所示，當(dāng)開關(guān)S1、S2處于充電位置時，驅(qū)動電路IR2104輸出H0為1，L0為0使場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通、Q2截止，直流電源通過Q1對電池組充電并且電感L1儲存能量；輸出H0為0，L0為1場效應(yīng)管Q1截止、Q2導(dǎo)通，電感u通過釋放能量阻止電池電流增大而放電，上述過程周期出現(xiàn)，且時間短，通過控制H0與L0電平時間即可控制對電池充電。開關(guān)S1、S2處于放電位置時，驅(qū)動電路輸出H0為0，L0為1使場效應(yīng)管Q1截止、Q2導(dǎo)通，電感儲存能量并給電容充電，當(dāng)輸出H0為1，L0為0時場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通、Q2截止，電感、電容及電池共同通過Q1向負載RL供電。Ia和Ib是監(jiān)測電池組充（放）電電流端點，VB是監(jiān)測電池組充（放）電電壓端點。將電池組電壓分壓后，將取樣電壓送微控制器進行AD轉(zhuǎn)換后乘以系數(shù)就可知電池組端電壓。

3.4雙向DC-DC驅(qū)動器

IR2104是一個輸出邏輯驅(qū)動高（低）側(cè)高壓、高速功率場效應(yīng)管驅(qū)動器。輸入兼容CMOS或TTL電平。IN引腳輸出控制HO和LO，當(dāng)IN為高電平時HO為高電平LO為低電平，IN是低電平時HO為低電平LO為高電平（HO和LO邏輯上總是相反）。SD引腳為電平則HO、LO都為低電平并不隨IN變化為變化。IN引腳信號是來自微控制器的PWM信號，HO、LO引腳輸出分別驅(qū)動高（低）側(cè)場效應(yīng)管控制實現(xiàn)充放電過程。

3.5電流采集電路

ACS712是一個電流傳感器，輸出電壓與測量的直流或交流電流成線性比例關(guān)系。電流從IP+引腳輸入，IP-引腳輸出，VIOUT端輸出與電流成線性關(guān)系的電壓。FILTER引腳外接電容用于對輸出濾波。圖3中IP+和IP-分別接入雙向DC-DC變換器的Ia和Ib端用來測量電池組充放電電流，輸出電壓與輸入電流的關(guān)系VIOUT=0.0667IP+2.5，當(dāng)充電電流在0-2A變化時VIOUT在2.5V-2.633V之間。VIOUT引腳接一個電壓跟隨器以提高輸出阻抗，將VI輸入微控制器STC12C5A60S2進行AD轉(zhuǎn)換。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括按鍵識別模塊、顯示模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、PID運算和PWM產(chǎn)生模塊。主流程如圖5，通過中斷方式實現(xiàn)按鍵識別，定時中斷完成對電壓和電流采集和AD轉(zhuǎn)換同時利用PID算法實現(xiàn)控制量的輸出。