基于單片機(jī)的雙閉環(huán)控制智能充電器研制

楊彥兵，李輝，劉曉丹

(電子科技大學(xué)，四川成都 611731)

基于單片機(jī)的雙閉環(huán)控制智能充電器研制

楊彥兵，李輝，劉曉丹

(電子科技大學(xué)，四川成都 611731)

針對(duì)當(dāng)前鉛酸電池充電器大多使用單閉環(huán)模擬方式控制可靠性低、充電保護(hù)功能欠缺、充電效率低等不足，設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)雙閉環(huán)控制的鉛酸蓄電池智能充電器。給出了其主電路結(jié)構(gòu)和MOSFET驅(qū)動(dòng)器電路，分析了其控制原理并設(shè)計(jì)了其軟件流程圖。采用單片機(jī)雙閉環(huán)控制，能夠很好地適應(yīng)負(fù)載的大變化范圍；采用高性能電源芯片UC3842作為驅(qū)動(dòng)器和前端控制器，實(shí)現(xiàn)了前端閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的可靠性；在傳統(tǒng)三段式充電過(guò)程基礎(chǔ)上新增了脈沖充電過(guò)程和相應(yīng)保護(hù)功能，可以對(duì)電池進(jìn)行修復(fù)，延長(zhǎng)電池使用壽命。通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了本設(shè)計(jì)的可行性和合理性。

智能充電；UC3842；單片機(jī)控制；PWM

由于鉛酸蓄電池的維護(hù)簡(jiǎn)單安全、使用方便，廣泛作為電動(dòng)自行車(chē)的動(dòng)力電源；而反復(fù)地充電、放電將直接影響電池的蓄電量和壽命[1]。尤其是蓄電池充電過(guò)程對(duì)其壽命影響最大，過(guò)充電、充電不足這些又是導(dǎo)致充電錯(cuò)誤的主要原因[2]。另一方面由于充電條件限制，充電器又需要有電池接反、充電過(guò)程中電池松動(dòng)脫落等報(bào)警功能。而傳統(tǒng)的充電器往往采用全模擬電路控制，不容易或者不能實(shí)現(xiàn)上述功能[3-5]。

本文創(chuàng)新使用通用電源芯片UC3842作為MOSFET驅(qū)動(dòng)器和前端電路控制器，并采用變頻PWM控制和四階段充電技術(shù)。該充電器能夠自動(dòng)檢測(cè)電池接入情況，根據(jù)蓄電池狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行恒流充電-脈沖充電-恒壓充電-浮充充電四個(gè)充電階段轉(zhuǎn)換，而且能對(duì)充電器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；如有故障發(fā)生，能及時(shí)進(jìn)行保護(hù)和報(bào)警。整個(gè)充電器具有可靠性高、輸出精度高、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。

1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制原理

1.1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

充電器主電路采用兩級(jí)串聯(lián)AC/DC-DC/AC結(jié)構(gòu)，輸入采用單向AC/DC不控整流，輸出采用單端反激式逆變電路，主電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在此種電路結(jié)構(gòu)中，交流電被整流橋D2整流后，再加上電容C2濾波后變成直流電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，變壓器存儲(chǔ)能量，負(fù)載電流由輸出濾波電容C1提供；開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器將儲(chǔ)存的能量傳送到負(fù)載和輸出濾波電容，以補(bǔ)償電容單獨(dú)提供給負(fù)載電流時(shí)消耗的能量。為了改善開(kāi)關(guān)狀態(tài)，防止開(kāi)關(guān)器件換流開(kāi)通時(shí)造成較大的尖峰電流及d/d 沖擊，應(yīng)控制電流的開(kāi)關(guān)工作頻率略大于負(fù)載的固有諧振頻率，使等效負(fù)載參數(shù)呈弱感性，此外還需要在變壓器原邊上加上尖峰電流吸收緩沖網(wǎng)絡(luò)。

圖1 單端反激式開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 控制策略

調(diào)頻調(diào)脈寬控制策略結(jié)合了脈沖頻率調(diào)制(PFM)和脈沖寬度調(diào)制(PWM)兩種控制策略的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)加在Q1上驅(qū)動(dòng)電平的頻率和脈寬同時(shí)調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的連續(xù)調(diào)節(jié)控制。與單純的調(diào)頻PFM方式相比，它能夠在小的頻率變化范圍實(shí)現(xiàn)較大的輸出功率調(diào)節(jié)，又能夠?qū)崿F(xiàn)功率器件的軟開(kāi)關(guān)功能。與單純的調(diào)脈沖(PWM)控制相比，它能夠?qū)崿F(xiàn)在輕負(fù)載條件下，主電路輸出穩(wěn)定功率連續(xù)的功能。圖2顯示了在電路不同負(fù)載條件下的PWM輸出波形和調(diào)整方式的控制。

圖2 不同負(fù)載條件下Q1驅(qū)動(dòng)電平的狀態(tài)

2 硬件設(shè)計(jì)

調(diào)頻調(diào)脈寬充電器主要由主電路、UC3842驅(qū)動(dòng)電路、電流電壓采樣電路、保護(hù)電路、單片機(jī)控制電路及顯示報(bào)警電路組成。電路硬件框圖如圖3所示。主電路采用圖1所示的單端反激式開(kāi)關(guān)電源作為電路主體結(jié)構(gòu)，電流采樣通過(guò)串接采樣電阻，檢測(cè)采樣電阻兩端的電壓，而計(jì)算出其電流大??；保護(hù)電路主要包括電池接反保護(hù)電路和電池欠壓保護(hù)電路，顯示及報(bào)警電路保護(hù)蜂鳴器報(bào)警電路和LCD12864顯示電路。

圖3 調(diào)頻調(diào)脈寬充電器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 UC3842驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

UC3842芯片是一種高性能、低成本的電流控制器。通過(guò)設(shè)置其外圍電路形式和參數(shù)，即可作為一個(gè)固定頻率的控制器使用，并且芯片內(nèi)部還有一些保護(hù)電路，例如芯片電源和基準(zhǔn)電壓兩個(gè)欠壓鎖定比較器等，芯片的驅(qū)動(dòng)能力更高達(dá)±1.0 A的峰值驅(qū)動(dòng)電流，當(dāng)負(fù)載為1.0 nF時(shí)其上升和下降時(shí)間的典型值為50 ns。因此，UC3842可以被作為一個(gè)具有保護(hù)功能的MOSFET驅(qū)動(dòng)器。UC3842驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 UC3842驅(qū)動(dòng)電路圖

在圖4中，R1、R2、R3和R7組成的電路網(wǎng)絡(luò)分壓后給UC3842的2腳(電壓反饋端)形成對(duì)電源電壓的反饋，R9、R6、R8和C4組成的電流采樣網(wǎng)絡(luò)，可以控制整個(gè)系統(tǒng)的輸出電流(即輸出功率)。其控制原理為，當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，經(jīng)過(guò)電容Ct后將控制信號(hào)加到腳4，使芯片輸出端為高電平，驅(qū)動(dòng)功率管導(dǎo)通；當(dāng)控制信號(hào)為低時(shí)，關(guān)斷UC3842芯片，從而控制功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路的控制時(shí)序圖，如圖5所示。

圖5 UC3842驅(qū)動(dòng)器控制時(shí)序圖

2.2 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

保護(hù)電路主要有電池接反保護(hù)和電池欠壓保護(hù)功能，保護(hù)電路圖如圖6所示。當(dāng)在X1和X2端接入電池后，R1和R3分壓使Q1導(dǎo)通，從而使D1反向?qū)ǎ瓜到y(tǒng)輸出加在D1、Q1、R4和R5回路，從而使Q2導(dǎo)通，系統(tǒng)輸出與電池形成電流回路，充電器進(jìn)入正常充電模式。當(dāng)電池接反后三極管Q1不能導(dǎo)通，從而Q2截止，系統(tǒng)輸出保護(hù)，而由D2和光耦817組成的回路導(dǎo)通，光耦器輸出低電平信號(hào)，再由單片機(jī)檢測(cè)信號(hào)從而控制系統(tǒng)輸出報(bào)警信號(hào)并關(guān)閉電路前端輸出。

圖6 充電器輸出保護(hù)電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)初始化、負(fù)載狀態(tài)檢測(cè)、PWM輸出調(diào)整等軟件部分。系統(tǒng)程序流程圖如圖7所示。控制器根據(jù)負(fù)載電壓和系統(tǒng)輸出電流判定電池所處的充電狀態(tài)，并調(diào)整PWM的頻率和脈寬，控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間，從而控制充電電流和電壓，充電器實(shí)時(shí)顯示充電電流和電池電壓等狀態(tài)信息。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述理論分析和系統(tǒng)軟硬件分析，設(shè)計(jì)了UC3842驅(qū)動(dòng)器Multisim仿真電路，對(duì)驅(qū)動(dòng)器在不同PWM頻率和脈寬下的工作狀態(tài)進(jìn)行了仿真分析。圖8(a)為輸入10 kHz占空比為20%信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器各個(gè)點(diǎn)的信號(hào)波形。圖8(b)為輸入40 kHz占空比為80%信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器各個(gè)點(diǎn)的信號(hào)波形。其中黃色為輸入信號(hào)，青色為UC3842驅(qū)動(dòng)器4腳上的信號(hào)波形，馬鞍棕色為輸出波形。

在以上仿真分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了輸出最高電壓59.2 V、輸出電流最大2.8 A的充電器樣機(jī)。圖9為充電器對(duì)48 V 20 Ah鉛酸蓄電池的充電波形，其中藍(lán)色線表示電池兩端電壓，紫色線表示電池充電電流。圖9中，(a)圖為充電器啟動(dòng)和恒流充電時(shí)充電電壓和充電電流波形，(b)圖為脈沖充電時(shí)充電電壓和充電電流波形，(c)圖表示電池從恒流到脈沖，再到浮充的完整充電過(guò)程中的充電電壓和充電電流波形。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于單片機(jī)控制的調(diào)頻調(diào)脈寬充電器具有恒流充電、脈沖充電、恒壓充電和浮充充電四個(gè)充電過(guò)程，其輸出電壓、電流穩(wěn)定，并具有電池接反報(bào)警、欠壓報(bào)警等功能。再采用UC3842前端閉環(huán)控制和單片機(jī)對(duì)輸出電壓、電壓的大閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的可靠性和輸出精度。

圖9 充電器對(duì)48 V 20 Ah鉛酸蓄電池充電波形[圖中橫坐標(biāo)是采樣點(diǎn)數(shù)(序列從1開(kāi)始)，間隔時(shí)間是1 s，與采樣時(shí)間一一對(duì)應(yīng)]

[1]周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛(ài)華.充電器電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[2]包有富，閆智剛，朱瑤琳.影響閥控鉛酸蓄電池深循環(huán)壽命的因素[J].電源技術(shù)，2001,25(4):268-270.

[3]高小婭.電動(dòng)自行車(chē)智能充電器設(shè)計(jì)[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

[4]沙占友.新型單片機(jī)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[5]林成武，王鳳翔.基于UC3842芯片的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].微處理機(jī),1999(4):8-12.

Development of microcontroller-based double closed-loop smart charger

YANG Yan-bing,LI Hui,LIU Xiao-dan

Low reliability and charging efficiency,lack of charging protection function,and some other problems of the current chargers based on single closed-loop analog control were considered.A lead-acid battery smart charger of double closed-loop digital control based on microcontroller was introduced.The main circuit and MOSFET diver were presented and analyzed,and the program flow chart was also designed.The novel frequency-varied PWM control method was adopted.The reliability of system was improved by using high-performance power chip UC3842 to be the driver and front-end controller.Pulse current charging process and protective functions were appended in the traditional three-stage charging process.Then the batteries could be maintained,and the life could be extended.The results of simulation and experimentation show that this design is feasible and reasonable.

intelligent charge;UC3842;microcomputer control;PWM

TM 912

A

1002-087 X(2014)02-0307-03

2013-06-30

楊彥兵(1987—)，男，四川省人，碩士生，主要研究方向?yàn)橹悄艹潆娂夹g(shù)、開(kāi)關(guān)電源數(shù)字控制技術(shù)。