西南交通大学硕士研究生学位论文 第I页 国内图书分类号：TM910
西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文
基于ARM的风力发电机智能充电器设计
姓 名 申请学位级别 硕 士 专 业 通信与信息系统 指 导 老 师 教授
二零一一年六月
西南交通大学硕士研究生学位论文 第II页 摘 要
随着新能源技术的空前发展，风力发电技术被提到了一个全新的高度。采用铅酸蓄电池存储电能，作为风力发电机安全运行的重要保障，它位于发电机轮毂中，为发电机工作提供后备电源。本智能充电器配套风力发电机控制系统中，完成对蓄电池的全自动充电。
本课题基于企业实际产品需求，研究和开发了一种专用于风力发电机轮毂中的铅酸蓄电池智能充电器，为风力发电机的控制系统进行设备配套，实际完成了系统硬件电路、控制程序、测试验证的设计工作。
本论文主要对充电器ARM控制板的软硬件设计技术进行阐述。
本充电器采用开关电源技术，基于32位ARM内核控制器的三段式全智能充电。控制器采用意法半导体公司STM32F103RB，它完成对蓄电池和开关电源的电压、电流、温度等8路AD信号的采集，然后进行三段式充电的分析控制，其间进行充电电压和电流的温度补偿控制，进行充电器自身安全工作的监测和控制，进行充电器对外部设备的串行通信控制。充电器实现了工作过程无人值守的全智能化，它能监测电源和温度进行设备自动保护，它能进行设备故障的自我诊断，并把诊断信息发送给发电机的主控设备。控制充电器工作的主要参数都可以进行远程的在线重配置，这样极大地提高了充电器对不同厂家的风力发电机控制系统和铅酸蓄电池的兼容性，增强了充电器对各种自然环境的适应能力。
本论文所涉及的ARM控制板，完成了对温度、电流、电压的监测控制及报警，完成了三段式充电及温度补偿控制，完成了与上位机的通信控制和参数在线配置。各项性能指标完全达到了产品要求。
关键词： 蓄电池；充电器；风力发电机；ARM；STM32
西南交通大学硕士研究生学位论文 第III页 Absract
With the unprecedented development of new energy technology，the wind power technology is brought into a brand-new situation．Using Lead-acid battery to store electric energy, it is an important security of the safe operation of the wind turbine. Locating in the generator hub, it can provide backup power supply for generator. This smart charger, combined with the control system of wind turbine, will charge the battery automatically.
Based on the demand of actual enterprise product, a smart charger that specializes in Lead-acid battery of wind generator hub is developed and supports the control system of wind turbine. Some ralated work are performed, including the hardware circuit, control program, testing and validation.
This thesis mainly elaborates the software and hardware design of ARM board that controls the charger.
Switch power technology is applied to the charger, with running three-gradation charge intelligently based on 32-bits ARM kernel controller. A STM32F103RB, produced by STMicroelectronics, is adopted as controller, which samples the voltage, current and temperature of the battery and the switch power, and analyzes how to control three-gradation charge. Meanwhile, temperature compensation for charging voltage and current, safety monitoring, serial communication between the charger and peripheral equipment are operating. The charger is all-intelligent that detects the power and temperature and protects automatically, diagnoses the problem by itself and transforms to the acquisition equipment of the generator. These main parameter controlling the charger are reconfigurable online, thus improving greatly the compatibility with different wind turbine control system and lead-acid battery, but also enhancing the adaptation to various natural environment.
This thesis presents an ARM control board and implements the monitoring, alarming, temperature compensation, PC communication and parameter configuration. The result shows that all indexes meet requirements of the product.
Keyword: battery，charger，wind turbine，ARM，STM32
西南交通大学硕士研究生学位论文 第IV页 目 录
第1章 绪 论............................................................. 1
1.1 引言 ............................................................. 1 1.2 阀控式铅酸蓄电池基本原理 ......................................... 2 1.3 阀控式铅酸蓄电池充电技术 ......................................... 3
1.3.1阀控式铅酸蓄电池充电的化学反应 .............................. 3 1.3.2阀控式铅酸蓄电池的充电方法 .................................. 3 1.4 风力发电机的蓄电池及充电器 ....................................... 5 第2章 充电器系统分析..................................................... 6
2.1 充电器系统概述 ................................................... 6 2.2 充电器技术指标 ................................................... 7 第3章 充电器控制板电路设计............................................... 9
3.1 充电器控制板功能 ................................................. 9 3.2 控制器 .......................................................... 10 3.3 控制板电路 ...................................................... 11
3.3.1 控制器电路 ................................................. 12 3.3.2 AD采集接口电路 ............................................ 14 3.3.3 PWM控制输出接口电路 ....................................... 18 3.3.4 继电器信息输出接口电路 ..................................... 20 3.3.5 开关电源启动控制电路 ....................................... 21 3.3.6 串行通信电路及协议 ......................................... 22 3.4 控制板电路板设计 ................................................ 27
3.4.1 PROTEL设计技术 ............................................ 27 3.4.2 控制板PCB设计 ............................................. 27 3.5 充电器整机实物 .................................................. 31 3.6 充电器控制板完整电路图 .......................................... 33 第4章 充电器软件设计.................................................... 37
4.1 充电器软件设计平台 .............................................. 37