基于STM32的數字PI充電控制器設計

雷小玲,耿運濤,高士然,李　敏（邵陽學院，湖南邵陽 422000）

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基于STM32的數字PI充電控制器設計

雷小玲,耿運濤,高士然,李敏
（邵陽學院，湖南邵陽 422000）

摘要:針對太陽能光伏系統對蓄電池的穩定充電問題，本文設計了以STM32F103ZET6單片機為主控核心的充電控制器，采用數字PI控制技術進行電壓閉環控制和電流閉環控制，使充電裝置實現恒壓充電、恒流充電和浮充。論文給出了詳細的設計過程，包括主電路設計、電壓/電流采集電路設計、驅動電路設計以及控制系統的設計。實驗結果表明所設計的充電控制器能夠在恒壓充電、恒流充電和浮充三種充電方式下穩定充電，驗證了設計的正確性和有效性。

關鍵詞：STM32F103ZET6單片機充電控制器數字PI控制閉環控制恒壓/恒流充電

0　引言

在日常生活中，人們通常會選用蓄電池作為儲能裝置，由于全密封免維護鉛酸蓄電池具有價格低廉，供電可靠，電壓穩定等特點，同時具有密封好，無泄漏，無污染等優點，因此在太陽能光伏系統中得到了廣泛應用。太陽能光伏系統在對鉛酸蓄電池充電的過程中，對系統穩定工作、蓄電池進行快速充電、延長蓄電池的壽命等的要求變得日益重要。論文通過對充電器主電路、電壓/電流采集電路、驅動電路以及控制系統的設計，實現了對蓄電池的快速充電，且同時具備過壓、欠壓和過流保護，能夠最大限度的保護蓄電池，以延長蓄電池壽命。

1　總體方案設計

恒壓/恒流充電控制器系統框圖如圖1所示，圖中L、C組成濾波電路，Io為充電電流，Uo為充電電壓。整個裝置主要由主電路、控制電路、驅動電路和蓄電池組等組成。太陽能電池組產生的直流電壓經過DC/DC主電路降壓后，通過相應的充電方式給蓄電池組充電。控制系統為基于STM32F103ZET6單片機的數字控制系統，主要的功能模塊有電壓/電流檢測模塊、控制模塊和觸發脈沖形成模塊，主要的功能是根據采集到的蓄電池兩端的電壓和電流，采取相應的控制方式對蓄電池進行充電。

圖1　恒壓 /恒流充申控制器系統框圖

1.1 主電路設計

由于太陽能電池組輸出的直流電壓為24 V，而蓄電池的充電電壓為低于24V，因此主電路采用降壓型斬波電路，電路原理圖如圖2所示。根據系統的輸出容量，對開關器件進行選型，并對電感、電容參數進行計算。將光伏單元輸出的電流、電壓轉換成充電所需的電流、電壓。因N型MOSFET導通時電阻阻值很小，導通功率損耗較低，所以為了提高效率，采用N型MOSFET作為開關管。通過兩個開關管串接，以防止太陽能電池供電不足時出現蓄電池能量倒流的現象，并且采用開關管代替二極管，給其以互補信號。

對電感的參數計算:

圖2　主申路

1.2 驅動電路設計

太陽能電池組輸出電壓會在24～36 V之間變化，但驅動信號電壓等級較低，而主電路電壓等級較高，因此兩者之間需要采取隔離措施。高速光耦隔離低端驅動具有工作頻率高，穩定性好的優點，基于此論文采用HCPL-3120對 MOS管進行光耦隔離，電路圖如圖3所示。

圖3　光耦隔離申路

1.3 電壓/電流采集電路設計

電流檢測電路如圖4所示，采用OP07將采樣電阻采集的電壓信號進行信號放大處理，輸出通過穩壓二極管限幅，并通過RC濾波電路減少干擾信號，輸出的信號供單片機進行ADC轉換。

電壓檢測電路采用電阻分壓，通過限幅濾波，供單片機進行ADC轉換。

圖4　申流檢測申路

1.4 輔助電源設計

輔助電源采用高效率的開關降壓芯片LM2576，將太陽能電池組輸出電壓降到15 V給驅動電路供電；將電池電壓降到10 V，通過穩壓芯片穩壓到5 V和3.3 V給控制器供電。通過ICL7660S芯片產生負電壓-5 V給檢測電路供電，保證系統穩定運行，其電路如圖5所示。

2　控制系統設計

2.1 STM32系統框圖

STM32具有性能高、精度高、外設集成度高、數據處理和運算快等優點。系統需要5V 和3.3V兩路電源供電。5V電源由輔助電源得到，3.3V電源通過5V電源轉換得到。采樣電路將蓄電池的實時充電電壓、充電電流信號反饋給STM32。STM32通過對采樣數據和給定數據進行比較，經過PI調節后給驅動模塊產生PWM信號。采用LCD12864作為液晶顯示模塊，通過并口通訊與STM32進行數據傳輸，用以對充電電壓、充電電流的實時顯示。按鍵模塊能夠進行啟動或停止充電操作，并對相應的控制參數（如電壓、電流）進行設置。

圖5　輔助申源申路

圖6　STM32系統框圖

2.2 數字PI控制技術

控制系統采用數字PI控制技術進行電壓閉環控制和電流閉環控制，實現充電裝置恒壓充電和恒流充電兩種充電方式。

當充電裝置處于恒壓充電時，控制系統采用數字PI控制技術進行電壓閉環控制，如圖7所示，充電電壓反饋值與其給定值U*o做比較，產生的差值經數字PI調節后產生PWM驅動信號控制主電路進行充電，實現恒壓充電。

圖7　恒壓充申閉環控制原理圖

當充電裝置處于恒流充電時，控制系統采用數字PI控制技術進行電流閉環控制，如圖8所示，充電電流反饋值與其給定值I*o做比較，產生的差值經數字PI調節后產生PWM驅動信號控制主電路進行充電，實現恒流充電。

圖8　恒流充申閉環控制原理圖

圖9　充申控制主程序框圖

2.3 軟件設計

根據充電曲線，充電控制的方式采用三階段充電，其程序框圖如圖9所示，三階段充電包括恒流充電模式、恒壓充電模式和浮充模式。恒流充電模式：當蓄電池的端電壓低于14.4 V時，采用恒流充電，充電電流設置為10 A，不斷檢測電池端電壓，當電壓達到14 V，恒流充電模式終止，切換到恒壓充電模式。恒壓充電模式：充電電壓值為14 V，隨著對電池的不斷充電，充電電流逐漸減小，當充電電流下降到0.2 A時，恒壓充電模式終止，進入到浮充模式。浮充模式：以恒定的電壓13.5 V對蓄電池進行充電，補充電池自放電消耗的電能，保證電池電量恒定，完成充電過程。

3　實驗結果及其分析

當輸入電壓為24 V時，恒流控制輸出2 A，MOSFET開關管驅動波形如圖10所示，占空比為64.53%，輸出電流為2.01 A，輸出電壓10.3 V，其波形如圖11所示，充電器能夠進行恒流充電。當輸出電壓大于14 V時，恒壓控制輸出14 V，MOSFET開關管驅動波形如圖12所示，占空比為83.69%，輸出電壓波形如圖13所示，輸出電壓13.9 V；且當充電電流小于0.2 A時，系統能夠穩定在恒定的13.5 V實現恒壓浮充模式。實驗結果表明所設計的充電控制器能夠在恒壓充電、恒流充電和浮充三種充電方式下穩定充電，驗證了設計的正確性和有效性。

圖11　恒流輸仕申壓波形

圖12　恒壓驅動波形圖

圖13　恒壓輸仕申壓波形

4　結束語

論文針對太陽能電池組對蓄電池充電時充電曲線的非線性的現實，為了實現對蓄電池的快速穩定充電設計了此系統。通過檢測蓄電池兩端的電壓、電流來判斷采取何種充電方式，進而實現快速穩定充電，同時在充電過程中保護了蓄電池，延長了蓄電池的壽命。實驗結果表明，論文所涉及的充電控制器系統成功的實現了在動態條件下對蓄電池進行恒壓充電、恒流充電和浮充，能夠穩定工作。且整個設計結構簡單緊湊，同時考慮到實際生產時，器件選擇的實用性和可靠性，減少了開支，提高了性價比。

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Design of STM32-based Digital PI Control Charger

Lei Xiaoling,Geng Yuntao,Gao Shiran,Li Min
（Shaoyang University，Shaoyang 422000，Hunan，China）

Abstract:The paper mainly describes a charger based on single chip microcomputer STM32F103ZET6,which uses digital PI control technology to carry out single closed-loop control strategies.In this method,constant voltage charging and constant current charging becomes true.This paper shows every important parts,which contains the main circuit,control circuit,drive circuit,and control method.In the end of this paper,the results show that this design can work in the normal range when this equipment works on constant voltage charging and constant current charging,So the theory is effective.

Keywords:single chip microcomputer STM32F103ZET6;charge controller;digital PI control technology;closed-loop control strategies;constant voltage/ constant current charging

作者簡介：雷小玲（1976-），女，本科，研究方向：計算機控制、圖書信息檢索。

收稿日期：2015-09-09

中圖分類號：TM914

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）01-0009-04