基于STM32的无人机动力电池充电器设计

万 能，张 阳，吴晓春

（国网安徽省电力有限公司 检修分公司，安徽 合肥 230601）

0 引 言

无人机动力电池充电器作为无人机动力电池中的主要部件，能够提供无人机动力电池的工作电量。基于无人机动力电池所需电量大的特点，对无人机动力电池充电器的功率提出了很高的要求[1]。在我国，针对无人机动力电池充电器的设计中，主要包括功率板、三相正弦电路以及内核程序3部分。传统的无人机动力电池充电器在实际应用过程中往往存在自放电率高和能量密度低的问题，在为无人机动力电池充电时充电效率低，无法保证无人机动力电池的续航能力。因此，优化设计无人机动力电池充电器是势在必行的。结合对无人机动力电池充电器的发展趋势分析，无人机动力电池充电器设计越来越趋于数字化、智能化、集成化以及网络化。而STM32的出现为无人机动力电池充电器的优化设计提供了新思路。STM32指的是一种单片机型号，具备低能耗和高性能的特点。基于此，本文提出基于STM32的无人机动力电池充电器设计，通过将STM32应用在无人机动力电池充电器设计中，致力于降低无人机动力电池充电器的自放电率，设计出满足发展趋势的新型无人机动力电池充电器。

1 STM32概述

STM32指的是一种单片机型号，内含嵌入式M7内核，具备低能耗和高性能的特点。STM32能够通过标准化背板与系统结构的快速集成，合理预计板级模块之间的互相操作性，更容易实现模块升级[1]。利用STM32最大集成度的框架结构优势，可以使各设备更适应恶劣的环境，并且利用更高性能的接口技术，可以进一步快速转换和传输数据参数，降低连接系统的功耗，支持功能更加强大的处理器连接[2]。STM32以其LQFP100设计理念，能够在保证最小硬件变化的前提下满足其功能需求。

2 基于STM32的无人机动力电池充电器设计

2.1 设计功率变换电路

在无人机动力电池充电器设计中，首先设计功率变换电路。该电路作为无人机动力电池充电器中的核心电路具备四开关Buck—Boost，能够帮助无人机动力电池充电器实现Buck功能。无人机动力电池充电器中的功率变换电路原理如图1所示。

结合图1所示，本文设计的功率变换电路能够通过1N4148W-7-F施加自举电容，保证U16关闭时，U17导通，此时利用IRF3205Z自举电容充电，在U18、U19同时互补导通时，为Buck—Boost提供通路。通过采用均衡保护的方式，在无人机动力电池充满电时能够自动断开U19[3]。在明确功率变换电路原理的基础上，为提高无人机动力电池充电器中功率变换电路的电流有效值，可通过计算电感最小值的方式将功率变换电路功率最大化。设功率变换电路中电感最小值的表达式为Lmin，则有公式如下：

图1 功率变换电路原理图

式中，Iout表示功率变换电路运行过程中产生的纹波电流；Cin指的是自举电容施加偏压最大值；R指的是功率变换电路中的电阻值；c指的是功率变换电路中1N4148W-7-F的电容；fout指的是功率变换电路运行过程中的截止频率；K指的是一阶无源低通电路输出电量。

通过式（1）计算得出功率变换电路中的电感最小值，确定功率变换电路的基本参数，而后还需要计算功率变换电路中的电感电流峰值。设电感电流峰值的表达式为Ipeak，则有公式：

式中，Iripple指的是功率变 换电路输出额定电流。

通过式（2）得出电感电流峰值，当Ipeak数值在5.0～6.5 A，则设定功率变换电路的工作电压为20 V；当Ipeak数值在6.5～8.0 A，则设定功率变换电路的工作电压为30 V[4]。最后，以此作为功率变换电路额定参数，完成无人机动力电池充电器中功率变换电路的设计。

2.2 设计电压检测电路

在设计功率变换电路的基础上，还需要设计电压检测电路，主要用于检测无人机动力电池充电器中的输入电压以及电池电压。本次设计电压检测电路采用等比例缩放的方式，通过在功率变换电路中设置4个20 mΩ的电阻，检测流经电流。本文将其电阻的取值设定为2～150 kΩ[5]。将电阻的搜索空间定义为在2～124.6 kΩ，步长设置为0.2 kΩ。电容选择损耗较小的优质电容，将电容的取值设定在大于15 pF，根据无人机动力电池充电器的截止频率公式对截止频率进行计算：

式中，R和R'指的是电压检测电 路中的4个阻值；C指的是电压检测电路电容。

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根据式（3）得出，本文选用的一阶无源电压检测电路的截止频率为150 kHz左右。因此，能够估算得出电容的取值范围应在15～1024 pF，其步长为15 pF。本文采用将多个子目标以加权和的形式展现，从而将多目标问题转换为单目标问题。设无人机动力电池充电器的自适应函数为x，则有公式：

式中，s指的是自变量；e指的是采样频率；p指的是常数，通常情况下为1，主要目的是为防止自适应函数的分母为0。

通过式（2），在理想无人机动力电池充电器的条件下，其最大数值为30 000，以此为无人机动力电池充电器中电压检测电路的性能指标。

2.3 采用STM32高速集成充电指令处理

在完成无人机动力电池充电器中电路部分设计后， 利用STM32强大的数据处理功能，将ARM Cortex-M内核单片机采集到的数据经过STM32执行快速且复杂的处理，再由USB接口传输到上位机中进行后续的处理，进而读取无人机动力电池充电器充电参数[6,7]。图2为采用STM32高速集成充电指令处理结构示意图。

图2 采用STM32高速集成充电指令处理结构示意图

根据图2可知，基于STM32的高速集成充电指令 处理需要完成对32个通道的中频信号采样、数字波束预合成、合成以及数据记录等功能。主控制模板用于完成处理数据的初始化、交换网络动态管理以及对外接口等功能，获得帧记录数据。由ARM Cortex-M 32位微控制器完成32通道的数据传输模拟信号的采样和数据的预处理[3]。处理模块为3个，利用处理模块上的各个算法实现对两个通道中32路信号的预合成，并完成对数据的校正，将数据跳转到0。模块与模块之间的数据通信采用串行总线，本文选用RapidIO 2.2规范，设置单通道的速率为8.25 Gb/s，记录无人机动力电池充电器充电参数。

2.4 实现无人机动力电池充电器充电

以STM32高速集成充电指令处理后的充电参数为 依据，采用电池探测算法，确定无人机动力电池电压预充门限[8,9]。本文针对无人机动力电池充电器充电运行特点，通过建立隶属度函数，计算无人机动力电池电压预充门限。设无人机动力电池电压预充门限为z，可得公式：

通过式（5），得出无人机动力电池电压预充门限。在保证无人机动力电池充电器充电电压在预充门限范围内，执行无人机动力电池充电器充电，此过程需要定时预充电[10]。设预充电定时的目标函数为n，则有公式：

式中，i指的是无人机动力电池充电器给定转速；e指的是无人机动力电 池充电器额定功率。

通过式（6），得出预充电定时时间。设定预充电定时，当定时时间到时自动停止无人机动力电池充电器充电，保证无人机动力电池充电器充电自放电率达到最小，以此实现无人机动力电池充电器充电，完成基于STM32的无人机动力电池充电器设计。

3 实例分析

3.1 实验准备

本次实例分析，采用硬件设施为型号为TYR3583589的上位机，实验 环境包括：虚拟主机资源数量为500；物理主机地理距离为30；主机更新常量为0.1；网络权重系数为0.2。本次实例分析中设置的实验测试指标为无人机动力电池充电器的自放电率，自放电率越高证明无人机动力电池充电器的荷电保持能力越差。基于STM32设计无人机动力电池充电器，通过USBPACK 2.0软件测试无人机动力电池充电器的自放电率，记录实验结果，设置为实验组，再采用传统方法设计无人机动力电池充电器，同样通过USBPACK 2.0软件测试无人机动力电池充电器的自放电率，记录实验结果，设置为对照组。

3.2 实验结果与分析

整理实验数据，如图3所示。

图3 自放电率对比图

通过图3可知， 本文设计的无人机动力电池充电器自放电率明显低于对照组，荷 电保持能力更强，具有现实应用价值。

4 结 论

通过基于STM32的无人机动力电池充电器设计研究，取得了一定的研 究成果，解决传统无人机动力电池充电器中存在的不足具有现实意义，能够指导无人机动力电池充电器的优化。在后期的发展中，应加大本文设计无人机动力电池充电器在无人机动力电池充电中的应用力度。但由于目前国内外针对基于STM32的无人机动力电池充电器设计研究仍存在一些问题，因此在日后还需要进一步深入研究无人机动力电池充电器的优化设计，从而提高无人机动力电池充电器的综合性能。