藺鵬

摘要：文章設(shè)計(jì)了一種微機(jī)控制的雙向DC-DC變換器。它通過采集電池組充電或放電狀態(tài)時(shí)的電流、電壓信號(hào)送給AD轉(zhuǎn)換器，微控制器利用PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)控制量的計(jì)算以PWM脈沖控制雙向DC-DC變換器場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通時(shí)間，完成電池組恒流充電或恒壓放電，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。

關(guān)鍵詞：雙向DC-DC變換器；PID算法；PWM；恒流

中圖分類號(hào)：TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）13-0210-02

1概述

在一個(gè)電路系統(tǒng)中直流電源間需要雙向能量流動(dòng)情況都需要雙向DC-DC變換器。它是指當(dāng)雙向DC-DC變換器的輸入、輸出電壓極性不變，通過控制變換器使輸入、輸出電流方向發(fā)生改變，同時(shí)保證輸入和輸出端口的電流和電壓能穩(wěn)定、可控，保證能量雙向流動(dòng)。雙向DC-DC變換器可以看做一個(gè)中間電路網(wǎng)絡(luò)，不僅可以使功率從輸入端流向輸出端，也能使輸出端流向輸入端。因此直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)、航空航天電源、太陽(yáng)能（風(fēng)能）發(fā)電系統(tǒng)、能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)、電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)等廣泛應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)一種DC-DC變換器，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，當(dāng)電池充電時(shí)電流可調(diào)并可恒流控制，當(dāng)電池處于放電狀態(tài)時(shí)變換器輸出恒壓控制。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制器通過控制DC-DC變換器電路開關(guān)實(shí)現(xiàn)直流電源對(duì)電池充電或反之控制DC-DC控制器實(shí)現(xiàn)電池放電。當(dāng)處于充電狀態(tài)時(shí)，ADC檢測(cè)電池充電電流并反饋給控制器，然后控制器控制DC-DC變換器以設(shè)定值保持恒流方式充電。當(dāng)電池放電時(shí)，ADC檢測(cè)電池輸出電壓，控制器控制DC-DC變換電路保持恒壓輸出。按鍵用于設(shè)置充電電流、電壓。LCD顯示充電電流、電壓，電池放電電壓等。

3系統(tǒng)硬件構(gòu)成

3.1STC12C5A16S2控制器

系統(tǒng)采用STC12C5A16S2作為主控制器，它具有16KBFLASH程序存儲(chǔ)器，1280B內(nèi)部RAM，2個(gè)16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器，一個(gè)8路10位AD，指令與51單片機(jī)完全兼容，時(shí)鐘頻率可達(dá)40MHz。STC12C5A16S2將ADC送人的電流和電壓值與設(shè)定值進(jìn)行比較后，利用相應(yīng)算法計(jì)算出控制量PWM值去控制DC-DC控制器從而達(dá)到對(duì)電池組充電、放電過程的控制。

3.2按鍵和LCD顯示

由于僅僅需要對(duì)電流和電壓進(jìn)行設(shè)置，采用4個(gè)獨(dú)立式按鍵分別完成電流、電壓選擇鍵、加一鍵、減一鍵和確定鍵。為了顯示充電電流、電壓信號(hào)同時(shí)減小體積和重量可采用LCD1602顯示。

3.3雙向DC-DC控制電路

DC-DC控制電路有兩種狀態(tài)“充電”和“放電”如圖2所示，當(dāng)開關(guān)S1、S2處于充電位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路IR2104輸出H0為1，L0為0使場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通、Q2截止，直流電源通過Q1對(duì)電池組充電并且電感L1儲(chǔ)存能量；輸出H0為0，L0為1場(chǎng)效應(yīng)管Q1截止、Q2導(dǎo)通，電感u通過釋放能量阻止電池電流增大而放電，上述過程周期出現(xiàn)，且時(shí)間短，通過控制H0與L0電平時(shí)間即可控制對(duì)電池充電。開關(guān)S1、S2處于放電位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路輸出H0為0，L0為1使場(chǎng)效應(yīng)管Q1截止、Q2導(dǎo)通，電感儲(chǔ)存能量并給電容充電，當(dāng)輸出H0為1，L0為0時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通、Q2截止，電感、電容及電池共同通過Q1向負(fù)載RL供電。Ia和Ib是監(jiān)測(cè)電池組充（放）電電流端點(diǎn)，VB是監(jiān)測(cè)電池組充（放）電電壓端點(diǎn)。將電池組電壓分壓后，將取樣電壓送微控制器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后乘以系數(shù)就可知電池組端電壓。

3.4雙向DC-DC驅(qū)動(dòng)器

IR2104是一個(gè)輸出邏輯驅(qū)動(dòng)高（低）側(cè)高壓、高速功率場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器。輸入兼容CMOS或TTL電平。IN引腳輸出控制HO和LO，當(dāng)IN為高電平時(shí)HO為高電平LO為低電平，IN是低電平時(shí)HO為低電平LO為高電平（HO和LO邏輯上總是相反）。SD引腳為電平則HO、LO都為低電平并不隨IN變化為變化。IN引腳信號(hào)是來(lái)自微控制器的PWM信號(hào)，HO、LO引腳輸出分別驅(qū)動(dòng)高（低）側(cè)場(chǎng)效應(yīng)管控制實(shí)現(xiàn)充放電過程。

3.5電流采集電路

ACS712是一個(gè)電流傳感器，輸出電壓與測(cè)量的直流或交流電流成線性比例關(guān)系。電流從IP+引腳輸入，IP-引腳輸出，VIOUT端輸出與電流成線性關(guān)系的電壓。FILTER引腳外接電容用于對(duì)輸出濾波。圖3中IP+和IP-分別接入雙向DC-DC變換器的Ia和Ib端用來(lái)測(cè)量電池組充放電電流，輸出電壓與輸入電流的關(guān)系VIOUT=0.0667IP+2.5，當(dāng)充電電流在0-2A變化時(shí)VIOUT在2.5V-2.633V之間。VIOUT引腳接一個(gè)電壓跟隨器以提高輸出阻抗，將VI輸入微控制器STC12C5A60S2進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括按鍵識(shí)別模塊、顯示模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、PID運(yùn)算和PWM產(chǎn)生模塊。主流程如圖5，通過中斷方式實(shí)現(xiàn)按鍵識(shí)別，定時(shí)中斷完成對(duì)電壓和電流采集和AD轉(zhuǎn)換同時(shí)利用PID算法實(shí)現(xiàn)控制量的輸出。