0引言
本文针对矿用永磁操动机构馈电开关智能控制器采用的铅酸蓄电池在充电过程中存在充电过度、充电不足、电池过热和充电速度慢等诸多问题，提出了一种以atmega16单片机为核心的智能充电器设计方法。采用了基于sugeno推理的模糊pID控制算法，提高了充电器的充电速度，减少了电池损耗，实现了对铅酸蓄电池充电过程的智能化控制。
目前矿用永磁操动机构馈电开关智能控制器采用铅酸蓄电池作为备用电源。传统的铅酸蓄电池充电方法有恒流限压充电和恒压限流充电，但充电效果都不是很理想，一方面这些方法充电时间过长，温升过快。另一方面，充电过程中存在过充和欠充现象。专家研究表明：铅酸蓄电池充电过程对其寿命影响最大，过充电、充电不足以及温升都是引起电池故障的重要原因。
基于以上原因，系统根据蓄电池的充电特性，采用基于sugeno推理的模糊pID控制算法，设计了以atmega16单片机为核心的智能充电器，它能够实时采集电池充电过程中的电流、电压、温度等模拟量，使充电始终在最佳状态下进行，实现了高效、快速、无损的充电过程。
1系统总体结构设计
系统选取ATMEL公司生产的atmega16单片机作为核心控制芯片。总体结构包括：电源模块、充电主电路模块、模拟量检测模块、显示及报警模块和IGBT驱动模块。系统总体结构如图1所示。
图1系统总体结构图
在充电过程中，单片机实时采集电池充电过程中的电流、电压和温度等模拟量，通过其内部的A/D转换器将上述模拟量转化为数字量，并判断电池是否出现过压、过流和过温等故障。若出现故障，单片机立即关断IGBT,并发出声光报警。若检测正常，则采用基于sugeno推理的模糊pID控制算法出现相应占空比的pWM脉冲来控制IGBT开关，通过BUCK电路对电池进行充电。
2系统硬件电路设计
2.1充电主电路设计
充电主电路其实是一个BUCK变换器，BUCK电路属于降压斩波电路。充电主电路如图3所示。IGBT、二极管、电感L1和电容C10构成BUCK电路，220V市电经变压器降压，通过整流桥整流和EMI平滑滤波后，作为直流充电电源。在工作过程中，pWM控制信号的高电平脉冲出现，使IGBT导通，电感L1的电流不断增大，并对电容C10储能，同时对电池充电。此时，续流二极管因反向偏置而截止。pWM信号出现低电平时，IGBT截止，电感L1维持原电流方向，与续流二极管构成充电回路，利用L1和C10中存储的电能向电池充电。
图2充电器实物图
图3充电主电路
2.2模拟量检测模块
2.2.1电压检测电路设计
电压检测电路采用线性光耦HCNR201将噪声信号与单片机系统隔离开来，电压检测电路如图4所示。
图4电压检测电路
在正常充电的过程中，电池端电压Ubat的变化范围是9V-15V,而单片机检测电压的范围是0-5V,所以通过R27和Rw4对电池两端的电压进行分压，通过调节Rw4的阻值来限定运算放大器1的输入电压，使其始终保持在0-5V.电阻R24来控制初级运放输入偏置电流的大小，C20起反馈用途，同时滤除了电路中的毛刺信号，防止HCNR201的发光二极管LED受到意外的冲击。R23可以控制LED的发光强度，从而对控制通道增益起一定用途。运算放大器2和电阻R14将线性光耦HCNR201的输出电流信号转化成输出电压信号送入单片机。
2.2.2电流检测电路设计
充电电流是通过检测充电回路电阻两端的电压，并通过计算其与充电回路电阻的比值得到的。因此电流检测电路与电压检测电路基本相同，差别在于电流充电回路电阻两端电压已经在0-5V范围内，不要电阻分压。
2.2.3温度检测电路设计
温度检测电路如图5所示。选用数字温度传感器DS18B20检测电池温度，紧贴电池安装，当电池温度变化时，DS18B20输出引脚输出相应的信号，单片机将该信号转化为温度显示在液晶屏上。当温度超过设定值时，发出报警信号。
图5温度检测电路
2.3显示及报警模块
显示模块重要是采用北京铭正同创科技有限公司生产的12864LCD液晶显示器。该液晶显示器显示的内容包括：电池充电电流、电压、温度和充电状态等信息。
报警模块的重要功能是当电池在充电过程中发生过压、过流和过温等情况时立即报警，并在12864液晶屏上显示故障原因，同时关断IGBT开关管。
2.4IGBT驱动模块
IGBT的驱动电路如图6所示。为了提高系统的抗干扰能力，采用光耦TLp250作为IGBT的核心驱动芯片。TLp250光耦既保证了功率驱动电路与pWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动IGBT的能力，使驱动电路简单。
图6IGBT驱动电路
3模糊控制设计
采用基于sugeno推理的模糊pID控制算法实现模糊控制器设计，输入量为理想电流与实际电流之差I和I的变化率I/t,模糊控制器输出为以比例、积分、微分控制的充电电流值，该控制算法简化了控制器的结构、提高了抗干扰性和鲁棒性[4-6].模糊控制器的总体结构图如图7所示。
