基于ARM风力发电机智能充电器设计论文.doc

国内图书分类号：TM910 西 南 交 通 大 学研 究 生 学 位 论 文基于ARM的风力发电机智能充电器设计姓 名 申请学位级别 硕 士 专 业 通信与信息系统 指 导 老 师 教授 二零一一年六月摘 要随着新能源技术的空前发展，风力发电技术被提到了一个全新的高度。采用铅酸蓄电池存储电能，作为风力发电机安全运行的重要保障，它位于发电机轮毂中，为发电机工作提供后备电源。本智能充电器配套风力发电机控制系统中，完成对蓄电池的全自动充电。本课题基于企业实际产品需求，研究和开发了一种专用于风力发电机轮毂中的铅酸蓄电池智能充电器，为风力发电机的控制系统进行设备配套，实际完成了系统硬件电路、控制程序、测试验证的设计工作。本论文主要对充电器ARM控制板的软硬件设计技术进行阐述。本充电器采用开关电源技术，基于32位ARM内核控制器的三段式全智能充电。控制器采用意法半导体公司STM32F103RB，它完成对蓄电池和开关电源的电压、电流、温度等8路AD信号的采集，然后进行三段式充电的分析控制，其间进行充电电压和电流的温度补偿控制，进行充电器自身安全工作的监测和控制，进行充电器对外部设备的串行通信控制。充电器实现了工作过程无人值守的全智能化，它能监测电源和温度进行设备自动保护，它能进行设备故障的自我诊断，并把诊断信息发送给发电机的主控设备。控制充电器工作的主要参数都可以进行远程的在线重配置，这样极大地提高了充电器对不同厂家的风力发电机控制系统和铅酸蓄电池的兼容性，增强了充电器对各种自然环境的适应能力。本论文所涉及的ARM控制板，完成了对温度、电流、电压的监测控制及报警，完成了三段式充电及温度补偿控制，完成了与上位机的通信控制和参数在线配置。各项性能指标完全达到了产品要求。关键词： 蓄电池；充电器；风力发电机；ARM；STM32AbsractWith the unprecedented development of new energy technology，the wind power technology is brought into a brand-new situationUsing Lead-acid battery to store electric energy, it is an important security of the safe operation of the wind turbine. Locating in the generator hub, it can provide backup power supply for generator. This smart charger, combined with the control system of wind turbine, will charge the battery automatically.Based on the demand of actual enterprise product, a smart charger that specializes in Lead-acid battery of wind generator hub is developed and supports the control system of wind turbine. Some ralated work are performed, including the hardware circuit, control program, testing and validation.This thesis mainly elaborates the software and hardware design of ARM board that controls the charger.Switch power technology is applied to the charger, with running three-gradation charge intelligently based on 32-bits ARM kernel controller. A STM32F103RB, produced by STMicroelectronics, is adopted as controller, which samples the voltage, current and temperature of the battery and the switch power, and analyzes how to control three-gradation charge. Meanwhile, temperature compensation for charging voltage and current, safety monitoring, serial communication between the charger and peripheral equipment are operating. The charger is all-intelligent that detects the power and temperature and protects automatically, diagnoses the problem by itself and transforms to the acquisition equipment of the generator. These main parameter controlling the charger are reconfigurable online, thus improving greatly the compatibility with different wind turbine control system and lead-acid battery, but also enhancing the adaptation to various natural environment.This thesis presents an ARM control board and implements the monitoring, alarming, temperature compensation, PC communication and parameter configuration. The result shows that all indexes meet requirements of the product. Keyword: battery，charger，wind turbine，ARM，STM32目 录第1章 绪 论11.1 引言11.2 阀控式铅酸蓄电池基本原理21.3 阀控式铅酸蓄电池充电技术31.3.1阀控式铅酸蓄电池充电的化学反应31.3.2阀控式铅酸蓄电池的充电方法31.4 风力发电机的蓄电池及充电器5第2章 充电器系统分析62.1 充电器系统概述62.2 充电器技术指标7第3章 充电器控制板电路设计93.1 充电器控制板功能93.2 控制器103.3 控制板电路113.3.1 控制器电路123.3.2 AD采集接口电路143.3.3 PWM控制输出接口电路183.3.4 继电器信息输出接口电路203.3.5 开关电源启动控制电路213.3.6 串行通信电路及协议223.4 控制板电路板设计273.4.1 PROTEL设计技术273.4.2 控制板PCB设计273.5 充电器整机实物313.6 充电器控制板完整电路图33第4章 充电器软件设计374.1 充电器软件设计平台374.1.1 MDK开发工具374.1.2 STM32固件库374.2 软件设计384.2.1 主程序384.2.2 AD数据采集处理424.2.3 蓄电池温度补偿控制444.2.4 输出短路保护464.2.5 继电器分类处理484.2.6 报警信息分类处理494.2.7 串行通信50第5章 充电器测试及维护525.1 充电器调试525.2 充电器测试555.2.1 充电器输出测试555.2.2 充电器温度补偿测试565.2.3 故障监控功能测试565.2.4 充电器参数远程配置595.3 蓄电池维护61结论62致谢63参考文献64附录1 充电器开关电源原理框图66第1章 绪 论1.1 引言随着全球能源问题和新能源技术的空前发展，可再生能源被日渐重视，风力发电作为一种清洁的可再生能源，同时也是新能源中技术最成熟，最具备规模开发条件的发电方式之一，现在世界各地迅速发展利用。风力发电机的正常工作需要一个电能储存的设备，提供后备工作电源，它为风力发电机的安全运行提供重要保障，现在主要采用的是密闭式阀控铅酸蓄电池，这样蓄电池充电器就成了风力发电机安全运行的重要设备之一。本课题基于企业需求的实际产品，研究和开发了一种专用于风力发电机轮毂中的铅酸蓄电池智能充电器，为风力发电机的控制系统进行设备配套。本充电器具有充电速度快、充电还原效率高、无人值守的高度智能化、可超长时间充电、无过充电危险、蓄电池使用寿命长等特点。充电器功能强大而完善，主要功能有：输入防浪涌，输入过压、欠压保护报警，输出过流、过压、短路保护告警，过温保护报警，电池温度变化的充电补偿，散热器温度过高的限流补偿，远程控制，运行参数可远程在线重配置，自动风冷散热，良好的电磁兼容性。1.2 阀控式铅酸蓄电池基本原理阀控式铅酸蓄电池简称VRLA（Valve Regulated Lead Battery），它克服了开口式铅酸蓄电池的缺点，使用时不加水和酸进行维护，它无泄漏、无污染、密封好、易于维护、使用方便。电池气压升高，单向排气阀会自动打开排出气体，当自动关阀后防止空气进入蓄电池。多年来，它以其优异稳定的性能，一直在工业、民用和军工领域得到广泛的应用。阀控式铅酸蓄电池的电化学反应原理是：充电的时候，蓄电池把电能转化成化学能储存在电池内部；放电时，蓄电池将化学能转为电能防电。它充电和放电的过程是通过电化学反应完成的，其电化学的反应方程式如式1-14所示： PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O （1-1）蓄电池在正负电极发生的氧循环化学反应如图1-14所示：图1-1 蓄电池氧循环化学反应阀控式铅酸蓄电池的氧循环内部原理如图1-24所示，其原理是负极活性物质的过量设计技术，AG的电解液吸附系统，后期在正极产生的氧气通过AGM的空隙向负极不断扩散，与负极的活性物质海绵状铅发生反应，生成氧化铅，负极表面的氧化铅遇到硫酸（H2SO4）电解液发生反应生成硫酸铅（PbSO4）和H2O，硫酸铅再充电转变为海绵状Pb，而产生的H2O又回到电解液，这样其负极是处于去极化状态，析出氢的电位达不到，由此负极就不会因充电而析出氢气，失水量很少，使用时就不需要加酸和水来维护。4 图1-2 蓄电池内部氧循环原理图阀控式铅酸蓄电池在使用过程中基本上不产生氢气，并且正极产生的氧气能以电池内循环的方式被阴极吸收，称为阴极吸收机理。实际上，绝对控制H2与O2的析出是不可能的，电解液仍有少量消耗，仍有少量的氧气和氢气析出。所以免维护蓄电池实际是叫少维护，随着工艺发展，其维护就会越来越少。4阀控式铅酸蓄电池的自放电是指电池在不给负载供电或者开路期间容量降低的现象。 1.3 阀控式铅酸蓄电池充电技术1.3.1 阀控式铅酸蓄电池充电的化学反应阀控式铅酸蓄电池充放电的基本电极反应是铅（Pb）和二价铅（Pb2+）及四价铅（Pb4+ ）之间的转化。其过程如下10：充电过程：阀控式铅酸蓄电池负极上的硫酸铅被还原为金属铅的速度大于硫酸铅的形成速度，使硫酸铅转变为金属铅；同样，在蓄电池正极上的硫酸铅被氧化为二氧化铅的速度也增大，导致正极转变为二氧化铅。放电过程：阀控式铅酸蓄电池负极上失去电子被氧化，形成硫酸铅；对正极而言，是得到电子被还原，也是形成硫酸铅。化学反应的净结果，是外电路中出现了定向移动的负电荷。因为是放电后，两极的活性物质都转化为硫酸铅，所以叫“双极硫酸盐化” 。阀控式铅酸蓄电池在开路状态下，其正负极的活性物质二氧化铅和海绵状铅与电解液的反应都趋于稳定，也就是说，正负极的氧化速率和还原速率相等，这样的电极电动势为平衡电动势。如果有充放电的反应进行，正负的极活性物质二氧化铅和海绵状铅分别通过电解液与放电态物质硫酸铅来回不断转化，形成电荷。阀控式铅酸蓄电池在充放电过程中，正负极的电动势会离开了其平衡状态，发生极化，其电压会有较大的变化。极化主要是由电化学极化、欧姆极化和浓差极化这3种因素造成的，因为3种极化的存在，在使用中要严格设置各种充放电电流和充放电电压，避免使用不当对蓄电池的性能造成大的影响。1.3.2 阀控式铅酸蓄电池的充电方法一、阀控式密封铅酸蓄电池的充电特性蓄电池充电理论与实践都已经证明，充电接受电流I是充电时间t的指数函数，其函数如式1-2所示14。（1-2）式中：I蓄电池可接受的充电电流，仅产生微量气体，也叫允许充电电流；I0t=0 时的最大充电电流，它由蓄电池的使用状态决定；a充电接受率，指蓄电池允许的充入电流和应该充入的容量之比，这个数值越高，表示电池的电流接受能力越强，充电时间就越短。阀控式密封铅酸蓄电池的充电特性决定了充电器应该具备的充电电压和电流特性，同时不同厂家生产的蓄电池充电特性还是具有一定的差异。 二、阀控式铅酸蓄电池的充电方法 阀控式铅酸蓄电池的运行寿命和性能，与充电方法密切相关，好的充电方法应该是效率高而不伤电池，达到电池温升低，寿命长，充电快，充电足，失水少。在充电过程中，蓄电池的吸气和极化现象始终存在，并逐步加剧，严重影响充电质量，缩短电池寿命。按充电器的输出电能的方式不同，常用的充电方法有恒压充电，恒流充电和脉冲快速充电。 恒压充电：充电过程中的充电电压始终不变，重点是要选择恰当的充电电压。电压较低时，电流较小，充电时间短，蓄电池不能充足，长期亏电，常此下去，将加重蓄电池硫化，加速老化，缩短电池寿命。反之，电压过高，开始时电流较大，电量充满后，因为充电器和蓄电池电动势之间始终存在差值，仍有不小的充电电流，而导致过充电，电池内部的活性物质脱落，容量减小。所以，要根据不同的使用状况，不同特性，不同厂家的蓄电池，选择不同的充电电压值。恒压充的优点是充电速度快、时间短。但是电压恒定，电流不能调节，无法满足各种不同技术条件的蓄电池，不能保证蓄电池彻底充足。 恒流充电：充电过程中充电电流保持不变，这种方法充电速度快。为了提高其充电质量，一般将充电过程分为两个阶段。在第一阶段中，电流较大，当单格电压充到约2.4 V，电池电解液中开始出现气泡时，将充电电流减小一半进入第二阶段，直到蓄电池完全充足为止。 脉冲快速充电：脉冲快速充电一般是采用高电压和大电流的方式，在较短时间内给电池充足电。随着新技术发展，脉冲快速充电的方法也越来越多。 铅酸蓄电池采用的常规工作方式主要有循环充电和浮充电： 循环充电工作方式是完全放电，然后充电，再完全放电，再充电，反复循环。循环充电其初期充电电流不宜超过0.3C，充电的安培小时数要略大于放电安培小时数。也可先以0.1C的充电速率恒流充电数小时，当充电安培小时数达到放电安培小时数的90%时，再改用浮充电压充电，直至充满。循环充电多应用于小容量移动型的便携式设备蓄电池中。 浮充电工作方式是蓄电池与整流模块并联安装在负载上运行，负载供电在正常情况下由电源直接供给，在设备故障或者电力不充足的情况，才由蓄电池给负载供电。蓄电池随时都处于充电补足状态，包括蓄电池自放电引起的容量损失直接进入浮充电补足。浮充电掌握好充电电压，例如12V的蓄电池，充电电压就在13.513.8V。浮充电压过低，蓄电池会充不满，过高就会造成过量充电。电压的调整，应该以初期充电电流不超过0.3C(C为蓄电池的额定容量)为原则。浮充电方式可以极大地提高铅酸蓄电池的使用寿命。 以上为目前常用的铅酸蓄电池充电方式，但这两种方式存在着一些不足之处。在充电流程中，电池电压逐渐增高，充电电流逐渐降低。由于恒压充电不管电池电压的实际状态，充电电压总是恒定的，充电电流刚开始比较大，然后按指数规律下降;采用高速充电可能使蓄电池过量充电，易导致电池损坏。对于循环充电而言，采用较小电流充电，充电效果较好。但对于大容量的蓄电池，充电时间就会拖得很长，时效低，造成诸多不便。 三、风力发电机智能充电器采用的充电方式 本风力发电机智能充电器采用的充电方式是对上述充电方式的分析和综合，采用了三阶段的全智能控制充电模式，充电流程分为恒流快充、恒压慢充及涓流补足充电三个阶段，充电的工作方式采用浮充电方式。充电器的输出电压也具有和蓄电池相同的电压温度系数，充电电压随蓄电池温度变化进行补偿，由控制器采集蓄电池温度，然后按4mV/的调整系数对充电电压进行调整。这样完美地匹配风力发电机的控制系统，充电效果更佳，同时可以很好的延长蓄电池寿命，为风力发电机工作提供可靠的备用电源。1.4 风力发电机蓄电池及充电器 目前，风力发电机系统中尚无完全理想的专用深放电、长寿命蓄电池，广泛应用的是阀控封闭式免维护铅酸蓄电池。 风力发电系统中蓄电池的充电控制有其特殊性，在这样的系统中蓄电池基本上是以浮充方式运行的，由于风能不稳定，在实际操作中，蓄电池并不是工作在典型的充放电循环状态，而是在一种带循环成分的浮充方式。风力发电机在正常工作情况下，充电器处于对蓄电池的浮充电阶段，补足蓄电池自放电的能量损耗，既保证了蓄电池能量的充足，又很好的延长了蓄电池寿命。 根据浮充电压选择原则与各种因素对浮充电压的影响。国外一般选择稍高的浮充电压。范围可达2.252.33V，国内稍低2.232.27V。不同厂家对浮充电压的具体规定不一样。一般厂家选择浮充电压为2.25V/单体（环境温度为25情况下），根据环境温度的变化，对浮充电压应作相应调整。整个电池组的浮充电压等于蓄电池只数乘以单体蓄电池浮充电压值，同时要根据电池的负温度补偿系数4mV/单体/进行调整，也就是25温度的基础上每升高1，单体电池的充电电压降低4mV，由此得到整个电池组温度补偿后的实际充电电压值。反之，温度在25的基础上每降低1，则升高充电电压，单体电池的充电电压升高4mV，由此得到整个电池组温度补偿后的实际充电电压值。 本充电器实现了从-2560的蓄电池温度补偿，其对应充电电压在232263V，注意这里-25充电电压是263V，60充电电压是232V，常温25时是244V。第2章 充电器系统分析2.1 充电器系统概述风力发电机轮毂中的本充电器是一款基于开关电源的阀控式密封铅酸蓄电池充电器，它专用于风力发电机轮毂中的蓄电池充电，该蓄电池的作用是保障风机的安全运行。蓄电池与电源模块并联安装在风机叶片的电机负载上运行，在正常情况下，电机负载供电由电源直接供给，在设备故障或者电力不充足的情况，就由蓄电池给电机负载供电。例如风机在断电情况下，需要控制叶片收桨复位时，就需要由蓄电池给电机供电。该充电器输入交流电压为220V15%，电池温度为25时输出直流电压244V1%，具有与被充电池一致的电压/温度特性，其电压/温度变化率为-0.4V/，额定充电电流1.6A，对于12AH的电池，其充电速率约为0.2C，平均充电效率不低于80%。能够根据蓄电池温度进行充电电压的补偿控制，能够在充电器自身温度过高的情况下，自动降低充电电流，保障设备安全。 本智能充电器具有可超长时间充电、充电速度快、无人值守、充电还原效率高、无过充电危险、蓄电池使用寿命长等特点。该充电器的最大特点就是功能强大而完善，主要功能有：输入防浪涌，输入过压、欠压保护报警，输出过流、过压、短路保护告警，过温保护报警，电池和机壳温度补偿，远程控制，控制参数可软件远程修改，自动风冷散热，良好的电磁兼容性等功能。采用脉宽调制技术，高效率，高功率因数；纹波系数低，对其它设备干扰小。 充电器电路构成包括开关电源、接口电路板和控制电路板三个部分。开关电源采用串联升压式整流输出的双端正激式开关电源，充电方式为三阶段充电，开关电源恒流充电的电压为244V，电流1.6A。接口电路板是完成开关电源到控制电路板的接口转换功能，一方面接口电路把开关电源的电压、电流等信号采集传递给控制板，另一方面接口电路把来自控制板的控制信号传递给开关电源。控制板采用意法半导体的工业级32位ARM内核控制器，完成对整个充电器的充电过程控制、故障检测控制、以及对外的信息通信等智能控制。 风力发电机的蓄电池供电要求是216V，实际中常用18只12V12AH蓄电池串联， 蓄电池每只有6格，2.24V/单格。本充电器采用ARM控制器作为控制核心，控制开关电源完成三阶段充电控制。三阶段充电的进行：第一阶段是恒流限压充电，以1.6A充电电流进行快速充电，即以0.5C充电至在线电压244V，电流开始下降；第二阶段是恒压充电阶段，即以0.2C充电至电流降为0.1A左右；第三阶段是涓流补足的浮充电阶段，即以0.01C充电至充入电量为放出电量的105时充电结束。然后充电器长期维持0.050.1A的浮充状态，补充蓄电池自身的自放电，使蓄电池维持满电量状态长期保养维持。本充电器根据温度补偿算法，严格控制浮充电压，极大地保证了铅酸蓄电池浮充电的安全，使蓄电池工作寿命更长。2.2 充电器技术指标本充电器的主要技术指标包括输入特性如表2-1、输出特性如表2-2、环境适应性如表2-3。 表2-1 输入特性指标项目技术指标备注输入额定电压AC，220V输入电压范围AC，220V-15+20输入电压频率45HZ-65HZ输入欠压关断179V，恢复184V可软件重配置输入过压关断268V，恢复265V可软件重配置表2-2 输出特性指标项目技术指标备注输出额定电压DC，244V1%25恒流充电电流1.6A2%可软件重配置输出欠压关断173V，恢复183V可软件重配置输出过压关断265V，恢复260V可软件重配置纹波2V（带阻性负载）输入电压220VAC散热器过温关断90，恢复85可软件重配置电池过温关断45，恢复40可软件重配置输出短路短路20秒保护可软件重配置效率80%表2-3 环境适应性指标环境参数单位使用环境条件运输环境条件存储环境条件备注种类参数气候条件温度低温- 20- 25- 40满高温605585变化/min85% 85%气压低气压Kpa647070高气压Kpa106106106第3章 充电器控制板电路设计3.1 充电器控制板功能充电器的ARM控制板监控充电器各种工作状态，通过三个LED数码管发光来指示系统信息，但这个信息只能供人眼观测使用。为了满足风力发电机控制系统自身的自动控制需求，充电器与风机系统主控设备之间需要传递信息来自动握手，于是充电器采用了两路继电器通断控制的开关状态信息，通过插头外接线传递给风力发电机的主控设备。三路LED和两路继电器信息的监控功能列表如表3-1所示。表3-1 充电器的功能信息表监控功能H2H3H4继电器1继电器2输入过压输入欠压输出过压输出欠压输出短路电池盒温度过高报警电池盒温度传感器故障机壳温度高报警机壳温度机壳温度传感器故障机盒内部环境温度恶劣机盒内部环境温度过高报警机盒内部环境温度过低报警机盒内部温度传感器故障空载输出基准电压故障EEPROM 读写错误充电器控制板功能需求如下：1. 完成对开关电源的AD采集控制，它接收开关电源接口板传递过来的四路AD电压和电流信号，输入到STM32控制器进行AD转换控制。2. 继电器开关状态输出电路，STM32控制器发出信号，产生两路继电器通断的状态信息，输出到风力发电机的主控设备。3. 温度采集控制电路，进行蓄电池温度、外壳温度、机内环境温度采集，采集后送到STM32控制器进行分析，发出相应的报警和控制信号。同时根据蓄电池温度进行充电的温度补偿。4. 外部远程复位接口电路，风力发电机主控板发出信号远程控制充电器复位。5. 串口通信，充电器与上位计算机进行串口通信。6. LED发光指示，提供给工作人员观测充电器的工作状态信息，包括工作指示及报警信息。3.2 控制器图3-1 STM32F103RB芯片充电器的控制器芯片采用意法半导体的ARM Cortex M3芯片STM32F103RB，芯片如图3-1所示。英国的ARM公司成立于1991年，它是一家出售IP技术知识产权的公司，ARM（Advanced RISC Machine）作为一种嵌入式系统处理器，是采用RISC架构，它以高性能、低功耗、低成本等优点占领了大部分市场。ARM的旧型号为ARM7、9、10、11系列，而今后主推的新型号为ARM Cortex A、R、M三个系列。STM32系列具有三种低功耗模式，以及灵活的时钟控制，用户可根据自己所需的耗电性能要求，进行合理优化。STM32内嵌了实时时钟(RTC)，它既可由32 kHz外部晶体，也可由内部RC电路提供频率基准。RTC有单独的供电电路，内置的开关使其可由外接纽扣电池供电，或主电源供电。3.3 控制板电路控制板电路完成整个充电器的控制管理，各功能电路包括：控制器电路，八路AD采集及接口，PWM输出电路，继电器信息输出电路，485串行通信接口，EEPROM电路，LED显示电路，电源监测管理电路，开关电源启动控制电路。充电器的八路AD采集包括：交流输入电压、充电器输出充电电压，蓄电池的电压，充电器输出充电电流，蓄电池盒温度，充电器外壳温度，充电器内部环境温度。3.3.1 控制器电路控制器电路包括：STM32F103电路、晶体振荡器电路、复位电路、JTAG仿真和LED显示电路。控制器电路是整个充电器的控制核心，它分析采集到的六路AD信号值，然后发出对系统的控制信号，同时完成与发电机主控设备的通信控制。一 STM32F103电路充电器的控制器采用64个管脚的STM32F103RB，电路如图3-3所示。标注“x”的管脚是未使用的空置管脚，R56R57是限流电阻，供电采用直流3.3V。开机启动模式设置，STM32第29、59脚通过R47R58接地，Boot0=0，Boot1=0，设置片内用户闪存存储器为启动区域，开机将默认从片内用户闪存存储器执行程序。STM32其它启动模式Boot0=1，Boot1=0时系统存储器为启动区域；Boot0=1，Boot1=1时SRAM存储器为启动区域。二 晶体振荡器电路控制器采用8MHz的石英晶体振荡器，振荡电路如图3-2所示，XTAL连接到STM32控制器的第5、6脚，两个20P电容起到滤波稳定振荡波形的作用，但电容值过大不利于振荡器起振，一般选择1530P。石英谐振器简称晶振，是利用具有压电效应的石英晶体片制成。广泛应用于电子设备中产生振荡波形。图3-2 晶体振荡器电路图3-3 STM32F103RB控制器电路图三 复位电路一般，控制器常用复位方式主要有：上电复位，看门狗复位，人工复位。充电器的STM32控制器有内置看门狗和复位电路，为提高系统可靠性，配合了外部按键手动复位，和TLC7733B外部复位控制电路（详见3.2.2节的电源监测管理）。控制器手动复位控制电路如图3-4所示，S1是装在电路板上的手动复位按键。同时还有外接插座X18-1、X18-2的外部远程复位控制，通过远程短接X18-1与X18-2，可以实现控制器复位（详细电路请查阅3.4节充电器电路）。该复位控制采用光耦隔离器SFH6156进行系统内外隔离，避免外部干扰，正常情况下光耦截至，Reset18_in为高电平，短接复位时光耦导通，Reset18_in低电平向控制器第39脚发出的复位信号，在控制器内采用程序由软件指令实现复位。图3-4 控制器手动复位控制电路四 JTAG仿真JTAG（Joint Test Action Group）该组织致力于统一芯片测试技术标准，经过IEEE批准后标准化，故又叫IEEE1149.1标准，它一整套芯片测试标准和接口，在测试和仿真技术中大量JTAG技术，现在大部分的CPU内核里都实现了JTAG逻辑技术。 1图3-5 JTAG仿真接口电路JTAG调试的关键是基于一种边界扫描技术，它在芯片的管脚上增加一个移位寄存器单元。因为这些移位寄存器单元都分布在芯片边界上，故被称为边界扫描寄存器（Boundary-Scan Register Cell）。如果在芯片处于调试状态的时候，扫描寄存器就可以把芯片和外围的输入输出隔离开来。然后通过这些边界扫描寄存器单元，实现对芯片输入输出信号的观察和控制。图3-6 LED显示电路五 LED显示如图3-6所示，充电器通过四路LED发光二极管显示电路，向外发出系统的各类状态和报警信息，详细报警信息见表3-1所示。3.3.2 AD采集接口电路八路AD采集充电器的5个电流电压工作状态和3个温度状态，八路项目如下： （1）交流电压输入VacIn；（2）充电器内部环境温度；（3）充电器外壳温度；（4）蓄电池盒温度；（5）充电器充电电压VDCtz；（6）蓄电池的实际电压VDCjc；（7）充电器输出充电电流IDC；（8）3.3V基准电压监测。一 电压和电流采集接口充电器的四路电流电压采集接口电路如图3-7所示，BAV99是一个高速的双开关二极管，开关时间（Trr）最大6ns，工作在导通和截至两个状态，正常情况下二极管处于截至状态。当AD通道电压过高或者过低时，二极管导通，通道电位被二极管钳位，起到限压的保护作用，它可以防止高过电源的电压以及负脉冲的干扰。这里的0.1uF电容起到对AD电压的平滑滤波作用。图3-7 四路电流电压采集接口电路二 充电器内部环境温度和充电器外壳温度的采集接口（一） 充电器内部环境温度充电器的控制电路板上有个KTY温度传感器暴露在空气中，采集充电器控制电路板的内部空气环境温度(采集电路如图3-8所示)，温度超出（-20，75）范围，控制器就会点亮红色LED报警，同时通过继电器2闭合向风力发电机的主控制系统发出报警信号。高温降低恢复到70以下，系统自动撤销报警，电路恢复正常工作。温度低于-20时不能自动恢复，需要系统重新启动。环境温度的采集电路由3.3V电压基准源(REF2933)和电阻分压网络（R80、R81、KTY81、C35）组成。KTY81阻值随温度变化，这样分压网络的电压VAD1_ hj随温度而变化， VAD1_ hj电压送到控制器15脚（PA1）进行AD转换控制。图3-8 充电器内部环境温度采集电路测温传感器采用飞利浦的硅电阻热敏传感器KTY81-210，该传感器具有高精度，高可靠性，高稳定性，产品寿命长等特点。KTY系列传感芯片结构基于扩散电阻原理，芯片大小约500*500*240mm。芯片上层覆盖着一层二氧化硅绝缘材料，绝缘层上开有一个直径20mm的金属孔，整个底层全部被金属化。KTY系列的主要参数：温度系数TC(0.79%/K)，测量温度范围-50150，测温精度等级0.5%。37 （二） 充电器外壳温度图3-9 充电器外壳温度采集电路充电器的外壳散热器底座上紧固有一个NTC热敏电阻传感器，它采集充电器开关电源的散热器温度(采集电路如图3-9所示)，采集温度AD值送给控制器，控制器分析完成报警和自我保护。外壳温度分为高温警告和严重超温报警两个保护等级。高温警告是指散热器温度超过80是，控制器就会点亮LEDH3报警，同时通过继电器2闭合向风力发电机的主控制系统发出报警信号。高温降低恢复到75以下，系统自动撤销报警，电路恢复正常工作。严重超温报警是指散热器温度超过90时，控制器关闭开关电源，没有输出充电电压，同时点亮LEDH2报警，并通过闭合继电器2向风力发电机的主控制系统发出报警信号。高温降低恢复到85以下，系统自动撤销报警，充电器恢复正常工作。充电器外壳温度的采集电路由阻容分压网络R82、R83、R84、X5、C37、C38组成，REF2933产生3.3V的电压基准源REF3.3，它与内部环境温度采集电路共用一个基准源。X5通过插线连接FH-CWF103热敏电阻传感器，该传感器采用螺钉紧固在充电器整机底座的散热器外壳上，采集外壳散热器温度。采集的温度电压值经阻容网络分压后，从VAD2_ jk送到控制器16脚（PA2）进行AD转换控制。风华高科的NTC热敏电阻传感器（FH-CWF103F3950F），是以锰、镍、钴和铜等金属氧化物为主要材料，该传感器具有高精度，高稳定性，响应速度快，优良的抗热冲击性和以及耐湿性能。该传感器典型参数：25电阻值为10K1%，使用温度范围（- 40，100），传感器B值B25/50=3950K1，热时间常数(空气中)=30sec。36 (三) REF2933电压基准这里采用REF2933为温度传感器电路提供精确的3.3V基准电压，如图3-8所示。REF2933是美国德州仪器公司3.3V的CMOS电压基准，输出电压3.300V，静态电流50A，输入电压最小值3.300V，输入电压最大值5.500V，温度系数35ppm/，SOT23-3封装，温度范围（-40，125），温度漂移100ppm/C。5三 蓄电池盒温度的采集接口蓄电池盒温度的采集接口电路由温度传感器、光电隔离放大器和运算放大器变换处理电路三个部分构成（电路如图3-10所示）。HCPL7840是一种电流采样的一路线性光电隔离放大器，它采用差分信号方式，其输入取蓄电池盒温度传感器的电流，输出经偏置放大后送到AD转换器件进行变换处理。电池盒的实时温度电流通过一个外部采样电阻得到模拟电压，通过原级采样信号输入端进入7840芯片，在次级得到一个差分的输出电压，该差分的输出电压正比于温度传感器的电流，输出电压经LM258构成的差动式转换器进行变换处理，得到的温度电压经AD7box端口输入到控制器芯片23脚的AD通道，在控制器内进行温度AD的处理。LM258双运放只用了UL2A，UL2B为空置状态。测温传感器采用风华高科的NTC热敏电阻传感器（FH-CWF103F3950F），与上节的机壳温度传感器相同。蓄电池盒温度的AD信号从HCPL7840光电隔离放大器采集后，通过RC一阶无源滤波器进行滤波处理，然后到达差动型积分器（LM258运放电路）处理，经AD7box，送到控制器26脚（PA7）进行AD转换和分析控制。图3-10 蓄电池盒温度的采集接口电路四 电源监测管理电路图3-11 电源监测管理电路控制板的电源监测管理电路（如题3-11所示），采用TLC7733B低功耗单路电源基准监控芯片，它提供控制器的上电复位信号使能控制器，同时提供电源欠压（或者掉电）的系统保护功能，以确保系统工作可靠。同时，它输出的3.3V基准电压供给控制器进行AD采集，控制器根据采集的电压值进行软件的电压监测管理，当软件监测电压跌落到70%的时候，就进行系统的参数和功能保护，这样起到系统的掉电保护功能。TLC7733B的详细参数请查阅器件手册。 按下S1按键开关可实现控制器的手动复位功能，TLC7733B的第1脚REF输出的基准电压AD0Vref送到控制器第14脚，进行基准电压源的AD采集。3.3.3 PWM控制输出接口电路脉冲宽度调制PWM（Pulse Width Modulation），就是用改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率，它是利用微控制器输出数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。40在电池智能充电器中，一般采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度都相等的脉冲列作为PWM的波形，然后通过改变脉冲的宽度，改变脉冲列周期调频，再采用适当的软硬件控制方法就可以使电压与频率协调变化。通过调整PWM的周期、PWM的占空比，达到控制充电电压与电流的目的。本充电器的PWM控制电路包括：控制器PWM输出、基准电压源、MOS开关电路和低通滤波器四个部分组成（电路如图3-12所示）。控制器PWM输出，控制器STM32F103RB内部采用定时器产生PWM信号，PWM的占空比和频率由软件可编程设置，然后通过控制器的61、62管脚输出PWM。这里是通过改变脉冲的占空比进行调压实现对充电电压和电流的控制。充电器的PWM供电基准采用REF02，它是一款5V（0.3%）的串联型精密电压基准源，噪声低（型峰峰值15V），具有出色的温度稳定性（最大值8.5 ppm/C），16V直流输入REF02的2脚，6脚输出+5V供给PWM电路。5 充电器控制器管脚（61、62）输出的两路PWM信号，分别经FDC5612（60V的N沟道MOSFET管）进行输出转换控制，FDC5612具有较快的开关速度，和极低的栅极电荷（12.5nC），FDC5612在PWM信号的作用下工作在截至和导通两个状态，然后输出进入低通滤波器。图3-12 两路PWM控制电路图3-13 电压控制三阶低通滤波器充电器PWM输出滤波采用电压控制单端正反馈型三阶低通滤波器（电路如图3-13所示3），该滤波器将一个一阶低通基本节和一个二阶低通基本节电路级联起来构成三阶低通滤波器，但这需要在一阶低通和二阶低通间采用一个缓冲器。实际中，我们节省了一个运算放大器，这里我们采用LM258，LM258 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，这里采用16V供电。此三阶低通滤波器的传递函数如式3-1、3-2所示3：充电器三阶段充电的恒流与恒压阶段控制是由硬件实现的转换控制，软件中设置PWM的参数控制充电电流和电压值，它决定恒流与恒压的临界转换点，也就是这里的244V和1.6A是由PWM0、PWM1来设置的，这两路PWM产生的固定值分别与开关电源中的电流和电压控制进行比较。开始充电时，由PWM1钳定开关电源的充电电流，得到恒流阶段。随着充电的进行，蓄电池电压逐步升高，当电压升高到PWM0设定的电压值时，开关电源的充电电压被钳定，同时电流钳定结束，实现电流钳定到电压钳定的转换，这样完成恒流阶段到恒压阶段的转换控制。第三阶段浮充电控制，是在软件中检测充电电流，当恒压充电使电流逐步减低到100毫安以下时，即由软件控制进入第三阶段的浮充电，浮充电流由PWM1设置充电电流维持在50100毫安之间循环振荡，完成浮充电。3.3.4 继电器信息输出接口电路 充电器的继电器信息输出接口（如图3-14所示），通过外插6针接线，完成与风力发电力机主控制系统的通信，通过继电器的开关状态上传充电器的工作信息，详细状态信息见表3-1。充电器的整个工作过程和状态采用K1K2的两个继电器通断动作产生两路开关信号，通过X9插座的X16-1-2-3和X16-4-5-6的两组端口传递给风力发电机的主控器。开机启动时K1K2通电闭合，正常工作情况下K1K2是维持常闭状态（X16-1-2-3的2-3接通，X16-4-5-6的5-6接通）。当充电器有需要传递的信息时，相应的继电器断电（X16-1-2-3的1-2接通，X16-4-5-6的4-5接通）。图3-14 继电器信息输出接口电路3.3.5 开关电源启动控制电路充电器开关电源的启动控制包括缓上电控制和输出开启控制，缓上电控制开关电源的交流输入，输出开启控制开关电源的直流电压输出。一、开关电源缓上电控制 充电器开关电源在开机时，需要进行延时缓冲上电（简称缓上电），该缓上电功能由控制板软件控制完成。缓上电控制接口就是控制板到开关电源之间的接口电路（如图3-15所示），该接口电路包括D2、Q2、Q3、R3336等器件，控制器26脚发出缓上电的开关控制信号C_HSD，C_HSD为高电平时Q2Q3截至，使X1第3脚为高电平，断开开关电源的开关继电器，电源关闭；反之C_HSD为低电平时开关继电器闭合，电源开启。开机过程由控制器监测充电器