基于STM32的数字PI充电控制器设计

雷小玲,耿运涛,高士然,李　敏（邵阳学院，湖南邵阳 422000）



基于STM32的数字PI充电控制器设计

雷小玲,耿运涛,高士然,李敏
（邵阳学院，湖南邵阳 422000）

摘要:针对太阳能光伏系统对蓄电池的稳定充电问题，本文设计了以STM32F103ZET6单片机为主控核心的充电控制器，采用数字PI控制技术进行电压闭环控制和电流闭环控制，使充电装置实现恒压充电、恒流充电和浮充。论文给出了详细的设计过程，包括主电路设计、电压/电流采集电路设计、驱动电路设计以及控制系统的设计。实验结果表明所设计的充电控制器能够在恒压充电、恒流充电和浮充三种充电方式下稳定充电，验证了设计的正确性和有效性。

关键词：STM32F103ZET6单片机充电控制器数字PI控制闭环控制恒压/恒流充电

0　引言

在日常生活中，人们通常会选用蓄电池作为储能装置，由于全密封免维护铅酸蓄电池具有价格低廉，供电可靠，电压稳定等特点，同时具有密封好，无泄漏，无污染等优点，因此在太阳能光伏系统中得到了广泛应用。太阳能光伏系统在对铅酸蓄电池充电的过程中，对系统稳定工作、蓄电池进行快速充电、延长蓄电池的寿命等的要求变得日益重要。论文通过对充电器主电路、电压/电流采集电路、驱动电路以及控制系统的设计，实现了对蓄电池的快速充电，且同时具备过压、欠压和过流保护，能够最大限度的保护蓄电池，以延长蓄电池寿命。

1　总体方案设计

恒压/恒流充电控制器系统框图如图1所示，图中L、C组成滤波电路，Io为充电电流，Uo为充电电压。整个装置主要由主电路、控制电路、驱动电路和蓄电池组等组成。太阳能电池组产生的直流电压经过DC/DC主电路降压后，通过相应的充电方式给蓄电池组充电。控制系统为基于STM32F103ZET6单片机的数字控制系统，主要的功能模块有电压/电流检测模块、控制模块和触发脉冲形成模块，主要的功能是根据采集到的蓄电池两端的电压和电流，采取相应的控制方式对蓄电池进行充电。

图1　恒压 /恒流充申控制器系统框图

1.1 主电路设计

由于太阳能电池组输出的直流电压为24 V，而蓄电池的充电电压为低于24V，因此主电路采用降压型斩波电路，电路原理图如图2所示。根据系统的输出容量，对开关器件进行选型，并对电感、电容参数进行计算。将光伏单元输出的电流、电压转换成充电所需的电流、电压。因N型MOSFET导通时电阻阻值很小，导通功率损耗较低，所以为了提高效率，采用N型MOSFET作为开关管。通过两个开关管串接，以防止太阳能电池供电不足时出现蓄电池能量倒流的现象，并且采用开关管代替二极管，给其以互补信号。

对电感的参数计算:

图2　主申路

1.2 驱动电路设计

太阳能电池组输出电压会在24～36 V之间变化，但驱动信号电压等级较低，而主电路电压等级较高，因此两者之间需要采取隔离措施。高速光耦隔离低端驱动具有工作频率高，稳定性好的优点，基于此论文采用HCPL-3120对 MOS管进行光耦隔离，电路图如图3所示。

图3　光耦隔离申路

1.3 电压/电流采集电路设计

电流检测电路如图4所示，采用OP07将采样电阻采集的电压信号进行信号放大处理，输出通过稳压二极管限幅，并通过RC滤波电路减少干扰信号，输出的信号供单片机进行ADC转换。

电压检测电路采用电阻分压，通过限幅滤波，供单片机进行ADC转换。

图4　申流检测申路

1.4 辅助电源设计

辅助电源采用高效率的开关降压芯片LM2576，将太阳能电池组输出电压降到15 V给驱动电路供电；将电池电压降到10 V，通过稳压芯片稳压到5 V和3.3 V给控制器供电。通过ICL7660S芯片产生负电压-5 V给检测电路供电，保证系统稳定运行，其电路如图5所示。

2　控制系统设计

2.1 STM32系统框图

STM32具有性能高、精度高、外设集成度高、数据处理和运算快等优点。系统需要5V 和3.3V两路电源供电。5V电源由辅助电源得到，3.3V电源通过5V电源转换得到。采样电路将蓄电池的实时充电电压、充电电流信号反馈给STM32。STM32通过对采样数据和给定数据进行比较，经过PI调节后给驱动模块产生PWM信号。采用LCD12864作为液晶显示模块，通过并口通讯与STM32进行数据传输，用以对充电电压、充电电流的实时显示。按键模块能够进行启动或停止充电操作，并对相应的控制参数（如电压、电流）进行设置。

图5　辅助申源申路

图6　STM32系统框图

2.2 数字PI控制技术

控制系统采用数字PI控制技术进行电压闭环控制和电流闭环控制，实现充电装置恒压充电和恒流充电两种充电方式。

当充电装置处于恒压充电时，控制系统采用数字PI控制技术进行电压闭环控制，如图7所示，充电电压反馈值与其给定值U*o做比较，产生的差值经数字PI调节后产生PWM驱动信号控制主电路进行充电，实现恒压充电。

图7　恒压充申闭环控制原理图

当充电装置处于恒流充电时，控制系统采用数字PI控制技术进行电流闭环控制，如图8所示，充电电流反馈值与其给定值I*o做比较，产生的差值经数字PI调节后产生PWM驱动信号控制主电路进行充电，实现恒流充电。

图8　恒流充申闭环控制原理图

图9　充申控制主程序框图

2.3 软件设计

根据充电曲线，充电控制的方式采用三阶段充电，其程序框图如图9所示，三阶段充电包括恒流充电模式、恒压充电模式和浮充模式。恒流充电模式：当蓄电池的端电压低于14.4 V时，采用恒流充电，充电电流设置为10 A，不断检测电池端电压，当电压达到14 V，恒流充电模式终止，切换到恒压充电模式。恒压充电模式：充电电压值为14 V，随着对电池的不断充电，充电电流逐渐减小，当充电电流下降到0.2 A时，恒压充电模式终止，进入到浮充模式。浮充模式：以恒定的电压13.5 V对蓄电池进行充电，补充电池自放电消耗的电能，保证电池电量恒定，完成充电过程。

3　实验结果及其分析

当输入电压为24 V时，恒流控制输出2 A，MOSFET开关管驱动波形如图10所示，占空比为64.53%，输出电流为2.01 A，输出电压10.3 V，其波形如图11所示，充电器能够进行恒流充电。当输出电压大于14 V时，恒压控制输出14 V，MOSFET开关管驱动波形如图12所示，占空比为83.69%，输出电压波形如图13所示，输出电压13.9 V；且当充电电流小于0.2 A时，系统能够稳定在恒定的13.5 V实现恒压浮充模式。实验结果表明所设计的充电控制器能够在恒压充电、恒流充电和浮充三种充电方式下稳定充电，验证了设计的正确性和有效性。

图11　恒流输仕申压波形

图12　恒压驱动波形图

图13　恒压输仕申压波形

4　结束语

论文针对太阳能电池组对蓄电池充电时充电曲线的非线性的现实，为了实现对蓄电池的快速稳定充电设计了此系统。通过检测蓄电池两端的电压、电流来判断采取何种充电方式，进而实现快速稳定充电，同时在充电过程中保护了蓄电池，延长了蓄电池的寿命。实验结果表明，论文所涉及的充电控制器系统成功的实现了在动态条件下对蓄电池进行恒压充电、恒流充电和浮充，能够稳定工作。且整个设计结构简单紧凑，同时考虑到实际生产时，器件选择的实用性和可靠性，减少了开支，提高了性价比。

参考文献：

[1] 张洋，刘军，严汉宇． 原子教你玩STM32（库函数版）． 北京航空航天大学出版社，2013.

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[4] 康华光，陈大钦．电子技术基础模拟部分［M]． 北京:高等教育出版社，1999．

[5] Sanjaya Maniktala．王志强等译.精通开关电源设计． 北京:人民邮电出版社，2008:29-41.

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

作者简介：雷小玲（1976-），女，本科，研究方向：计算机控制、图书信息检索。

收稿日期：2015-09-09

中图分类号：TM914

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）01-0009-04