智能船用充电机的软硬件设计

马昭胜 方千山

（华侨大学机电学院，福建 362021）

1 引言

蓄电池在船舶上的主要用途是：（1）作为应急电源或备用电源，一般商船都把蓄电池作为船舶小应急电源，在船舶主电网失电而应急发电机组尚未正常供电的时间内，蓄电池组则供电给小应急负载；（2）作为低压设备的电源（如供电给无线电收发报机、自动电话交换机和各种警报器）；（3）作应急发电机组和救生艇上柴油机的起动电源，用作罗经的直流电源等；（4）船舶小应急照明，操纵仪器和无线电设备的电源均采用蓄电池，船舶设置充放电板对蓄电池进行充电、放电，实现向应急用电设备正常供电[1]。

当前交流船舶常用充放电板的电路原理主要有两种类型；一种接线见图1，采用二极管整流装置把交流电变为直流电。图中QS为整流电源开关，SA1、SA2为整流后的总电源开关，电源回路中设置有熔断器、电压表和电流表。在每一个充电回路应设有防止逆流的逆电流继电器或二极管。由图1可见，当主应急电网都失电时，接触器ZC1线圈失电，常闭触头闭合，直接向小应急用电设备供电，其余用电设备分别利用开关送电。

另一种接线见图2，采用单结晶体管整流装置把交流电变为直流电。该电瓶充电机电路使用元件较少，线路简单，具有过充电保护、短路保护和电瓶短接保护。工作原理：R2、RP、 C 、T1、R3、 R4组成的单结晶体管触发电路。当待充电电瓶接入电路后，触发电路获得所需电源电压开始工作。当电瓶电压充到一定数值时，使得单结晶体管的峰点电压UP大于稳压管DZ的稳定电压，单结晶体管不能导通，触发电路不再产生触发脉冲，充电机停止充电。触发电路和可控整流电路的同步是由二极管D和电阻R1来完成的。交流电压过零变负后，电容通过D和R1迅速放电。交流电压过零变正后D截止，电瓶电压通过R2、RP向C充电。改变RP之值，可设定电瓶的初始充电电流。

图1 整流器充电的充放电盘原理图

图2 电瓶充电机电路

这两种充电方式虽然简单，但是都存在充电效率低、充电时间长、对蓄电池损害大等缺点，我们利用智能控制技术、嵌入式系统应用技术和现代电力电子等领域中的最新成果，形成高效、快速、无损的蓄电池优化充电思想和技术方案。依据最佳充电电流曲线给定，采取瞬间放电减少极化，提出了以蓄电池极化电压和蓄电池的荷电状态决定充电电流的智能充电思路；采用一个二单元的智能功率模块IPM作主回路开关器件，实现新型Buck/Boost拓扑，完成向蓄电池充电和蓄电池去极化放电功能；设计了基于Sam-sung公司S3C44BOX为核心的船用充电机控制电路，实现高速的数据采集、复杂的控制算法和PWM输出控制等功能，从而完成高效、快速、无损的充电过程[2]。

2 智能充电机主电路

智能船用充电机的主电路采用Buck／Boost双向功率传输电路，是一种AC-DC-DC的变换电路。其AC-DC部分的作用是通过将三相交流电源U、V、W进行降压、隔离和整流后得到不可控制的直流电压U1；DC-DC部分采用的电路是一个方向为Buck电路，另一方向为Boost电路；即对蓄电池充电时为Buck电路，放电时为Boost电路，如图3所示。

图3 Buck/BoostDC-DC可逆电路

当蓄电池进行充电时，控制器件Q2关断，直流电压经过全控开关器件Q1、续流二极管D2和电感L(同时兼作滤波)组成的Buck电路，并且通过控制Q1通断来控制输出电压U2的大小，以控制蓄电池的充电电流和充电电压。

当蓄电池放电时，Q1关断，通过控制由Q2、L和D1所组成的Boost电路，将蓄电池的化学能通过Boost电路通过电容C1放电；当放电结束，转入充电时，由于电容C1储存有蓄电池放电时的能量，电容两端电压很高，因此，电容C1通过Q1、D2和L组成的Buck电路将所储存的能量释放给蓄电池；当电容C1电压低于下限值后，由电网通过充电装置向蓄电池组进行充电。

3 智能充电机控制电路

控制电路主要由三星公司生产的基于ARM7TDMI的嵌入式微控制器以S3C44BOX作为核心器件，再加上相应的接口电路组成，控制电路如图4所示。

图4 控制电路结构图

3.1 S3C44BOX

S3C44BOX微处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。为了降低系统的总成本和减少外围器件，该款芯片中还集成了以下部件：①实时时钟；②1个IIS总线控制器；③1个多主I2C总线控制器；④2通道UART；⑤4个DMA通道；⑥5通道PWM定时器；⑦外部存储器和控制器；⑧8通道10位ADC⑨8KB Cache及8个外部中断源一个内部定时器；⑨71个通用I／O接口；⑩LCD控制器等。该芯片还具备ARM的高速结构和精简系统，可以完成各种复杂的控制任务[3]。

3.2 外扩存储器

（1）FLASH功能

扩展了AMD公司生产的FLASH芯片的AM29V160，其容量为2 MB，速度为90 ns。将其连接到S3C44B0X八个存储体中的Bank0上，并作为系统的自举ROM存储体，将其地址设定为0x00000000～0x001fffff。因为AM29V160为16×1Mbit，所以，通过OM[1：0]=01配置Bank0的总线宽度为16位。

（2）SDRAM功能

本系统实现智能充电算法时采用了模糊神经网络在线控制的程序设计和模糊控制器的隶属度求解以及模糊推理，并且采用了触摸屏实现人机交互，因此移植了嵌入式操作系统UC／OS-Ⅱ，所以系统对内存要求较高，为使系统扩展为韩国现代公司生产的SDRAM芯片HY57V641620，其为16×4 Mbit，容量为8 MB。而S3C44BOX 的Bank0／Bank7 能支持SDRAM，因此，就将SDRAM HY57V641620接在Bank6上。并设定其地址为0x0c000000～0x0c7fffff。

3.3 LCD与触摸屏电路

该电路能够实现充电参数的设置以及蓄电池的电压、电流、时间、温度、荷电状态以及故障和充电结束等状态，还能够充电电压和充电电流的曲线的进行显示。S3C44BOX自带LCD控制器模块，不需要加外围LCD控制器芯片。在此直接使用S3C44BOX 自带LCD控制器模块，将其控制信号经74HC245驱动后直接与一款320×240带4线触摸屏液晶显示模块RG322421 WNHDWB-T相连。通过端口G模拟串行的SIO接口与Burr-Brown公司生产的触摸屏控制芯片ADS7843进行数据传输，完成对触摸屏触摸位置坐标的读取[4]。并对电压的切换以及采集接点处电压并进行模数A／D转换。

3.4 信号检测与A／D转换电路

芯片集成了一个10位的D/A转换器，拥有一个8通道的模拟量输入、时钟发生器、自动过零比较器、l0位连续近似寄存器和输出寄存器，可提供软件选择的运行模式。利用S3C44BOX片内所带A／D转换器，与信号检测电路全隔离信号调制模块的输出端相连。由于其片内自带A／D转换器的输入电压范围为0～2.5 V，因此充电电压的检测采用输入为0～450 VDC，输出为0～2.5 V电压信号可以和微机直接接口的全隔离信号调制模块检测，加在S3C44BOX片内自带A／D的AIN0上；充电电流通过输入为300 A，输出为75 mV的分流器，进而通过输入为0～75 mV输出为0～2.5 V的全隔离信号调制模块隔离后加在S3C44BOX片内自带A／D的AIN1上。电解液温度采用耐酸的温度范围为-50～+150 ℃的热电偶Cu50检测，并经输入为-5O～+150 ℃ 、输出为0～2.5 V的全隔离信号调制模块处理后加在S3C44BOX片内自带A／D的AIN2上。由于全隔离模块的隔离电压高，采用光电耦合器隔离，使主电路和控制电路完全隔离，因此该装置的控制安全可靠。

3.5 PWM驱动和保护电路

S3C44BOX中有6个l6位定时器，其中定时器0～4共五个有PWM功能，且具有：6个基于DMA或中断操作的l6位定时器；3个8位预分频器，2个5位除法器，1个4位除法器；输出波形的可编程功率控制(PWM)；自动装载或短脉冲模式；死区发生器等功能。系统应用了其TOUT1和TOUT2实现对全控器件IPM PM200DSA120模块的监控。充电时，由S3C44BOX的TOUT1口输出频率为20 kHz，占空比可变的PWM信号，通过光电隔离后控制IPM的导通，进而控制充电电流的大小。放电时，由S3C44BOX的TOUT2口上产生周期为lk占空比为0.5的PWM信号，通过光电隔离后加在IPM的控制端，实现对蓄电池的放电。当IPM发生过流、短路、欠压和过温故障时，IPM自身能够快速关断，但关断不死，以实现保护功能。同时，在FNO端输出脉宽大于1 ms的低电平(正常时该端为高电平)。如果将IPM的上、下臂故障信号FPO和FNO相与后通过光电隔离加在S3C44BOX的外部中断端EINT2和EINT3上。一旦发生故障，FPO或FNO端输出低电平，产生外中断。在外中断服务程序中封锁TOUT1和TOUT2口的输出，加在IPM输入端CPI和CNI上的脉冲，进而更加可靠地保护了IPM模块[5]。如图5所示。

此外，该系统留有以太网接口、RS232串行扩展接口，以实现联网及通讯，最终实现全船集散化的功能。

图5 驱动电路和保护电路

4 软件设计

根据船舶蓄电池系统的功能，移植了实时嵌入式操作系统uC／OS-II，uC／OS-II该系统的软件部分主要包括三层结构，如图6所示。

在设备驱动的程序部分，主要是针对本系统所用到的外围硬件设备，定制了4个驱动程序，分别为：模数A／D转换数据采集驱动(ad-data.c)、触摸屏驱动(tou-ch.C)、液晶显示器驱动(lcd.C)及PWM定时器控制输出驱动(pwm.C)。此外，该系统还包括8个功能模块，分别为：数据采集模块、数据存储模块、触摸屏模块、LCD显示模块、模糊控制器模块、PWM控制输出模块、模糊神经网络在线控制的程序设计模块和其它应用模块[6]。

图6 系统软件结构图

5 结束语

基于嵌入式的船用嵌入式蓄电池系统的开发，为船舶轮机人员提供了快速充电的技术手段，保障了船舶应急电源设备的正常使用。

本系统通过对某轮的12只D-180船用铅酸蓄电池串联充电实验，历时1.25 h，充入电量为178.5 Ah。其后继续充电，安时数增加微乎其微，充电效率为89%。整个充电期间，温升为20.1 ℃～21.9℃，因而可实现高效、快速充电。实践证明，该系统稳定可靠，操作简单，符合设备检修的智能化、网络化发展方向，在航运系统内部具有一定的推广价值。

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[1]郑华耀. 船舶电气设备及系统[M]. 大连:大连海事大学出版社,2005(7): 240-249.

[2]刘洋, 赵金. 磁场定向控制中SVPWM过调制策略的改进与实现[J]. 电气传动, 2008( 3).

[3]张超华, 汤雨, 谢少军. 基于Buck-Boost的AC/AC变换器设计[J]. 电工技术学报, 2007(8).

[4]向礼丹, 朱建林, 柳莎莎. 一种基于Boost电路的新型矩阵变换器的研究[J]. 湘潭大学自然科学学报,2008(1).

[5]刘文战, 郭文成, 李坤. 可视化智能充电机的研究[J]. 山东农业大学学报(自然科学版), 2008(1).

[6]毛太平, 冯大彬, 李黔蜀. 基于ARM处理器的微机线路保护装置的研究[J]. 自动化技术与应用,2007(11).