智能船用充電機的軟硬件設計

馬昭勝 方千山

（華僑大學機電學院，福建 362021）

1 引言

蓄電池在船舶上的主要用途是：（1）作為應急電源或備用電源，一般商船都把蓄電池作為船舶小應急電源，在船舶主電網失電而應急發電機組尚未正常供電的時間內，蓄電池組則供電給小應急負載；（2）作為低壓設備的電源（如供電給無線電收發報機、自動電話交換機和各種警報器）；（3）作應急發電機組和救生艇上柴油機的起動電源，用作羅經的直流電源等；（4）船舶小應急照明，操縱儀器和無線電設備的電源均采用蓄電池，船舶設置充放電板對蓄電池進行充電、放電，實現向應急用電設備正常供電[1]。

當前交流船舶常用充放電板的電路原理主要有兩種類型；一種接線見圖1，采用二極管整流裝置把交流電變為直流電。圖中QS為整流電源開關，SA1、SA2為整流后的總電源開關，電源回路中設置有熔斷器、電壓表和電流表。在每一個充電回路應設有防止逆流的逆電流繼電器或二極管。由圖1可見，當主應急電網都失電時，接觸器ZC1線圈失電，常閉觸頭閉合，直接向小應急用電設備供電，其余用電設備分別利用開關送電。

另一種接線見圖2，采用單結晶體管整流裝置把交流電變為直流電。該電瓶充電機電路使用元件較少，線路簡單，具有過充電保護、短路保護和電瓶短接保護。工作原理：R2、RP、 C 、T1、R3、 R4組成的單結晶體管觸發電路。當待充電電瓶接入電路后，觸發電路獲得所需電源電壓開始工作。當電瓶電壓充到一定數值時，使得單結晶體管的峰點電壓UP大于穩壓管DZ的穩定電壓，單結晶體管不能導通，觸發電路不再產生觸發脈沖，充電機停止充電。觸發電路和可控整流電路的同步是由二極管D和電阻R1來完成的。交流電壓過零變負后，電容通過D和R1迅速放電。交流電壓過零變正后D截止，電瓶電壓通過R2、RP向C充電。改變RP之值，可設定電瓶的初始充電電流。

圖1 整流器充電的充放電盤原理圖

圖2 電瓶充電機電路

這兩種充電方式雖然簡單，但是都存在充電效率低、充電時間長、對蓄電池損害大等缺點，我們利用智能控制技術、嵌入式系統應用技術和現代電力電子等領域中的最新成果，形成高效、快速、無損的蓄電池優化充電思想和技術方案。依據最佳充電電流曲線給定，采取瞬間放電減少極化，提出了以蓄電池極化電壓和蓄電池的荷電狀態決定充電電流的智能充電思路；采用一個二單元的智能功率模塊IPM作主回路開關器件，實現新型Buck/Boost拓撲，完成向蓄電池充電和蓄電池去極化放電功能；設計了基于Sam-sung公司S3C44BOX為核心的船用充電機控制電路，實現高速的數據采集、復雜的控制算法和PWM輸出控制等功能，從而完成高效、快速、無損的充電過程[2]。

2 智能充電機主電路

智能船用充電機的主電路采用Buck／Boost雙向功率傳輸電路，是一種AC-DC-DC的變換電路。其AC-DC部分的作用是通過將三相交流電源U、V、W進行降壓、隔離和整流后得到不可控制的直流電壓U1；DC-DC部分采用的電路是一個方向為Buck電路，另一方向為Boost電路；即對蓄電池充電時為Buck電路，放電時為Boost電路，如圖3所示。

圖3 Buck/BoostDC-DC可逆電路

當蓄電池進行充電時，控制器件Q2關斷，直流電壓經過全控開關器件Q1、續流二極管D2和電感L(同時兼作濾波)組成的Buck電路，并且通過控制Q1通斷來控制輸出電壓U2的大小，以控制蓄電池的充電電流和充電電壓。

當蓄電池放電時，Q1關斷，通過控制由Q2、L和D1所組成的Boost電路，將蓄電池的化學能通過Boost電路通過電容C1放電；當放電結束，轉入充電時，由于電容C1儲存有蓄電池放電時的能量，電容兩端電壓很高，因此，電容C1通過Q1、D2和L組成的Buck電路將所儲存的能量釋放給蓄電池；當電容C1電壓低于下限值后，由電網通過充電裝置向蓄電池組進行充電。

3 智能充電機控制電路

控制電路主要由三星公司生產的基于ARM7TDMI的嵌入式微控制器以S3C44BOX作為核心器件，再加上相應的接口電路組成，控制電路如圖4所示。

圖4 控制電路結構圖

3.1 S3C44BOX

S3C44BOX微處理器是三星公司提供的高性能的微控制器，它使用ARM7TDMI核心，工作在66 MHz。為了降低系統的總成本和減少外圍器件，該款芯片中還集成了以下部件：①實時時鐘；②1個IIS總線控制器；③1個多主I2C總線控制器；④2通道UART；⑤4個DMA通道；⑥5通道PWM定時器；⑦外部存儲器和控制器；⑧8通道10位ADC⑨8KB Cache及8個外部中斷源一個內部定時器；⑨71個通用I／O接口；⑩LCD控制器等。該芯片還具備ARM的高速結構和精簡系統，可以完成各種復雜的控制任務[3]。

3.2 外擴存儲器

（1）FLASH功能

擴展了AMD公司生產的FLASH芯片的AM29V160，其容量為2 MB，速度為90 ns。將其連接到S3C44B0X八個存儲體中的Bank0上，并作為系統的自舉ROM存儲體，將其地址設定為0x00000000～0x001fffff。因為AM29V160為16×1Mbit，所以，通過OM[1：0]=01配置Bank0的總線寬度為16位。

（2）SDRAM功能

本系統實現智能充電算法時采用了模糊神經網絡在線控制的程序設計和模糊控制器的隸屬度求解以及模糊推理，并且采用了觸摸屏實現人機交互，因此移植了嵌入式操作系統UC／OS-Ⅱ，所以系統對內存要求較高，為使系統擴展為韓國現代公司生產的SDRAM芯片HY57V641620，其為16×4 Mbit，容量為8 MB。而S3C44BOX 的Bank0／Bank7 能支持SDRAM，因此，就將SDRAM HY57V641620接在Bank6上。并設定其地址為0x0c000000～0x0c7fffff。

3.3 LCD與觸摸屏電路

該電路能夠實現充電參數的設置以及蓄電池的電壓、電流、時間、溫度、荷電狀態以及故障和充電結束等狀態，還能夠充電電壓和充電電流的曲線的進行顯示。S3C44BOX自帶LCD控制器模塊，不需要加外圍LCD控制器芯片。在此直接使用S3C44BOX 自帶LCD控制器模塊，將其控制信號經74HC245驅動后直接與一款320×240帶4線觸摸屏液晶顯示模塊RG322421 WNHDWB-T相連。通過端口G模擬串行的SIO接口與Burr-Brown公司生產的觸摸屏控制芯片ADS7843進行數據傳輸，完成對觸摸屏觸摸位置坐標的讀取[4]。并對電壓的切換以及采集接點處電壓并進行模數A／D轉換。

3.4 信號檢測與A／D轉換電路

芯片集成了一個10位的D/A轉換器，擁有一個8通道的模擬量輸入、時鐘發生器、自動過零比較器、l0位連續近似寄存器和輸出寄存器，可提供軟件選擇的運行模式。利用S3C44BOX片內所帶A／D轉換器，與信號檢測電路全隔離信號調制模塊的輸出端相連。由于其片內自帶A／D轉換器的輸入電壓范圍為0～2.5 V，因此充電電壓的檢測采用輸入為0～450 VDC，輸出為0～2.5 V電壓信號可以和微機直接接口的全隔離信號調制模塊檢測，加在S3C44BOX片內自帶A／D的AIN0上；充電電流通過輸入為300 A，輸出為75 mV的分流器，進而通過輸入為0～75 mV輸出為0～2.5 V的全隔離信號調制模塊隔離后加在S3C44BOX片內自帶A／D的AIN1上。電解液溫度采用耐酸的溫度范圍為-50～+150 ℃的熱電偶Cu50檢測，并經輸入為-5O～+150 ℃ 、輸出為0～2.5 V的全隔離信號調制模塊處理后加在S3C44BOX片內自帶A／D的AIN2上。由于全隔離模塊的隔離電壓高，采用光電耦合器隔離，使主電路和控制電路完全隔離，因此該裝置的控制安全可靠。

3.5 PWM驅動和保護電路

S3C44BOX中有6個l6位定時器，其中定時器0～4共五個有PWM功能，且具有：6個基于DMA或中斷操作的l6位定時器；3個8位預分頻器，2個5位除法器，1個4位除法器；輸出波形的可編程功率控制(PWM)；自動裝載或短脈沖模式；死區發生器等功能。系統應用了其TOUT1和TOUT2實現對全控器件IPM PM200DSA120模塊的監控。充電時，由S3C44BOX的TOUT1口輸出頻率為20 kHz，占空比可變的PWM信號，通過光電隔離后控制IPM的導通，進而控制充電電流的大小。放電時，由S3C44BOX的TOUT2口上產生周期為lk占空比為0.5的PWM信號，通過光電隔離后加在IPM的控制端，實現對蓄電池的放電。當IPM發生過流、短路、欠壓和過溫故障時，IPM自身能夠快速關斷，但關斷不死，以實現保護功能。同時，在FNO端輸出脈寬大于1 ms的低電平(正常時該端為高電平)。如果將IPM的上、下臂故障信號FPO和FNO相與后通過光電隔離加在S3C44BOX的外部中斷端EINT2和EINT3上。一旦發生故障，FPO或FNO端輸出低電平，產生外中斷。在外中斷服務程序中封鎖TOUT1和TOUT2口的輸出，加在IPM輸入端CPI和CNI上的脈沖，進而更加可靠地保護了IPM模塊[5]。如圖5所示。

此外，該系統留有以太網接口、RS232串行擴展接口，以實現聯網及通訊，最終實現全船集散化的功能。

圖5 驅動電路和保護電路

4 軟件設計

根據船舶蓄電池系統的功能，移植了實時嵌入式操作系統uC／OS-II，uC／OS-II該系統的軟件部分主要包括三層結構，如圖6所示。

在設備驅動的程序部分，主要是針對本系統所用到的外圍硬件設備，定制了4個驅動程序，分別為：模數A／D轉換數據采集驅動(ad-data.c)、觸摸屏驅動(tou-ch.C)、液晶顯示器驅動(lcd.C)及PWM定時器控制輸出驅動(pwm.C)。此外，該系統還包括8個功能模塊，分別為：數據采集模塊、數據存儲模塊、觸摸屏模塊、LCD顯示模塊、模糊控制器模塊、PWM控制輸出模塊、模糊神經網絡在線控制的程序設計模塊和其它應用模塊[6]。

圖6 系統軟件結構圖

5 結束語

基于嵌入式的船用嵌入式蓄電池系統的開發，為船舶輪機人員提供了快速充電的技術手段，保障了船舶應急電源設備的正常使用。

本系統通過對某輪的12只D-180船用鉛酸蓄電池串聯充電實驗，歷時1.25 h，充入電量為178.5 Ah。其后繼續充電，安時數增加微乎其微，充電效率為89%。整個充電期間，溫升為20.1 ℃～21.9℃，因而可實現高效、快速充電。實踐證明，該系統穩定可靠，操作簡單，符合設備檢修的智能化、網絡化發展方向，在航運系統內部具有一定的推廣價值。

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[1]鄭華耀. 船舶電氣設備及系統[M]. 大連:大連海事大學出版社,2005(7): 240-249.

[2]劉洋, 趙金. 磁場定向控制中SVPWM過調制策略的改進與實現[J]. 電氣傳動, 2008( 3).

[3]張超華, 湯雨, 謝少軍. 基于Buck-Boost的AC/AC變換器設計[J]. 電工技術學報, 2007(8).

[4]向禮丹, 朱建林, 柳莎莎. 一種基于Boost電路的新型矩陣變換器的研究[J]. 湘潭大學自然科學學報,2008(1).

[5]劉文戰, 郭文成, 李坤. 可視化智能充電機的研究[J]. 山東農業大學學報(自然科學版), 2008(1).

[6]毛太平, 馮大彬, 李黔蜀. 基于ARM處理器的微機線路保護裝置的研究[J]. 自動化技術與應用,2007(11).