基于ARM的井下不间断电源的设计与实现

2013-11-27史延东

机械与电子 2013年4期

史延东，薛鹏，宁飞

（西北工业大学自动化学院，陕西西安710072）

0 引言

随着技术的发展和进步，对电能的质量要求也越来越高［1］，不间断电源便随之产生，现已广泛应用于工业、通信、交通和煤矿井下等领域。由于矿用井下环境比较特殊，不但要求在掉电时，能够实现自动切换的功能，而且对安全性、可靠性等提出了更高的要求。因此，从电池管理系统和蓄电池等因素综合考虑设计，提高了系统的安全性。

1 系统的组成与工作原理

1．1 系统的组成

井下不间断电源系统的设计如图1所示。系统主要由AC／DC模块（单端反激式电源）、电源管理系统、微处理器、磷酸铁锂电池和切换电路等组成。

图1 井下不间断电源系统

微处理器采用STM32F100系列微处理器［2］，它是基于ARM 32位Cortex-M3的CPU，最大工作频率为24 MHz，Flash为128 k B，SRAM 为8 k B，1个7通道的DMA控制器，具有丰富的外设接口，提供标准的外设接口，具有成本低、性价比高等优点。

充放电电池采用磷酸铁锂电池，符合矿用隔爆型锂离子蓄电池安全技术要求。该电池是一种用磷酸铁锂材料做电池的正电极、用石墨作电池负极的新型锂离子电池，标称电压为3．2 V，终止充电电压为3．6 V，终止放电电压为2．0 V。

1．2 工作原理

正常情况下，输入为40～180 V的交流电，通过单端反激式开关电源把交流电转化为直流电。输出20 V的直流电给用电设备供电，同时，输出15 V的直流电，给磷酸铁锂电池组提供电能。微处理器STM32F100实时监测输入的交流电。若因故障或其他原因，无交流输入时，则微处理器STM32F100控制切换电路，由电池组给用电设备提供电能。实现了不间断供电。

2 硬件电路设计

2．1 AC／DC单元电路的设计

单端反激式开关电源的结构如图2所示，40～180 V宽范围交流输入，输出20 V的直流电，输出功率为40 W。控制芯片选用电流型脉宽调制控制芯片［3］UC3843。在系统中，输入的交流电由整流模块整流后得到直流电压，经稳压电容稳压后送入单端反激变压器的原边，经高频变压器变电压后，由副边输出。最后通过整流滤波，得到20 V直流电。

图2 单端反激式开关电源结构

MOS管的开关频率为：

取RT＝8．2 kΩ，CT＝4．7 n F，则f≈45 k Hz。

高频变压器选用EI30铁氧体的铁芯，初级线圈匝数为16匝，次级线圈匝数为11匝。

在反馈电路中，由精密稳压源TL431和线性光耦PC817构成外部电压反馈回路［4-5］。

根据上述参数设计了一款输出功率为40 W的单端反激开关电源。该单端反激式开关电源在满载时的效率为80%，电压调整率为0．18%，输出纹波电压大小为40 m V。

2008年，程瀚购买了滨湖春天小区的房子后，其商人朋友吴某某见状，便说其可以帮助装修，费用由其来付。程瀚跟吴某某说，按40万元左右的标准装。

2．2 电池管理系统设计

在系统设计中，有4组完全相同的电池管理系统，每组电池管理系统分别控制1个单体磷酸铁锂电池。4个单体电源采用串联的方式连接。

一个单体电池的管理系统由充电管理集成电路CN3705和电池保护集成电路FS361A组成，如图3所示。

图3 电池管理电路

CN3705的工作温度为-40～＋80℃，具有恒流和恒压充电模式，涓流充电模式。若输入电源掉电或输入电压低于电池电压，则自动进入低功耗睡眠模式。6脚为电池检测输入端，是一个负温度系数的热敏电阻。

保护集成电路FS361A能提供过充电压保护、过放电压保护和短路电流保护。

微处理器控制实现的功能如图4所示。电源管理系统与微处理器STM32F100具有如下功能：

a．保护功能。包括单体电池过充电压保护、过放电压保护、充放电过流保护、放电短路保护、充放电过温保护和输入交流欠电压保护。

b．实时检测与液晶显示。对每个单体电池的电压、电流和温度进行实时检测，并通过液晶显示屏进行显示。

c．声光报警。若电池性能出现异常时，在实现保护后，立即进行声光报警。

图4 微处理器的控制功能

d．智能切换。输入交流掉电时，实现智能切换，由蓄电池组给用电设备提供电能。

2．3 切换电路设计

切换电路如图5所示。切换电路主要由P沟道的MOS管、三极管等器件组成。三极管Q1的门极接上拉电阻并与微处理器P0口相连接。微处理器STM32F100实时监测输入电压，若输入交流电掉电时，则微处理器的P0口输出高电平。三极管Q1导通，最终导致MOS管导通。电池为用电设备提供电能。

图5 切换电路

3 系统软件设计

系统的程序在Keil4开发软件中采用C语言进行编写。根据系统的功能划分，子程序包括电池管理充电子程序和电池管理放电子程序。

系统主程序软件流程如图6所示。主程序采用循环检测的工作方式，每个工作周期设置为20 ms。系统上电时，微处理器进行数据采集并检测是否有交流电127 V输入，从而决定电源管理系统的工作模式。微处理器把实时输出电压、输出电流等参数通过LCD12864液晶显示屏进行显示。

图6 主程序软件流程

电源管理充电子程序软件流程如图7所示。

对单体电池输入的电流大小，充电电池的温度、电压进行判断，若不符合要求，则立即关闭充电电源。其次，对每个单体充电电池进行循环检测。检测完毕后，返回。

图7 电池管理充电子程序流程

4 实验测试分析

按照上述要求设计了一款井下不间断电源。交流输入掉电时，可以实现自动切换；可以实现对单体电池的温度、电压和输出电流的实时检测；能够实现故障报警功能。在实验测试中，当充电结束后，每个单体电池的电压偏差太大，这必然影响整个电池组性能。为此，在软件程序中加入对单体电池电压均衡判断程序并进行检测，可得每个单体电池电压的偏差小于1%。满足设计要求。