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STM32F103控制器的蓄电池双向电流检测
1 硬件设计
蓄电池组信号采集和处理的工作原理如图1所示。功能上包括独立的两部分:电压检测和电流检测。其中电压检测实现较为简单。系统充放电电流的实时检测选用瑞士LEM公司的LA28-NP电流传感器。
ST公司推出的STM32F103系列控制器采用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核,工作频率为72MHz。该器件内置高速存储器(高达128 KB的闪存和20KB的SRAM),丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设;具有3个通用16位定时器和1个PWM定时器,以及2个I2C和2个SPI、3个USART、1个USB和1个CAN通信接口;工作于-40~+105℃的温度范围,供电电压为2.O~3.6 V,一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。STM32F103系列处理器不但具有高速可靠、资源丰富、工作温度和供电电压范围宽、功耗低、性价比高的特点,而且内部集成双路A/D转换器(16通道,12位精度,1 μs转换时间)。
1.1 电压检测
电压信号量的检测采用双电阻分压模式,取两个合适阻值的电阻串联分压,分压后的电压信号送入STM32F103处理器的A/D转换引脚。本设计中,控制器基准电压采用+2.5 V,故电压信号输入范围须小于或等于2.5 V,即:
其中,Vbat为蓄电池组电压值,实际变化范围为20~28 V,这里Vbat取最大值28 V;R1和R2为分压电阻,均选用精度为1%的金属膜电阻。R1=102 kΩ,R2=10 Ω,R1和R2的串联电阻达到112 kΩ,消耗的电量对装备工作不会产生过大的影响。
1.2 充放电电流双向采样与处理
采用LA28-NP电流传感器对充放电电流进行实时检测。该传感器是利用霍尔原理的闭环(补偿)电流传感器,原边回路和副边回路之间绝缘,可用于测量直交流脉冲和混合型电流,供电电压±15 V。系统中采用1000:5的匝比,原边回路的充放电±5 A电流对应副边回路的额定电流Is,其有效值为±25 mA。在应用中,感应电流Is通过精密电阻Rm,取得电压量V1,电阻Rm的取值取决于A/D转换器对于V2的要求。
LA28-NP的输出电流为双向,即±25 mA的电流信号。在实际工作中,放电时输出最大电流为+25 mA,而充电时,输出最大电流为-25mA,由此而取得的电压信号V1相对于地电平也为相应的正负电压。STM32F103内置的ADC电压输入范围为Vref-≤Vin≤Vref+。本设计中Vref-接模拟地,Vref+接2.5 V基准电压,故ADC输入范围为O~2.5 V。目前存在的问题是:STM32F103采用单3.3 V工作,模拟量输入无法处理反向电压。在传统的方式下,如果电阻Rm基准电平端接入地,充电时V1为负电压,控制器无能为力。针对这个问题,本文设计了图2所示的累加升压、跟随反向信号预处理电路,解决了双向电流的A/D采样问题。
该设计的基本思想是将双向电流的电压变化范围均控制在0~Vref+范围内。这是以牺牲A/D转换精度为代价的。详细过程如下:
①串入电阻Rm=50 Ω,获得模拟量电压输出V1范围为-1.25~+1.25 V。
②利用两门运算放大器构建求和电路,实现V1和+1.25 V基准电压累加,将V1扩展至0~-2.5 V。再做一次反向跟随放大,实现电压反向功能,输出电压V2为0~+2.5 V。
运算放大器选用通用运放LM324,供电电压±15V,和电流传感器LA28-NP采用同一供电电路。
取R3=R4=R5=10 kΩ,Vmid=-(1.25+V1),故Vmid电压范围为O~-2.5 V。
在第二级反相放大电路中可得:
作者:高兵权 肖学福 刘金彪 张扬奇 来源:21IC电子网
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