一种机车蓄电池状态监测与智能控制系统的制作方法

本发明涉及机车蓄电池技术领域，特别涉及一种机车蓄电池状态监测与智能控制系统。

背景技术：

随着冶金行业去产能化进程的推进，冶金行业厂矿的铁路运输部门使用的机车功能越来越复杂，可靠性及可用性要求不断增高，其中机车用蓄电池组是铁路机车的关键性部件之一，传统的蓄电池充放电装置大部分采用可控硅整流，这是一种非线性负荷，会产生频率为工频频率的整数倍的谐波。谐波危害十分严重，它会大大降低电能的生产、传输和利用效率，使电气设备过热、产生振动和噪声，绝缘老化，缩短使用寿命，甚至发生故障或烧毁。此外，在传统的蓄电池产品出厂老化试验过程中和电池使用维护时，大多使用功率电阻、水电阻等能耗型负载充当被试电池产品的负载。这些能耗型负载虽然工作原理简单，价格比较低，但在使用中存在老化试验过程中能量消耗大，测试条件设定调节繁琐，测试数据不准确，测试结果分析时间长等缺点。传统的蓄电池充放电控制装置大部分采用比较低端的控制芯片，如51系列单片机，功能单一，速度慢，在数据处理上具有先天的劣势，在上下位机的系统中，其所支持的通信方式无法满足高速采集系统的要求。但随着随着冶金行业去产能化进程的推进，钢铁企业提高劳动生产效率的要求不断增大，并且伴随着嵌入式技术的发展和数据处理能力的不断提升，对蓄电池充放电控制装置的要求越来越高。因此，需要一种技术方案解决现有问题的不足。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种机车蓄电池状态监测与智能控制系统，基于32位avruc3微控制器为核心和pwm整流逆变技术，通过对蓄电池工作过程中电压和电流的变化进行分析，合理控制蓄电池的充电进程，为蓄电池维护和管理提供了良好的解决方案。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种机车蓄电池状态监测与智能控制系统，由反激式开关电源与avr微控制器单元组成，所述反激式开关电源包括交流输入、emi滤波、ac/dc变换、高频变压器dc/dc变换、直流输出、tl431+ltv817环路补偿、电流模式控制器uc3843、开关功率mos管，所述avr微控制器单元包括充电控制电路pmos管、蓄电池、放电控制电路nmos管、直流负载、端电压检测、温度检测、充电电流检测、32位avruc3微控制器、放电电流检测、按键输入、状态显示、报警提示、can数据通信、pwm驱动器；

所述交流输入、emi滤波、ac/dc变换、高频变压器dc/dc变换、直流输出、充电控制电路pmos管、蓄电池、放电控制电路nmos管、直流负载顺次电性连接，所述直流输出、tl431+ltv817环路补偿、电流模式控制器uc3843、开关功率mos管、高频变压器dc/dc变换顺次电性连接，所述蓄电池分别与端电压检测、温度检测、充电电流检测、放电电流检测电性连接，所述32位avruc3微控制器分别与端电压检测、温度检测、充电电流检测、放电电流检测、按键输入、状态显示、报警提示、can数据通信、pwm驱动器电性连接，所述pwm驱动器分别与充电控制电路pmos管、放电控制电路nmos管电性连接。

所述反激式开关电源将交流输入的交流电转换为低压直流电为蓄电池充电，其具体设计指标如下：工频交流输入ac220(1±20％)v；直流输出18v/10a和10v/0.6；开关频率fs＝65khz，输出功率pout＝180w，工作效率η≥85％，最大占空比dmax＝0.45，电流连续型工作模式ccm；

所述emi滤波可以有效滤除交流输入中的共模与差模干扰，所述ac/dc变换是通过交流输入电路、整流电路和开关器件，将一种交流电压转换成另外一种直流电压的变换器，所述高频变压器dc/dc变换是将ac/dc变换转换成直流电压转变到系统运行要求的值域范围内，此外将对输入功率进行调节和控制，所述直流输出是将经过高频变压器dc/dc变换的直流电转变为两路直流低电压的直流电输出，一路连接tl431+ltv817环路补偿进入环路补偿电路，另一路连接充电控制电路pmos管进入avr微控制器单元；

所述tl431+ltv817环路补偿采用可控精密稳压源tl431与线性光耦ltv817构成外部误差放大器组成的环路补偿，以开关电源的输出误差为反馈信号，调节固定频率电流模式控制器uc3843输出pwm的占空比，实现开关电源稳压输出，所述电流模式控制器uc3843具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、高增益误差放大器、电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动开关功率mos管导通截止的理想器件，保证了系统响应速度的稳定性和快速性。

所述avr微控制器单元采用pwm脉宽调制技术对蓄电池充、放电过程进行统一管理，实现数据采集与处理、蓄电池充放电控制与反接保护电路以及场效应管栅极驱动的功能，所述32位avruc3微控制器选用atuc256l4u的微控制器芯片；

所述蓄电池在工作过程中端电压在10.5v～14.0v之间变化，32位avruc3微控制器ad转换参考电压为5v，因此需要对采样信号进行线性调理，本发明采用阻值为400kω和100kω，精度为1％的电阻进行分压采样，分压系数k＝0.2；

所述蓄电池的端电压检测选用电压互感器pt以及充电电流检测、放电电流检测均选用电流互感器ct检测充电、放电电流数据采集并同步化整合以光纤通信的形式送给32位avruc3微控制器，所述温度检测选用温度传感器pt100电阻来检测蓄电池温度数据采集并同步化整合以光纤通信的形式送给32位avruc3微控制器；

由于电压互感器pt、电流互感器ct、温度传感器的输出存在2.5v直流偏置，为消除偏置电压，减少32位avruc3微控制器转换与计算时间，使用lm358构建差分电路，获取实际的电流转换电压进行ad采样；电路噪声和外界干扰的存在使得ad采样信号中混有各种噪声，为提高采样信号信噪比，本发明采用巴特沃斯低通滤波器设计方法设计了通带截止频率为100hz，阻带截止频率为500hz，输出增益为1的二阶有源低通滤波器对信号进行滤波处理。

为实现高精度采样与矢量计算，所述32位avruc3微控制器采用了直流同步采样技术，以10khz的速率进行采样，同时通过瞬时频率跟踪算法计算实时频率，进而改变采样间隔并进行采样，从而实现直流同步采样；采样信号进入32位avruc3微控制器、并由32位avruc3微控制器在极短周期内完成数据处理，并将数据发送至can数据通信；

所述32位avruc3微控制器采用pwm驱动器方式实现对蓄电池充放电过程的统一管理，根据场效应管的伏安特性可知，在mos管的饱和区，当vgs固定时，vds的变化对ids的影响不大，具有恒流源特性。因此，通过数字pi控制器自适应调整场效应管的栅源电压可以得到设定的恒流输出，实现多段式恒压限流充电管理；

所述蓄电池放电过程中，蓄电池端电压会从13.1v逐渐下降至工作截止电压10.5v，使得蓄电池的输出不稳定，因此，采用pwm脉宽调制的方式对直流负载进行供电，使蓄电池稳定输出；

为防止由于交流电源断开后蓄电池对开关电源电路反向放电，利用二极管的单向导通特性，通过在回路中串接肖特基二极管mbr20100防止蓄电池逆向放电，同时，考虑到蓄电池接入时可能出现反接，造成电路板元件损坏；本发明放电控制电路采用mos管反接保护电路，通过电阻r9和稳压二极管d2提供场效应管的栅源电压；当蓄电池反接时，栅源电压vgs＝0，场效应管截止，充电回路被断开；

所述pwm驱动器选用场效应管栅极驱动ir4427驱动芯片，该芯片具有独立同相双pwm门级驱动控制通道，兼容ttl电平，可直接由32位avruc3微控制器的pwm输出电平控制门级驱动器输出，本发明中通过32位avruc3微控制器的定时器0和定时器1产生两路pwm，分别与ir4427的pwm输入端连接，从而产生直接用于驱动充放电控制回路场效应管的pwm信号；

所述按键输入、状态显示、报警提示是按键输入选用威纶tk6102i的触摸屏，配以各个按键来适应多变的过程控制，实现整个系统的主令控制、信号指示；以及状态显示、报警提示选用液晶显示屏实现整个系统的充放电状态显示、报警指示；

所述can数据通信采用pca82c250芯片，并在控制器与芯片之间加入6n137隔离电路。pca82c250是can协议控制器和物理总线之间的接口，该器件对总线可以提供差动发送能力，并能对can控制器提供差动接收能力，是使用较广泛的can通信收发器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明公开的一种机车蓄电池状态监测与智能控制系统，基于32位avruc3微控制器为核心和pwm整流逆变技术，由反激式开关电源与avr微控制器单元组成，反激式开关电源将交流输入的交流电转换为低压直流电为蓄电池充电，avr微控制器单元采用pwm脉宽调制技术对蓄电池充、放电过程进行统一管理，实现数据采集与处理、蓄电池充放电控制与反接保护电路以及场效应管栅极驱动的功能；通过对蓄电池充电过程中电压、电流温度的变化进行采集、分析、处理，合理控制蓄电池的工作进程，从而保证和提高了蓄电池的循环使用寿命，该系统实时性能良好，运行可靠，为蓄电池维护和管理提供了良好的解决方案。

附图说明

图1是本发明的电力机车车载控制器结构示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种机车蓄电池状态监测与智能控制系统，由反激式开关电源与avr微控制器单元组成，所述反激式开关电源包括交流输入、emi滤波、ac/dc变换、高频变压器dc/dc变换、直流输出、tl431+ltv817环路补偿、电流模式控制器uc3843、开关功率mos管，所述avr微控制器单元包括充电控制电路pmos管、蓄电池、放电控制电路nmos管、直流负载、端电压检测、温度检测、充电电流检测、32位avruc3微控制器、放电电流检测、按键输入、状态显示、报警提示、can数据通信、pwm驱动器；

所述交流输入、emi滤波、ac/dc变换、高频变压器dc/dc变换、直流输出、充电控制电路pmos管、蓄电池、放电控制电路nmos管、直流负载顺次电性连接，所述直流输出、tl431+ltv817环路补偿、电流模式控制器uc3843、开关功率mos管、高频变压器dc/dc变换顺次电性连接，所述蓄电池分别与端电压检测、温度检测、充电电流检测、放电电流检测电性连接，所述32位avruc3微控制器分别与端电压检测、温度检测、充电电流检测、放电电流检测、按键输入、状态显示、报警提示、can数据通信、pwm驱动器电性连接，所述pwm驱动器分别与充电控制电路pmos管、放电控制电路nmos管电性连接。

所述反激式开关电源将交流输入的交流电转换为低压直流电为蓄电池充电，其具体设计指标如下：工频交流输入ac220(1±20％)v；直流输出18v/10a和10v/0.6；开关频率fs＝65khz，输出功率pout＝180w，工作效率η≥85％，最大占空比dmax＝0.45，电流连续型工作模式ccm；

所述emi滤波可以有效滤除交流输入中的共模与差模干扰，所述ac/dc变换是通过交流输入电路、整流电路和开关器件，将一种交流电压转换成另外一种直流电压的变换器，所述高频变压器dc/dc变换是将ac/dc变换转换成直流电压转变到系统运行要求的值域范围内，此外将对输入功率进行调节和控制，所述直流输出是将经过高频变压器dc/dc变换的直流电转变为两路直流低电压的直流电输出，一路连接tl431+ltv817环路补偿进入环路补偿电路，另一路连接充电控制电路pmos管进入avr微控制器单元；

所述tl431+ltv817环路补偿采用可控精密稳压源tl431与线性光耦ltv817构成外部误差放大器组成的环路补偿，以开关电源的输出误差为反馈信号，调节固定频率电流模式控制器uc3843输出pwm的占空比，实现开关电源稳压输出，所述电流模式控制器uc3843具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、高增益误差放大器、电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动开关功率mos管导通截止的理想器件，保证了系统响应速度的稳定性和快速性。

所述avr微控制器单元采用pwm脉宽调制技术对蓄电池充、放电过程进行统一管理，实现数据采集与处理、蓄电池充放电控制与反接保护电路以及场效应管栅极驱动的功能，所述32位avruc3微控制器选用atuc256l4u的微控制器芯片；

所述蓄电池在工作过程中端电压在10.5v～14.0v之间变化，32位avruc3微控制器ad转换参考电压为5v，因此需要对采样信号进行线性调理，本发明采用阻值为400kω和100kω，精度为1％的电阻进行分压采样，分压系数k＝0.2；

所述蓄电池的端电压检测选用电压互感器pt以及充电电流检测、放电电流检测均选用电流互感器ct检测充电、放电电流数据采集并同步化整合以光纤通信的形式送给32位avruc3微控制器，所述温度检测选用温度传感器pt100电阻来检测蓄电池温度数据采集并同步化整合以光纤通信的形式送给32位avruc3微控制器；

由于电压互感器pt、电流互感器ct、温度传感器的输出存在2.5v直流偏置，为消除偏置电压，减少32位avruc3微控制器转换与计算时间，使用lm358构建差分电路，获取实际的电流转换电压进行ad采样；电路噪声和外界干扰的存在使得ad采样信号中混有各种噪声，为提高采样信号信噪比，本发明采用巴特沃斯低通滤波器设计方法设计了通带截止频率为100hz，阻带截止频率为500hz，输出增益为1的二阶有源低通滤波器对信号进行滤波处理。

为实现高精度采样与矢量计算，所述32位avruc3微控制器采用了直流同步采样技术，以10khz的速率进行采样，同时通过瞬时频率跟踪算法计算实时频率，进而改变采样间隔并进行采样，从而实现直流同步采样；采样信号进入32位avruc3微控制器、并由32位avruc3微控制器在极短周期内完成数据处理，并将数据发送至can数据通信；

所述32位avruc3微控制器采用pwm驱动器方式实现对蓄电池充放电过程的统一管理，根据场效应管的伏安特性可知，在mos管的饱和区，当vgs固定时，vds的变化对ids的影响不大，具有恒流源特性。因此，通过数字pi控制器自适应调整场效应管的栅源电压可以得到设定的恒流输出，实现多段式恒压限流充电管理；

所述蓄电池放电过程中，蓄电池端电压会从13.1v逐渐下降至工作截止电压10.5v，使得蓄电池的输出不稳定，因此，采用pwm脉宽调制的方式对直流负载进行供电，使蓄电池稳定输出；

为防止由于交流电源断开后蓄电池对开关电源电路反向放电，利用二极管的单向导通特性，通过在回路中串接肖特基二极管mbr20100防止蓄电池逆向放电，同时，考虑到蓄电池接入时可能出现反接，造成电路板元件损坏；本发明放电控制电路采用mos管反接保护电路，通过电阻r9和稳压二极管d2提供场效应管的栅源电压；当蓄电池反接时，栅源电压vgs＝0，场效应管截止，充电回路被断开；

所述pwm驱动器选用场效应管栅极驱动ir4427驱动芯片，该芯片具有独立同相双pwm门级驱动控制通道，兼容ttl电平，可直接由32位avruc3微控制器的pwm输出电平控制门级驱动器输出，本发明中通过32位avruc3微控制器的定时器0和定时器1产生两路pwm，分别与ir4427的pwm输入端连接，从而产生直接用于驱动充放电控制回路场效应管的pwm信号；

所述按键输入、状态显示、报警提示是按键输入选用威纶tk6102i的触摸屏，配以各个按键来适应多变的过程控制，实现整个系统的主令控制、信号指示；以及状态显示、报警提示选用液晶显示屏实现整个系统的充放电状态显示、报警指示；

所述can数据通信采用pca82c250芯片，并在控制器与芯片之间加入6n137隔离电路。pca82c250是can协议控制器和物理总线之间的接口，该器件对总线可以提供差动发送能力，并能对can控制器提供差动接收能力，是使用较广泛的can通信收发器。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。