畢業設計-基于arm的風力發電機智能充電器設計-(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ℃充電電壓是 232V，常溫 25℃時是 244V。 西南交通大學碩士研究生學位論文 第 6 頁 第 2 章 充電器系統分析 充電器系統概述 風力發電機輪轂中的本充 電器是一款基于開關電源的閥控式密封鉛酸蓄電池充電器，它專用于風力發電機輪轂中的蓄電池充電，該蓄電池的作用是保障風機的安全運行。 蓄電池與 電源 模塊并聯 安裝在風機葉片的電機負載上 運行， 在正常情況下，電機負載供電由電源直接供給，在設備故障或者電力不充足的情況，就由蓄電池給電機負載供電。例如風機在斷電情況下，需要控制葉片收槳復位時，就需要由蓄電池給電機供電。該充電器輸入交流電壓為 220V177。 15%，電池溫度為 25℃時輸出直流電壓 244V177。 1%，具有與被充電池一致的電壓 /溫度特性，其電壓 /溫度變化率為 ℃，額定 充電電流 ，對于 12AH 的電池，其充電速率約為 ，平均充電效率不低于 80%。能夠根據蓄電池溫度進行充電電壓的補償控制，能夠在充電器自身溫度過高的情況下，自 動降低充電電流，保障設備 安全。 本 智能 充電器具有 可超長時間充電、 充電速度快、無人值守、 充電還原效率高、無過充電危險、蓄電池使用壽命長等特點。該充電器的最大特點就是功能強大而完善，主要功能有：輸入防浪涌，輸入過壓、欠壓保護報警，輸出過流、過壓、短路保護告警，過溫保護報警，電池和機殼溫度補償，遠程控制，控制參數可軟件遠程修改，自動風冷散熱，良好的 電磁兼容性等功能。采用脈寬調制技術，高效率，高功率因數；紋波系數低，對其它設備干擾小。 充電器電路構成包括開關電源、接口電路板和控制電路板三個部分。開關電源采用串聯升壓式整流輸出的雙端正激式開關電源，充電方式為三階段充電，開關電源恒流充電的電壓為 244V，電流 。接口電路板是完成開關電源到控制電路板的接口轉換功能，一方面接口電路把開關電源的電壓、電流等信號采集傳遞給控制板，另一方面接口電路把來自控制板的控制信號傳遞給開關電源。控制板采用意法半導體的工業級 32 位 ARM 內核控制器，完成對整個充電器的充電 過程控制、故障檢測控制、以及對外的信息通信等智能控制。 風力發電機的蓄電池供電要求是 216V，實際中常用 18 只 12V12AH 蓄電池串聯， 蓄電池每只有 6 格， 。本 充電器采用 ARM 控制 器作為控制核心 ， 控制開關電源完成三階段充電控制。 三階段充電 的 進行： 第一階段是 恒流限壓充電， 以 充電電流進行快速充電， 即以 充 電至在線電壓 244V，電流 開始下 降； 第二階段 是恒壓充電階段，即以 充電至電流降為 左右 ； 第三階段 是 涓流補足的浮充 電階段，即以 充電至充入電量為放出電量的 105％時充電結束。 然后充電器長期維持 ~ 的浮充狀態，補充蓄電池自身的自放電，使蓄電池維持滿電量狀態長期保 西南交通大學碩士研究生學位論文 第 7 頁 養維持。本充電器根據溫度補償算法，嚴格控制浮充電壓，極大地保證了鉛酸蓄電池浮充電的安全，使蓄電池工作壽命更長。 充電器 技術指標 本充電器的主要技術指標包括輸入特性如表 2輸出特性如表 2環境適應性如表 23。 表 21 輸入特性指標 表 22 輸出特性指標 項目 技術指標 備注 輸出額定電壓 DC， 244V177。 1% 25℃ 恒流充電電流 177。 2% 可軟件重配置 輸出欠壓 關斷≤ 173V， 恢復≥ 183V 可軟件重配置 輸出過壓 關斷≥ 265V， 恢復≤ 260V 可軟件重配置 紋波 ≤ 2V（帶阻性負載） 輸入電壓 220VAC 散熱器過溫 關斷≥ 90℃ ， 恢復≤ 85℃ 可軟件重配置 電池過溫 關斷≥ 45℃ ， 恢復≤ 40℃ 可軟件重配置 輸出 短路 短路 20 秒 保護 可軟件重配置 效率 ≥ 80% —— 項目 技術指標 備注 輸入額定電壓 AC， 220V —— 輸入電壓范圍 AC， 220V 15％ +20％ 輸入電壓頻率 45HZ65HZ —— 輸入欠壓 關斷≤ 179V， 恢復≥ 184V 可軟件重配置 輸入過壓 關斷≥ 268V， 恢復≤ 265V 可軟件重配置 西南交通大學碩士研究生學位論文 第 8 頁 表 23 環境適應性 指標 環境參數 單位 使用環境條件 運輸環境條件 存儲環境條件 備注 種類 參數 氣候條件 溫度 低溫 ℃ 20 25 40 滿 高溫 ℃ 60 55 85 變化 ℃ /min 85% —— 85% 氣壓 低氣壓 Kpa 64 70 70 高氣壓 Kpa 106 106 106 西南交通大學碩士研究生學位論文 第 9 頁 第 3 章 充電器控制板電路設計 充 電器 控制板 功能 充電器的 ARM 控制板監控 充電器 各種工作狀態，通過 三個 LED 數碼管發光來指示系統信息，但這個信息只能供人眼觀測使用。為了滿足風力發電機控制系統自身的自動控制需求，充電器與風機系統主控設備之間需要傳遞信息來自動握手，于是充電器采用了兩路繼電器通斷控制的開關狀態信息，通過插頭外接線傳遞給 風力發電機的 主控設備。三路 LED 和兩路繼電器信息的監控功能列表如表 31 所示。 表 31 充電器的功能信息表 監控功能 H2 H3 H4 繼電器 1 繼電器 2 輸入過壓 √ √ 輸入欠壓 √ √ 輸 出過壓 √ √ 輸出欠壓 √ √ 輸出短路 √ √ 電池盒溫度過高報警 √ √ 電池盒溫度傳感器故障 √ √ 機殼溫度高報警 √ √ 機殼溫度 √ √ 機殼溫度傳感器故障 √ √ 機盒內部環境溫度 惡劣 √ √ 機盒內部環境溫度過高報警 √ √ 機盒內部環境溫度過低報警 √ √ 機盒內部溫度傳感器故障 √ √ 空載輸出 √ √ 基準 電壓故障 √ √ EEPROM 讀寫錯誤 √ √ 西南交通大學碩士研究生學位論文 第 10 頁 充電器 控制 板 功能需求 如下： 1. 完成 對 開關電源 的 AD 采集 控制 ， 它 接收開關電源接口板傳遞過來的 四 路 AD電壓和電流 信號，輸入到 STM32 控制器 進行 AD 轉換控制 。 2. 繼電器 開關 狀態輸出 電路 ， STM32 控制器 發出信號，產生兩路繼電器通斷的狀態信息，輸出到風力發電機的主控設備。 3. 溫度采集控制電路，進行 蓄電池溫度 、外殼溫度、機內環境溫度 采集 ，采集后送到 STM32 控制器 進行分析，發出相應的報警和控制信號。同時根據蓄電池溫度進行充電 的 溫度 補償。 4. 外部遠程復位接口電路 ， 風力發電機主控板發出信號遠程控制充電器復位。 5. 串口通信，充電器與上位計算 機進行串口通信。 6. LED 發光指示， 提 供 給工作人員 觀測充電器的工作狀態信息 ， 包括 工作指示及報警信息 。 控制器 充電器的 控制 器 芯片采用意法半導體的 ARM Cortex M3 芯片 STM32F103RB，芯片如圖 31 所示 。 英國 的 ARM 公司 成立于 1991 年， 它 是一家出售 IP 技術知識產權的公司 ， ARM（ Advanced RISC Machine） 作為一種嵌入式系統處理器 ， 是采用 RISC 架構 ， 它 以高性能、低功耗、低成 本等優點占領了大部分市場。 ARM 的舊型號為 ARM 11系列，而今后主推的新型號為 ARM Cortex A、 R、 M 三個系列。 STM32 系列 具有三種低功耗模式 ，以及 靈活的時鐘控制，用戶可根據自己所需的耗電性能要求 ， 進行合理優化。 STM32 內嵌了實時時鐘 (RTC)，它既可由 32 kHz 外部晶體 ， 也可由內部 RC 電路提供頻率基準。 RTC 有單獨的供電電路，內置的開關使其可由外接 紐扣 電池供電，或主電源供電。 圖 31 STM32F103RB 芯片 西南交通大學碩士研究生學位論文 第 11 頁 控制板電路 控制板電路完成整個充電器的控制管理，各功能電路包括：控制器電路，八路 AD采集及接口， PWM 輸出電路，繼電器信息輸出電路， 485 串行通信接口， EEPROM 電路， LED 顯示電路，電源監測管理電路，開關電源啟動控制電路。 充電器的八路 AD 采集包括：交流輸入電壓、充電器輸出充電電壓，蓄電池的電壓，充電器輸出充電電流，蓄電池盒溫度，充電器外殼溫度，充電器內部環境溫度。 控制 器 電路 控制 器 電路包括： STM32F103 電路 、晶體振蕩器電路、復位電路、 JTAG 仿真 和LED 顯示 電路 。控制器電路 是整個充電器的控制核心，它分析采集到的六路 AD 信號值，然后發出對系統的控制信號，同時完成與發電機主控設備 的通信控制。 一． STM32F103 電路 充電器的控制器采用 64 個管腳的 STM32F103RB，電路如圖 33 所示 。 標注“ x”的管腳是未使用的空置管腳， R56R57 是限流電阻，供電采用直流 。 開機啟動模式設置， STM32 第 2 59 腳通過 R47R58 接地， Boot0=0， Boot1=0，設置片內用戶閃存存儲器為啟動區域，開機將默認從片內用戶閃存存儲器執行程序。STM32 其它啟動模式 Boot0=1， Boot1=0 時系統存儲器為啟動區域； Boot0=1， Boot1=1時 SRAM 存儲器為啟動區域。 二． 晶體振蕩器 電路 控制器采用 8MHz的 石英晶體振蕩器 ，振蕩電路如圖 32所示， XTAL連接到 STM32控制器的第 6 腳，兩個 20P 電容起到濾波穩定振蕩波形的作用， 但 電容值過大不利于振蕩器起 振 ，一般選擇 15~30P。 石英諧振器簡稱晶振，是利用具有 壓電效應 的石英晶體片制成。 廣泛 應用于 電子設備中產生振蕩波形 。 C 1420PJZ 1 8M H ZC 1320PXTAL1XTAL2圖 32 晶體振蕩器電路 西南交通大學碩士研究生學位論文 第 12 頁 三． 復位電路 一般， 控制器常用復位方式 主要 有 ：上電復位 ， 看門狗復位 ， 人工復位 。 充電器的 STM32 控制器有內置看門狗和復位電路，為提高系統可靠性，配合了外部按鍵手動復位，和 TLC7733B 外部復位控制電路（詳見 節的 電源監測管理）。 控制器 手動 復位控制電路 如圖 34 所示 ， S1 是裝在電路板上的手動復位按鍵 。 同時還有外接插座 X18 X182 的外部遠程復位控制， 通過 遠程短接 X181 與 X182，可以實現控制器復位 （詳細電路請查閱 節充電器電路）。 該復位控制采用光耦隔離器 SFH6156 進行系統內外隔離，避免外部干擾 ，正常情況下光耦截至， Reset18_in 為高電平，短接復位時光耦導通， Reset18_in 低電平向控制器第 39 腳發出的復位信號，在控制器內采用程序由軟件指令實現復位。 SDASCLL E D 10 2L E D 10 1L E D 10 3L E D 10 0X 18 _3 .4R e s e t 18 _o utR e s e t 18 _i nX 16 1. 2X 16 4. 5ua r t _R Xua r t _T XAD3 VDCjcAD5 VDCtzAD4 IDCAD6 VacinA D 2 j kA D 1 hjAD7 boxA D 0 V r e fC_HSDC_compV16_inR e s e tJTDO JTDI JTCKJ T M SPWM0PWM1RESIN+ 3. 3V+ 3. 3V+ 3. 3VR 57 470R 56 470X T A L 1