0引言

本文針對礦用永磁操動機構饋電開關智能控制器采用的鉛酸蓄電池在充電過程中存在充電過度、充電不足、電池過熱和充電速度慢等諸多問題，提出了一種以atmega16單片機為核心的智能充電器設計方法。采用了基于sugeno推理的模糊pID控制算法，提高了充電器的充電速度，減少了電池損耗，實現了對鉛酸蓄電池充電過程的智能化控制。

目前礦用永磁操動機構饋電開關智能控制器采用鉛酸蓄電池作為備用電源。傳統的鉛酸蓄電池充電方法有恒流限壓充電和恒壓限流充電，但充電效果都不是很理想，一方面這些方法充電時間過長，溫升過快。另一方面，充電過程中存在過充和欠充現象。專家研究表明：鉛酸蓄電池充電過程對其壽命影響最大，過充電、充電不足以及溫升都是引起電池故障的重要原因。

基于以上原因，系統根據蓄電池的充電特性，采用基于sugeno推理的模糊pID控制算法，設計了以atmega16單片機為核心的智能充電器，它能夠實時采集電池充電過程中的電流、電壓、溫度等模擬量，使充電始終在最佳狀態下進行，實現了高效、快速、無損的充電過程。

1系統總體結構設計

系統選取ATMEL公司生產的atmega16單片機作為核心控制芯片。總體結構包括：電源模塊、充電主電路模塊、模擬量檢測模塊、顯示及報警模塊和IGBT驅動模塊。系統總體結構如圖1所示。

圖1系統總體結構圖

在充電過程中，單片機實時采集電池充電過程中的電流、電壓和溫度等模擬量，通過其內部的A/D轉換器將上述模擬量轉化為數字量，并判斷電池是否出現過壓、過流和過溫等故障。若出現故障，單片機立即關斷IGBT,并發出聲光報警。若檢測正常，則采用基于sugeno推理的模糊pID控制算法出現相應占空比的pWM脈沖來控制IGBT開關，通過BUCK電路對電池進行充電。

2系統硬件電路設計

2.1充電主電路設計

充電主電路其實是一個BUCK變換器，BUCK電路屬于降壓斬波電路。充電主電路如圖3所示。IGBT、二極管、電感L1和電容C10構成BUCK電路，220V市電經變壓器降壓，通過整流橋整流和EMI平滑濾波后，作為直流充電電源。在工作過程中，pWM控制信號的高電平脈沖出現，使IGBT導通，電感L1的電流不斷增大，并對電容C10儲能，同時對電池充電。此時，續流二極管因反向偏置而截止。pWM信號出現低電平時，IGBT截止，電感L1維持原電流方向，與續流二極管構成充電回路，利用L1和C10中存儲的電能向電池充電。

圖2充電器實物圖

圖3充電主電路

2.2模擬量檢測模塊

2.2.1電壓檢測電路設計

電壓檢測電路采用線性光耦HCNR201將噪聲信號與單片機系統隔離開來，電壓檢測電路如圖4所示。

圖4電壓檢測電路

在正常充電的過程中，電池端電壓Ubat的變化范圍是9V-15V,而單片機檢測電壓的范圍是0-5V,所以通過R27和Rw4對電池兩端的電壓進行分壓，通過調節Rw4的阻值來限定運算放大器1的輸入電壓，使其始終保持在0-5V.電阻R24來控制初級運放輸入偏置電流的大小，C20起反饋用途，同時濾除了電路中的毛刺信號，防止HCNR201的發光二極管LED受到意外的沖擊。R23可以控制LED的發光強度，從而對控制通道增益起一定用途。運算放大器2和電阻R14將線性光耦HCNR201的輸出電流信號轉化成輸出電壓信號送入單片機。

2.2.2電流檢測電路設計

充電電流是通過檢測充電回路電阻兩端的電壓，并通過計算其與充電回路電阻的比值得到的。因此電流檢測電路與電壓檢測電路基本相同，差別在于電流充電回路電阻兩端電壓已經在0-5V范圍內，不要電阻分壓。

2.2.3溫度檢測電路設計

溫度檢測電路如圖5所示。選用數字溫度傳感器DS18B20檢測電池溫度，緊貼電池安裝，當電池溫度變化時，DS18B20輸出引腳輸出相應的信號，單片機將該信號轉化為溫度顯示在液晶屏上。當溫度超過設定值時，發出報警信號。

圖5溫度檢測電路

2.3顯示及報警模塊

顯示模塊重要是采用北京銘正同創科技有限公司生產的12864LCD液晶顯示器。該液晶顯示器顯示的內容包括：電池充電電流、電壓、溫度和充電狀態等信息。

報警模塊的重要功能是當電池在充電過程中發生過壓、過流和過溫等情況時立即報警，并在12864液晶屏上顯示故障原因，同時關斷IGBT開關管。

2.4IGBT驅動模塊

IGBT的驅動電路如圖6所示。為了提高系統的抗干擾能力，采用光耦TLp250作為IGBT的核心驅動芯片。TLp250光耦既保證了功率驅動電路與pWM脈寬調制電路的可靠隔離，又具備了直接驅動IGBT的能力，使驅動電路簡單。

圖6IGBT驅動電路

3模糊控制設計

采用基于sugeno推理的模糊pID控制算法實現模糊控制器設計，輸入量為理想電流與實際電流之差I和I的變化率I/t,模糊控制器輸出為以比例、積分、微分控制的充電電流值，該控制算法簡化了控制器的結構、提高了抗干擾性和魯棒性[4-6].模糊控制器的總體結構圖如圖7所示。