引言

本文針對礦用永磁操動(dòng)機(jī)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(jī)為核心的智能充電器設(shè)計(jì)方案。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?fù)p耗，實(shí)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(dòng)機(jī)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(shí)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主要原因。

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(shè)計(jì)了以atmega16 單片機(jī)為核心的智能充電器，它能夠?qū)崟r(shí)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(jìn)行，實(shí)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)選取ATMEL 公司生產(chǎn)的 atmega16 單片機(jī)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(bào)警模塊和IGBT 驅(qū)動(dòng)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(jī)實(shí)時(shí)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(jī)立即關(guān)斷IGBT,并發(fā)出聲光報(bào)警。若檢測正常，則采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM 脈沖來控制IGBT 開關(guān)，通過BUCK 電路對電池進(jìn)行充電。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 充電主電路設(shè)計(jì)

充電主電路其實(shí)是一個(gè)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(dǎo)通，電感L1 的電流不斷增大，并對電容C10 儲(chǔ)能，同時(shí)對電池充電。此時(shí)，續(xù)流二極管因反向偏置而截止。PWM 信號出現(xiàn)低電平時(shí)，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(chǔ)的電能向電池充電。

圖2 充電器實(shí)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(shè)計(jì)

電壓檢測電路采用線性光耦HCNR201 將噪聲信號與單片機(jī)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(jī)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(jìn)行分壓，通過調(diào)節(jié)Rw4 的阻值來限定運(yùn)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(yùn)放輸入偏置電流的大小，C20 起反饋?zhàn)饔茫瑫r(shí)濾除了電路中的毛刺信號，避免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(qiáng)度，從而對控制通道增益起一定作用。運(yùn)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(jī)。

2.2.2 電流檢測電路設(shè)計(jì)

充電電流是通過檢測充電回路電阻兩端的電壓，并通過計(jì)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，區(qū)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)，不需要電阻分壓。

2.2.3 溫度檢測電路設(shè)計(jì)

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(dāng)電池溫度變化時(shí)，DS18B20 輸出引腳輸出相應(yīng)的信號，單片機(jī)將該信號轉(zhuǎn)化為溫度顯示在液晶屏上。當(dāng)溫度超過設(shè)定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號。

圖5 溫度檢測電路

2.3 顯示及報(bào)警模塊

顯示模塊主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(bào)警模塊的主要功能是當(dāng)電池在充電過程中發(fā)生過壓、過流和過溫等情況時(shí)立即報(bào)警，并在12864 液晶屏上顯示故障原因，同時(shí)關(guān)斷IGBT 開關(guān)管。

2.4 IGBT 驅(qū)動(dòng)模塊

IGBT 的驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片。TLP250 光耦既保證了功率驅(qū)動(dòng)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(dòng)IGBT 的能力，使驅(qū)動(dòng)電路簡單。

圖6 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路

3 模糊控制設(shè)計(jì)

采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法實(shí)現(xiàn)模糊控制器設(shè)計(jì)，輸入量為理想電流與實(shí)際電流之差ΔI和ΔI 的變化率ΔI/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。

圖7 模糊控制器總體結(jié)構(gòu)圖

3.1 輸入語言變量的隸屬函數(shù)

模糊控制器定義輸入偏差e（t）和偏差變化率ec（t）均有3 個(gè)模糊語言變量值：{ B（大）、M（中）、S（小）},它們的隸屬函數(shù)均采用對稱、全交疊的結(jié)構(gòu)。輸入偏差e（t）和偏差變化率ec（t）的隸屬度函數(shù)如圖8 所示。

圖8 e（t）和ec（t）的隸屬度函數(shù)

3.2 模糊控制規(guī)則

模糊控制器設(shè)計(jì)的核心是模糊控制規(guī)則的選取和確定，本模糊控制器根據(jù)實(shí)際充電情況建立了基于sugeno 推理方式的五條模糊控制規(guī)則：

規(guī)則1:If e is B then νp is νp1,νi is νi1,νd is νd1;

規(guī)則2:If e is M and ec is B then νp is νp2, νi isνi2,νd is νd2;

規(guī)則3:If e is M and ec is M then νp is νp3,νi isνi3,νd is νd3;

規(guī)則4:If e is M and ec is S then νp is νp4, νi isνi4,νd is νd4;

規(guī)則5:If e is S then νp is νp5, νi is νi5,νd is νd5;

3.3 輸出語言變量值

模糊控制器采用sugeno 模糊推理方式，其輸出語言變量νp, νi ,νd 在下述五種控制規(guī)則中的取值如表1所示。

表1 νp,νi,νd 取值表

3.4 模糊推理算法

sugeno 型模糊推理算法，與其它類型的模糊推理算法不同，該算法可將去模糊化結(jié)合到模糊推理中，即在sugeno 型模糊規(guī)則后件部分，將輸出量表示為輸入量的線性組合，因此輸出為精確量，這是由sugeno型模糊規(guī)則的形式所決定的。針對上述模糊控制規(guī)則，可調(diào)因子νp,νi 和νd 的推理計(jì)算公式為：

其中，隸屬度值為：

由此建立了PID 控制器參數(shù)的可調(diào)因子νp,νi 和νd與偏差e 和ec 之間的模糊函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了PID 參數(shù)Kp, Ki 和Kd 的模糊在線自調(diào)整，滿足了系統(tǒng)的要求。

4 實(shí)驗(yàn)

采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法設(shè)計(jì)的智能型鉛酸蓄電池充電器和普通的鉛酸蓄電池充電器分別對電池進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)對象采用的是廊坊東三星蓄電池有限公司生產(chǎn)的12V、4A h 鉛酸蓄電池。

充電時(shí)間為140 分鐘，每隔5 分鐘記錄一次電流和溫度值。兩種模式下的充電電流曲線如圖9 所示，兩種模式下的充電溫度曲線如圖10 所示。

圖9 兩種模式下的充電電流曲線

圖10 兩種模式下的充電溫度曲線

5 結(jié)論

本文以atmega16 單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計(jì)了對鉛酸蓄電池智能充電器的硬件方案，并采用了一種基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法，優(yōu)化了鉛酸蓄電池的充電過程，保證了礦用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)饋電開關(guān)智能控制器備用電源的安全使用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案解決了鉛酸蓄電池充電過程中存在的過充電、充電不足和發(fā)熱等問題，并在加快充電速度，減少能量損耗、延長使用電池壽命等方面效果顯著。