基于STM32的無人機動力電池充電器設計

萬 能，張 陽，吳曉春

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司 檢修分公司，安徽 合肥 230601）

0 引 言

無人機動力電池充電器作為無人機動力電池中的主要部件，能夠提供無人機動力電池的工作電量。基于無人機動力電池所需電量大的特點，對無人機動力電池充電器的功率提出了很高的要求[1]。在我國，針對無人機動力電池充電器的設計中，主要包括功率板、三相正弦電路以及內(nèi)核程序3部分。傳統(tǒng)的無人機動力電池充電器在實際應用過程中往往存在自放電率高和能量密度低的問題，在為無人機動力電池充電時充電效率低，無法保證無人機動力電池的續(xù)航能力。因此，優(yōu)化設計無人機動力電池充電器是勢在必行的。結(jié)合對無人機動力電池充電器的發(fā)展趨勢分析，無人機動力電池充電器設計越來越趨于數(shù)字化、智能化、集成化以及網(wǎng)絡化。而STM32的出現(xiàn)為無人機動力電池充電器的優(yōu)化設計提供了新思路。STM32指的是一種單片機型號，具備低能耗和高性能的特點。基于此，本文提出基于STM32的無人機動力電池充電器設計，通過將STM32應用在無人機動力電池充電器設計中，致力于降低無人機動力電池充電器的自放電率，設計出滿足發(fā)展趨勢的新型無人機動力電池充電器。

1 STM32概述

STM32指的是一種單片機型號，內(nèi)含嵌入式M7內(nèi)核，具備低能耗和高性能的特點。STM32能夠通過標準化背板與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的快速集成，合理預計板級模塊之間的互相操作性，更容易實現(xiàn)模塊升級[1]。利用STM32最大集成度的框架結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，可以使各設備更適應惡劣的環(huán)境，并且利用更高性能的接口技術(shù)，可以進一步快速轉(zhuǎn)換和傳輸數(shù)據(jù)參數(shù)，降低連接系統(tǒng)的功耗，支持功能更加強大的處理器連接[2]。STM32以其LQFP100設計理念，能夠在保證最小硬件變化的前提下滿足其功能需求。

2 基于STM32的無人機動力電池充電器設計

2.1 設計功率變換電路

在無人機動力電池充電器設計中，首先設計功率變換電路。該電路作為無人機動力電池充電器中的核心電路具備四開關Buck—Boost，能夠幫助無人機動力電池充電器實現(xiàn)Buck功能。無人機動力電池充電器中的功率變換電路原理如圖1所示。

結(jié)合圖1所示，本文設計的功率變換電路能夠通過1N4148W-7-F施加自舉電容，保證U16關閉時，U17導通，此時利用IRF3205Z自舉電容充電，在U18、U19同時互補導通時，為Buck—Boost提供通路。通過采用均衡保護的方式，在無人機動力電池充滿電時能夠自動斷開U19[3]。在明確功率變換電路原理的基礎上，為提高無人機動力電池充電器中功率變換電路的電流有效值，可通過計算電感最小值的方式將功率變換電路功率最大化。設功率變換電路中電感最小值的表達式為Lmin，則有公式如下：

圖1 功率變換電路原理圖

式中，Iout表示功率變換電路運行過程中產(chǎn)生的紋波電流；Cin指的是自舉電容施加偏壓最大值；R指的是功率變換電路中的電阻值；c指的是功率變換電路中1N4148W-7-F的電容；fout指的是功率變換電路運行過程中的截止頻率；K指的是一階無源低通電路輸出電量。

通過式（1）計算得出功率變換電路中的電感最小值，確定功率變換電路的基本參數(shù)，而后還需要計算功率變換電路中的電感電流峰值。設電感電流峰值的表達式為Ipeak，則有公式：

式中，Iripple指的是功率變 換電路輸出額定電流。

通過式（2）得出電感電流峰值，當Ipeak數(shù)值在5.0～6.5 A，則設定功率變換電路的工作電壓為20 V；當Ipeak數(shù)值在6.5～8.0 A，則設定功率變換電路的工作電壓為30 V[4]。最后，以此作為功率變換電路額定參數(shù)，完成無人機動力電池充電器中功率變換電路的設計。

2.2 設計電壓檢測電路

在設計功率變換電路的基礎上，還需要設計電壓檢測電路，主要用于檢測無人機動力電池充電器中的輸入電壓以及電池電壓。本次設計電壓檢測電路采用等比例縮放的方式，通過在功率變換電路中設置4個20 mΩ的電阻，檢測流經(jīng)電流。本文將其電阻的取值設定為2～150 kΩ[5]。將電阻的搜索空間定義為在2～124.6 kΩ，步長設置為0.2 kΩ。電容選擇損耗較小的優(yōu)質(zhì)電容，將電容的取值設定在大于15 pF，根據(jù)無人機動力電池充電器的截止頻率公式對截止頻率進行計算：

式中，R和R'指的是電壓檢測電 路中的4個阻值；C指的是電壓檢測電路電容。

隨著生豬養(yǎng)殖事業(yè)向集約化、規(guī)模化的方向發(fā)展，對飼養(yǎng)管理人員提出了更高的要求，養(yǎng)豬戶不僅要掌握生豬生產(chǎn)動態(tài)，還需要全面提升科學飼養(yǎng)管理水平，最大程度地減少市場風險。地區(qū)各級政府部門需要強化養(yǎng)豬戶的培訓，確保自產(chǎn)自銷養(yǎng)殖戶能掌握飼養(yǎng)管理技術(shù)，逐步增強自身的防疫意識，全面提升養(yǎng)殖人員的綜合素質(zhì)與專業(yè)技能。確保自產(chǎn)自銷養(yǎng)殖戶精準掌握市場經(jīng)濟脈搏，全面提升自身的養(yǎng)豬技能水平。政府部門可每月制定1次養(yǎng)殖人員培訓，促使養(yǎng)殖人員的專業(yè)技能與綜合素質(zhì)得到全面提升，確保生豬自產(chǎn)自銷防疫工作開展的有序性，全面提升生豬養(yǎng)殖經(jīng)濟效益[4]。

根據(jù)式（3）得出，本文選用的一階無源電壓檢測電路的截止頻率為150 kHz左右。因此，能夠估算得出電容的取值范圍應在15～1024 pF，其步長為15 pF。本文采用將多個子目標以加權(quán)和的形式展現(xiàn)，從而將多目標問題轉(zhuǎn)換為單目標問題。設無人機動力電池充電器的自適應函數(shù)為x，則有公式：

式中，s指的是自變量；e指的是采樣頻率；p指的是常數(shù)，通常情況下為1，主要目的是為防止自適應函數(shù)的分母為0。

通過式（2），在理想無人機動力電池充電器的條件下，其最大數(shù)值為30 000，以此為無人機動力電池充電器中電壓檢測電路的性能指標。

2.3 采用STM32高速集成充電指令處理

在完成無人機動力電池充電器中電路部分設計后， 利用STM32強大的數(shù)據(jù)處理功能，將ARM Cortex-M內(nèi)核單片機采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過STM32執(zhí)行快速且復雜的處理，再由USB接口傳輸?shù)缴衔粰C中進行后續(xù)的處理，進而讀取無人機動力電池充電器充電參數(shù)[6,7]。圖2為采用STM32高速集成充電指令處理結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 采用STM32高速集成充電指令處理結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)圖2可知，基于STM32的高速集成充電指令 處理需要完成對32個通道的中頻信號采樣、數(shù)字波束預合成、合成以及數(shù)據(jù)記錄等功能。主控制模板用于完成處理數(shù)據(jù)的初始化、交換網(wǎng)絡動態(tài)管理以及對外接口等功能，獲得幀記錄數(shù)據(jù)。由ARM Cortex-M 32位微控制器完成32通道的數(shù)據(jù)傳輸模擬信號的采樣和數(shù)據(jù)的預處理[3]。處理模塊為3個，利用處理模塊上的各個算法實現(xiàn)對兩個通道中32路信號的預合成，并完成對數(shù)據(jù)的校正，將數(shù)據(jù)跳轉(zhuǎn)到0。模塊與模塊之間的數(shù)據(jù)通信采用串行總線，本文選用RapidIO 2.2規(guī)范，設置單通道的速率為8.25 Gb/s，記錄無人機動力電池充電器充電參數(shù)。

2.4 實現(xiàn)無人機動力電池充電器充電

以STM32高速集成充電指令處理后的充電參數(shù)為 依據(jù)，采用電池探測算法，確定無人機動力電池電壓預充門限[8,9]。本文針對無人機動力電池充電器充電運行特點，通過建立隸屬度函數(shù)，計算無人機動力電池電壓預充門限。設無人機動力電池電壓預充門限為z，可得公式：

通過式（5），得出無人機動力電池電壓預充門限。在保證無人機動力電池充電器充電電壓在預充門限范圍內(nèi)，執(zhí)行無人機動力電池充電器充電，此過程需要定時預充電[10]。設預充電定時的目標函數(shù)為n，則有公式：

式中，i指的是無人機動力電池充電器給定轉(zhuǎn)速；e指的是無人機動力電 池充電器額定功率。

通過式（6），得出預充電定時時間。設定預充電定時，當定時時間到時自動停止無人機動力電池充電器充電，保證無人機動力電池充電器充電自放電率達到最小，以此實現(xiàn)無人機動力電池充電器充電，完成基于STM32的無人機動力電池充電器設計。

3 實例分析

3.1 實驗準備

本次實例分析，采用硬件設施為型號為TYR3583589的上位機，實驗 環(huán)境包括：虛擬主機資源數(shù)量為500；物理主機地理距離為30；主機更新常量為0.1；網(wǎng)絡權(quán)重系數(shù)為0.2。本次實例分析中設置的實驗測試指標為無人機動力電池充電器的自放電率，自放電率越高證明無人機動力電池充電器的荷電保持能力越差。基于STM32設計無人機動力電池充電器，通過USBPACK 2.0軟件測試無人機動力電池充電器的自放電率，記錄實驗結(jié)果，設置為實驗組，再采用傳統(tǒng)方法設計無人機動力電池充電器，同樣通過USBPACK 2.0軟件測試無人機動力電池充電器的自放電率，記錄實驗結(jié)果，設置為對照組。

3.2 實驗結(jié)果與分析

整理實驗數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 自放電率對比圖

通過圖3可知， 本文設計的無人機動力電池充電器自放電率明顯低于對照組，荷 電保持能力更強，具有現(xiàn)實應用價值。

4 結(jié) 論

通過基于STM32的無人機動力電池充電器設計研究，取得了一定的研 究成果，解決傳統(tǒng)無人機動力電池充電器中存在的不足具有現(xiàn)實意義，能夠指導無人機動力電池充電器的優(yōu)化。在后期的發(fā)展中，應加大本文設計無人機動力電池充電器在無人機動力電池充電中的應用力度。但由于目前國內(nèi)外針對基于STM32的無人機動力電池充電器設計研究仍存在一些問題，因此在日后還需要進一步深入研究無人機動力電池充電器的優(yōu)化設計，從而提高無人機動力電池充電器的綜合性能。