翟宇毅，靳紹華，劉韻佳，丁仔航

(上海大學機電工程與自動化學院，上海 200444)

0 引言

隨著新能源車行業(yè)的發(fā)展，消費者越來越了解和接受電動車以及充電的方式，行業(yè)自身也在朝著更好的方向發(fā)展，但是電動汽車充電樁依然存在實時電壓電流測量[1]不準確等諸多問題。根據(jù)國務(wù)院辦公廳2015年9月29日實施并印發(fā)的《關(guān)于加快電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導意見》[2]，到2020年，基本建成適度超前、車樁相隨、智能高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系，滿足超過500萬輛電動汽車的充電需求，按照1∶4的比例，即需要125萬充電樁，這高于現(xiàn)有充電樁數(shù)量的4倍。顯然我國現(xiàn)在還需要大量充電樁投入運營才能滿足新能源汽車的充電需求。國內(nèi)外相關(guān)研究人員在這方面做了深入的研究，提出基波和諧波的電能表技術(shù)方案，并且已經(jīng)應(yīng)用到了實際的電能計量[3]當中。但是這種通用的計量方式在交流充電樁的電能計量方式中卻無法適用，因為像電動汽車這種帶有沖擊性、強時變性等非線性負載產(chǎn)生的不平穩(wěn)信號無法用諧波模型來準確描述?？偨Y(jié)為現(xiàn)有交流充電樁電能計量中存在運算速度慢、計量不精確等缺陷。

針對電動汽車充電樁[4-6]輸入電壓與輸入電流實時測量較難的問題，參考相關(guān)國家標準[7],在硬件上通過有源濾波電路,設(shè)計了基于STM32的電壓、電流采樣硬件電路[8]以及數(shù)字濾波算法。通過實驗,驗證上述方法在交流充電樁輸入電壓與電流實時采集數(shù)據(jù)過程中，能否有效地解決在隨機擾動情況下交流充電樁電壓電流實時測量不準確的問題。

1 充電樁系統(tǒng)設(shè)計

圖1 充電樁硬件組成框圖

所研究充電樁是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成的，主控制芯片選擇STM32F103ZET6，這款芯片采用基于ARM-V7結(jié)構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核，可在中斷中嵌套，成本低，功耗低，具有相當強的處理能力，適用于電動汽車充電樁控制系統(tǒng)中。其次充電樁要實現(xiàn)充電控制、電壓電流數(shù)據(jù)監(jiān)測、顯示和通訊等功能，因此，按照功能需求搭載了基于STM32的充電樁電路板，如圖1所示。在充電樁硬件系統(tǒng)上設(shè)計了電壓電流采樣電路，電源電路和USB通信電路等；軟件上采用ADC采樣算法，數(shù)字濾波算法和計算電壓電流的均方根求法。

1.1 硬件濾波采樣電路設(shè)計

首先充電樁電壓電流測量的硬件電路由濾波電路、采樣電路組成。濾波電路又稱為濾波器，是一種選頻電路，能夠使特定頻率范圍的信號通過，而使其他頻率的信號極大衰減即阻止其通過。

由于實驗輸入的是電壓220 V、頻率50 Hz的交流市電，故選擇一階有源低通濾波電路(如圖2所示)較為符合電壓電流濾波電路的設(shè)計方向。

圖2 一階有源低通濾波電路

其次STM32F103的ADC多達18個通道，選擇外部通道ADC_IN10和ADC_IN11。ADC 的電壓輸入范圍(VREF-，VREF+)，由VREF-、VREF+、VDDA、VSSA這4個外部引腳決定。由于設(shè)計原理圖時把VSSA和VREF-接地，把VREF+和VDDA接3.3 V，得到ADC的輸入電壓范圍為0～3.3 V。為滿足采樣電壓區(qū)間，由經(jīng)驗公式以及實際測試確定電壓電流采樣電路中有源濾波器電阻R21=51 kΩ、R22=10 kΩ、R31=51 kΩ、R34=18 kΩ。

綜合分析并且對比以往的一階有源低通濾波電路和ADC采樣電路，結(jié)合上述理論分別設(shè)計了如圖3和圖4所示的一階電壓電流有源低通濾波采樣電路。

圖3 電流一階有源低通濾波采樣電路

圖4 電壓一階有源低通濾波采樣電路

1.2 輔助電路設(shè)計

3.3 V采樣電源電路設(shè)計：最常用的是AMS1117-3.3 V，該芯片采用SOT-23封裝，輸出電壓浮動范圍在1%以內(nèi)，完全滿足STM32的供電需求。因此選擇該芯片，電路如圖5所示。

圖5 3.3 V采樣電源電路

USB串口通信電路設(shè)計：USB串口調(diào)試是實驗數(shù)據(jù)采樣的一種重要軟件工具。硬件方面涉及到了CH340的電路設(shè)計以及芯片選型，由于CH340芯片通過USB轉(zhuǎn)換出來的TTL串口輸出和輸入電壓是根據(jù)芯片供電電壓自適應(yīng)的。因此在實際使用的時候，串口連接到的對端設(shè)備需要注意電壓匹配的問題。其中在5 V供電模式下，是可以與3.3 V系統(tǒng)兼容的，反過來則不可以，如果CH340是3.3 V供電，那么不可以接5 V系統(tǒng)，會損壞芯片。

由于STM32主控電路板具有5 V和上述3.3 V電源供電，因此設(shè)計時確認好對端串口電平范圍，然后決定CH340工作在3.3 V或者5 V工作模式。在電路設(shè)計原理上，5 V供電時芯片V3引腳需要接一個104電容到地，3.3 V供電時直接將V3腳與3.3 V電源引腳短接。綜合分析最終設(shè)計電路如圖6所示。

圖6 USB串口調(diào)試電路

2 數(shù)字濾波及采樣計算方法

2.1 數(shù)字濾波

在儀表自動化工作中,經(jīng)常需要對大量的數(shù)據(jù)進行處理,這些數(shù)據(jù)往往是一個時間序列或空間序列,這時常會用到數(shù)字濾波技術(shù)對數(shù)據(jù)進行預處理。數(shù)據(jù)采樣是一種通過間接方法取得事物狀態(tài)的技術(shù),如將事物的溫度、壓力、流量等屬性通過一定的轉(zhuǎn)換技術(shù)將其轉(zhuǎn)換為電信號,然后再將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的數(shù)據(jù)。在多次轉(zhuǎn)換中造成采樣數(shù)據(jù)中摻雜少量的噪聲數(shù)據(jù),影響了最終數(shù)據(jù)的準確性。為了防止噪聲對數(shù)據(jù)結(jié)果的影響,除了采用更加科學的采樣技術(shù)外,還要采用一些必要的技術(shù)手段對原始數(shù)據(jù)進行整理、統(tǒng)計,數(shù)字濾波技術(shù)是最基本的處理方法,它可以剔除數(shù)據(jù)中的噪聲,提高數(shù)據(jù)的代表性。

首先為消除或減弱外界干擾，提高系統(tǒng)的測量精度和可靠性，通過軟件濾波的方法即數(shù)字濾波算法對測量數(shù)據(jù)進行處理?？紤]到采用數(shù)字濾波算法來實現(xiàn)動態(tài)的RC濾波，能夠很好地克服模擬濾波器的缺點，其對于周期干擾有良好的抑制作用，同時比較節(jié)省RAM空間。因此采用一階低通濾波算法。

一階低通濾波的算法公式為

Y(n)=αX(n)+(1-α)Y(n-1)

(1)

式中：α為濾波系數(shù)；X(n)為本次采樣值；Y(n-1)為上次濾波輸出值；Y(n)為本次濾波輸出值。

一階低通濾波法采用本次采樣值與上次濾波輸出值加權(quán)，得到有效濾波值，使輸出對輸入有反饋作用。

2.2 采樣計算方法

在使用STM32的ADC進行檢測電壓時必會涉及到電壓值的計算，為更高效率地獲取電壓，采用以下方法。

實驗得到結(jié)果是當前A/D引腳上電壓值相對于3.3 V和4 096轉(zhuǎn)換成的數(shù)字。假如得到的A/D結(jié)果為Vs個變量,他們存在關(guān)系為

Vs/V1=4 096/3 300

式中V1為當前電壓值，mV。

采樣計算方法為正弦信號均方根值求法。

rms=(Vpp/2)/sqrt(2)

(2)

式中：rms為均方根值；Vpp為峰峰值。

實驗算法計算式：

Vrms={sigma[(Vs-Vdc)2/N]}0.5

(3)

式中：Vrms為有效值；Vs為A/D采樣值；Vdc為直流分量；N為采樣個數(shù)(實驗中N=10)，也是sigma的次數(shù)；sigma(Vs-Vdc)2為將每個采樣值減去直流分量之后進行平方運算。

3 實驗平臺及實驗

實驗平臺選用基于STM32的交流充電樁電路板。實驗方式為經(jīng)變壓器作為輸入端為電路板提供穩(wěn)定的電壓220 V AC；負載功率60 W作為輸出端以便檢測實時電流；數(shù)字示波器實時監(jiān)控采樣電壓、電流的波形和參數(shù)；計算機作為輔助端燒寫算法并記錄采樣數(shù)據(jù)。具體參考圖7，實驗參數(shù)見表1。

圖7 實驗平臺框圖

表1 實驗參數(shù)表

本次實驗分為2部分：

(1)硬件電路的濾波實驗，驗證一階有源低通濾波電路可行性，為下一步實驗提供基礎(chǔ)；

(2)硬件電路結(jié)合數(shù)字濾波實驗，驗證所提電壓電流測量方法的可行性。

實驗(1)，經(jīng)示波器得到了硬件濾波前后采樣電壓正弦波形，如圖8、圖9所示。

圖8 硬件電路濾波前電壓波形

圖9 硬件電路濾波后電壓波形

分析實驗(1)波形，硬件電路未加入一階有源低通濾波電路時，實驗得到的采樣電壓電流正弦波形噪聲異常明顯；當硬件電路加入一階有源低通濾波電路后，實驗采樣電壓電流波形去噪效果良好。

實驗(2)，由串口助手軟件輸出數(shù)字濾波前后的采樣電壓數(shù)據(jù)，如表2、表3所示。

表2 數(shù)字濾波前5組采樣電壓數(shù)據(jù)表 mV

表3 數(shù)字濾波后5組采樣電壓數(shù)據(jù)表 mV

最后經(jīng)LabVIEW處理分別得到數(shù)字濾波前后的正弦波形圖，如圖10、圖11所示。

圖10 數(shù)字濾波前電壓波形

圖11 數(shù)字濾波后電壓波形

分析實驗(2)的數(shù)據(jù)及波形，由于外部環(huán)境偶然因素引起突變性擾動或充電樁系統(tǒng)內(nèi)部不穩(wěn)定引起誤差等造成干擾，經(jīng)過硬件電路濾波但未經(jīng)數(shù)字濾波其采樣波形(如圖10所示)存在毛刺，擾動幅度大。經(jīng)過硬件電路和數(shù)字濾波處理后的波形(如圖11所示)達到了抗干擾的效果，其波形光滑平穩(wěn)，無毛刺。

總結(jié)實驗(1)和實驗(2)，可以看到設(shè)計的硬件一階有源低通濾波電路和數(shù)字濾波采樣方法達到了預期的效果，證明了其在充電樁電壓電流測量中可行性。

4 結(jié)束語

通過上述理論分析與實驗驗證，得到了如下結(jié)論：設(shè)計的電壓、電流一階有源低通濾波采樣電路在進行數(shù)據(jù)采樣時降噪明顯，精度較高，可滿足充電樁測量電壓電流的要求；同時采用的一階濾波算法和采樣方法可以有效過濾雜波、剔除毛刺等無效數(shù)據(jù)。

綜上，本文提出的基于STM32充電樁電壓電流實時測量方法是可行的，能夠為現(xiàn)有充電樁電壓電流的實時測量不準確問題提供一種解決方法。