0引言

本文針對礦用永磁操動機構(gòu)饋電開關(guān)智能控制器采用的鉛酸蓄電池在充電過程中存在充電過度、充電不足、電池過熱和充電速度慢等諸多問題，提出了一種以atmega16單片機為核心的智能充電器設計方法。采用了基于sugeno推理的模糊pID控制算法，提高了充電器的充電速度，減少了電池損耗，實現(xiàn)了對鉛酸蓄電池充電過程的智能化控制。

目前礦用永磁操動機構(gòu)饋電開關(guān)智能控制器采用鉛酸蓄電池作為備用電源。傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池充電方法有恒流限壓充電和恒壓限流充電，但充電效果都不是很理想，一方面這些方法充電時間過長，溫升過快。另一方面，充電過程中存在過充和欠充現(xiàn)象。專家研究表明：鉛酸蓄電池充電過程對其壽命影響最大，過充電、充電不足以及溫升都是引起電池故障的重要原因。

基于以上原因，系統(tǒng)根據(jù)蓄電池的充電特性，采用基于sugeno推理的模糊pID控制算法，設計了以atmega16單片機為核心的智能充電器，它能夠?qū)崟r采集電池充電過程中的電流、電壓、溫度等模擬量，使充電始終在最佳狀態(tài)下進行，實現(xiàn)了高效、快速、無損的充電過程。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)選取ATMEL公司生產(chǎn)的atmega16單片機作為核心控制芯片。總體結(jié)構(gòu)包括：電源模塊、充電主電路模塊、模擬量檢測模塊、顯示及報警模塊和IGBT驅(qū)動模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

在充電過程中，單片機實時采集電池充電過程中的電流、電壓和溫度等模擬量，通過其內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器將上述模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并判斷電池是否出現(xiàn)過壓、過流和過溫等故障。若出現(xiàn)故障，單片機立即關(guān)斷IGBT,并發(fā)出聲光報警。若檢測正常，則采用基于sugeno推理的模糊pID控制算法出現(xiàn)相應占空比的pWM脈沖來控制IGBT開關(guān)，通過BUCK電路對電池進行充電。

2系統(tǒng)硬件電路設計

2.1充電主電路設計

充電主電路其實是一個BUCK變換器，BUCK電路屬于降壓斬波電路。充電主電路如圖3所示。IGBT、二極管、電感L1和電容C10構(gòu)成BUCK電路，220V市電經(jīng)變壓器降壓，通過整流橋整流和EMI平滑濾波后，作為直流充電電源。在工作過程中，pWM控制信號的高電平脈沖出現(xiàn)，使IGBT導通，電感L1的電流不斷增大，并對電容C10儲能，同時對電池充電。此時，續(xù)流二極管因反向偏置而截止。pWM信號出現(xiàn)低電平時，IGBT截止，電感L1維持原電流方向，與續(xù)流二極管構(gòu)成充電回路，利用L1和C10中存儲的電能向電池充電。

圖2充電器實物圖

圖3充電主電路

2.2模擬量檢測模塊

2.2.1電壓檢測電路設計

電壓檢測電路采用線性光耦HCNR201將噪聲信號與單片機系統(tǒng)隔離開來，電壓檢測電路如圖4所示。

圖4電壓檢測電路

在正常充電的過程中，電池端電壓Ubat的變化范圍是9V-15V,而單片機檢測電壓的范圍是0-5V,所以通過R27和Rw4對電池兩端的電壓進行分壓，通過調(diào)節(jié)Rw4的阻值來限定運算放大器1的輸入電壓，使其始終保持在0-5V.電阻R24來控制初級運放輸入偏置電流的大小，C20起反饋用途，同時濾除了電路中的毛刺信號，防止HCNR201的發(fā)光二極管LED受到意外的沖擊。R23可以控制LED的發(fā)光強度，從而對控制通道增益起一定用途。運算放大器2和電阻R14將線性光耦HCNR201的輸出電流信號轉(zhuǎn)化成輸出電壓信號送入單片機。

2.2.2電流檢測電路設計

充電電流是通過檢測充電回路電阻兩端的電壓，并通過計算其與充電回路電阻的比值得到的。因此電流檢測電路與電壓檢測電路基本相同，差別在于電流充電回路電阻兩端電壓已經(jīng)在0-5V范圍內(nèi)，不要電阻分壓。

2.2.3溫度檢測電路設計

溫度檢測電路如圖5所示。選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測電池溫度，緊貼電池安裝，當電池溫度變化時，DS18B20輸出引腳輸出相應的信號，單片機將該信號轉(zhuǎn)化為溫度顯示在液晶屏上。當溫度超過設定值時，發(fā)出報警信號。

圖5溫度檢測電路

2.3顯示及報警模塊

顯示模塊重要是采用北京銘正同創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的12864LCD液晶顯示器。該液晶顯示器顯示的內(nèi)容包括：電池充電電流、電壓、溫度和充電狀態(tài)等信息。

報警模塊的重要功能是當電池在充電過程中發(fā)生過壓、過流和過溫等情況時立即報警，并在12864液晶屏上顯示故障原因，同時關(guān)斷IGBT開關(guān)管。

2.4IGBT驅(qū)動模塊

IGBT的驅(qū)動電路如圖6所示。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，采用光耦TLp250作為IGBT的核心驅(qū)動芯片。TLp250光耦既保證了功率驅(qū)動電路與pWM脈寬調(diào)制電路的可靠隔離，又具備了直接驅(qū)動IGBT的能力，使驅(qū)動電路簡單。

圖6IGBT驅(qū)動電路

3模糊控制設計

采用基于sugeno推理的模糊pID控制算法實現(xiàn)模糊控制器設計，輸入量為理想電流與實際電流之差I(lǐng)和I的變化率I/t,模糊控制器輸出為以比例、積分、微分控制的充電電流值，該控制算法簡化了控制器的結(jié)構(gòu)、提高了抗干擾性和魯棒性[4-6].模糊控制器的總體結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。