翟宇毅，靳紹華，劉韻佳，丁仔航

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200444)

0 引言

隨著新能源車(chē)行業(yè)的發(fā)展，消費(fèi)者越來(lái)越了解和接受電動(dòng)車(chē)以及充電的方式，行業(yè)自身也在朝著更好的方向發(fā)展，但是電動(dòng)汽車(chē)充電樁依然存在實(shí)時(shí)電壓電流測(cè)量[1]不準(zhǔn)確等諸多問(wèn)題。根據(jù)國(guó)務(wù)院辦公廳2015年9月29日實(shí)施并印發(fā)的《關(guān)于加快電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》[2]，到2020年，基本建成適度超前、車(chē)樁相隨、智能高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系，滿(mǎn)足超過(guò)500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)的充電需求，按照1∶4的比例，即需要125萬(wàn)充電樁，這高于現(xiàn)有充電樁數(shù)量的4倍。顯然我國(guó)現(xiàn)在還需要大量充電樁投入運(yùn)營(yíng)才能滿(mǎn)足新能源汽車(chē)的充電需求。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員在這方面做了深入的研究，提出基波和諧波的電能表技術(shù)方案，并且已經(jīng)應(yīng)用到了實(shí)際的電能計(jì)量[3]當(dāng)中。但是這種通用的計(jì)量方式在交流充電樁的電能計(jì)量方式中卻無(wú)法適用，因?yàn)橄耠妱?dòng)汽車(chē)這種帶有沖擊性、強(qiáng)時(shí)變性等非線性負(fù)載產(chǎn)生的不平穩(wěn)信號(hào)無(wú)法用諧波模型來(lái)準(zhǔn)確描述。總結(jié)為現(xiàn)有交流充電樁電能計(jì)量中存在運(yùn)算速度慢、計(jì)量不精確等缺陷。

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電樁[4-6]輸入電壓與輸入電流實(shí)時(shí)測(cè)量較難的問(wèn)題，參考相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[7],在硬件上通過(guò)有源濾波電路,設(shè)計(jì)了基于STM32的電壓、電流采樣硬件電路[8]以及數(shù)字濾波算法。通過(guò)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證上述方法在交流充電樁輸入電壓與電流實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)過(guò)程中，能否有效地解決在隨機(jī)擾動(dòng)情況下交流充電樁電壓電流實(shí)時(shí)測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

1 充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 充電樁硬件組成框圖

所研究充電樁是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成的，主控制芯片選擇STM32F103ZET6，這款芯片采用基于ARM-V7結(jié)構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核，可在中斷中嵌套，成本低，功耗低，具有相當(dāng)強(qiáng)的處理能力，適用于電動(dòng)汽車(chē)充電樁控制系統(tǒng)中。其次充電樁要實(shí)現(xiàn)充電控制、電壓電流數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、顯示和通訊等功能，因此，按照功能需求搭載了基于STM32的充電樁電路板，如圖1所示。在充電樁硬件系統(tǒng)上設(shè)計(jì)了電壓電流采樣電路，電源電路和USB通信電路等；軟件上采用ADC采樣算法，數(shù)字濾波算法和計(jì)算電壓電流的均方根求法。

1.1 硬件濾波采樣電路設(shè)計(jì)

首先充電樁電壓電流測(cè)量的硬件電路由濾波電路、采樣電路組成。濾波電路又稱(chēng)為濾波器，是一種選頻電路，能夠使特定頻率范圍的信號(hào)通過(guò)，而使其他頻率的信號(hào)極大衰減即阻止其通過(guò)。

由于實(shí)驗(yàn)輸入的是電壓220 V、頻率50 Hz的交流市電，故選擇一階有源低通濾波電路(如圖2所示)較為符合電壓電流濾波電路的設(shè)計(jì)方向。

圖2 一階有源低通濾波電路

其次STM32F103的ADC多達(dá)18個(gè)通道，選擇外部通道ADC_IN10和ADC_IN11。ADC 的電壓輸入范圍(VREF-，VREF+)，由VREF-、VREF+、VDDA、VSSA這4個(gè)外部引腳決定。由于設(shè)計(jì)原理圖時(shí)把VSSA和VREF-接地，把VREF+和VDDA接3.3 V，得到ADC的輸入電壓范圍為0～3.3 V。為滿(mǎn)足采樣電壓區(qū)間，由經(jīng)驗(yàn)公式以及實(shí)際測(cè)試確定電壓電流采樣電路中有源濾波器電阻R21=51 kΩ、R22=10 kΩ、R31=51 kΩ、R34=18 kΩ。

綜合分析并且對(duì)比以往的一階有源低通濾波電路和ADC采樣電路，結(jié)合上述理論分別設(shè)計(jì)了如圖3和圖4所示的一階電壓電流有源低通濾波采樣電路。

圖3 電流一階有源低通濾波采樣電路

圖4 電壓一階有源低通濾波采樣電路

1.2 輔助電路設(shè)計(jì)

3.3 V采樣電源電路設(shè)計(jì)：最常用的是AMS1117-3.3 V，該芯片采用SOT-23封裝，輸出電壓浮動(dòng)范圍在1%以?xún)?nèi)，完全滿(mǎn)足STM32的供電需求。因此選擇該芯片，電路如圖5所示。

圖5 3.3 V采樣電源電路

USB串口通信電路設(shè)計(jì)：USB串口調(diào)試是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采樣的一種重要軟件工具。硬件方面涉及到了CH340的電路設(shè)計(jì)以及芯片選型，由于CH340芯片通過(guò)USB轉(zhuǎn)換出來(lái)的TTL串口輸出和輸入電壓是根據(jù)芯片供電電壓自適應(yīng)的。因此在實(shí)際使用的時(shí)候，串口連接到的對(duì)端設(shè)備需要注意電壓匹配的問(wèn)題。其中在5 V供電模式下，是可以與3.3 V系統(tǒng)兼容的，反過(guò)來(lái)則不可以，如果CH340是3.3 V供電，那么不可以接5 V系統(tǒng)，會(huì)損壞芯片。

由于STM32主控電路板具有5 V和上述3.3 V電源供電，因此設(shè)計(jì)時(shí)確認(rèn)好對(duì)端串口電平范圍，然后決定CH340工作在3.3 V或者5 V工作模式。在電路設(shè)計(jì)原理上，5 V供電時(shí)芯片V3引腳需要接一個(gè)104電容到地，3.3 V供電時(shí)直接將V3腳與3.3 V電源引腳短接。綜合分析最終設(shè)計(jì)電路如圖6所示。

圖6 USB串口調(diào)試電路

2 數(shù)字濾波及采樣計(jì)算方法

2.1 數(shù)字濾波

在儀表自動(dòng)化工作中,經(jīng)常需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,這些數(shù)據(jù)往往是一個(gè)時(shí)間序列或空間序列,這時(shí)常會(huì)用到數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)采樣是一種通過(guò)間接方法取得事物狀態(tài)的技術(shù),如將事物的溫度、壓力、流量等屬性通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換技術(shù)將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào),然后再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的數(shù)據(jù)。在多次轉(zhuǎn)換中造成采樣數(shù)據(jù)中摻雜少量的噪聲數(shù)據(jù),影響了最終數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了防止噪聲對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的影響,除了采用更加科學(xué)的采樣技術(shù)外,還要采用一些必要的技術(shù)手段對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì),數(shù)字濾波技術(shù)是最基本的處理方法,它可以剔除數(shù)據(jù)中的噪聲,提高數(shù)據(jù)的代表性。

首先為消除或減弱外界干擾，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和可靠性，通過(guò)軟件濾波的方法即數(shù)字濾波算法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?？紤]到采用數(shù)字濾波算法來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的RC濾波，能夠很好地克服模擬濾波器的缺點(diǎn)，其對(duì)于周期干擾有良好的抑制作用，同時(shí)比較節(jié)省RAM空間。因此采用一階低通濾波算法。

一階低通濾波的算法公式為

Y(n)=αX(n)+(1-α)Y(n-1)

(1)

式中：α為濾波系數(shù)；X(n)為本次采樣值；Y(n-1)為上次濾波輸出值；Y(n)為本次濾波輸出值。

一階低通濾波法采用本次采樣值與上次濾波輸出值加權(quán)，得到有效濾波值，使輸出對(duì)輸入有反饋?zhàn)饔谩?/p>

2.2 采樣計(jì)算方法

在使用STM32的ADC進(jìn)行檢測(cè)電壓時(shí)必會(huì)涉及到電壓值的計(jì)算，為更高效率地獲取電壓，采用以下方法。

實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果是當(dāng)前A/D引腳上電壓值相對(duì)于3.3 V和4 096轉(zhuǎn)換成的數(shù)字。假如得到的A/D結(jié)果為Vs個(gè)變量,他們存在關(guān)系為

Vs/V1=4 096/3 300

式中V1為當(dāng)前電壓值，mV。

采樣計(jì)算方法為正弦信號(hào)均方根值求法。

rms=(Vpp/2)/sqrt(2)

(2)

式中：rms為均方根值；Vpp為峰峰值。

實(shí)驗(yàn)算法計(jì)算式：

Vrms={sigma[(Vs-Vdc)2/N]}0.5

(3)

式中：Vrms為有效值；Vs為A/D采樣值；Vdc為直流分量；N為采樣個(gè)數(shù)(實(shí)驗(yàn)中N=10)，也是sigma的次數(shù)；sigma(Vs-Vdc)2為將每個(gè)采樣值減去直流分量之后進(jìn)行平方運(yùn)算。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用基于STM32的交流充電樁電路板。實(shí)驗(yàn)方式為經(jīng)變壓器作為輸入端為電路板提供穩(wěn)定的電壓220 V AC；負(fù)載功率60 W作為輸出端以便檢測(cè)實(shí)時(shí)電流；數(shù)字示波器實(shí)時(shí)監(jiān)控采樣電壓、電流的波形和參數(shù)；計(jì)算機(jī)作為輔助端燒寫(xiě)算法并記錄采樣數(shù)據(jù)。具體參考圖7，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框圖

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

本次實(shí)驗(yàn)分為2部分：

(1)硬件電路的濾波實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證一階有源低通濾波電路可行性，為下一步實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)；

(2)硬件電路結(jié)合數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所提電壓電流測(cè)量方法的可行性。

實(shí)驗(yàn)(1)，經(jīng)示波器得到了硬件濾波前后采樣電壓正弦波形，如圖8、圖9所示。

圖8 硬件電路濾波前電壓波形

圖9 硬件電路濾波后電壓波形

分析實(shí)驗(yàn)(1)波形，硬件電路未加入一階有源低通濾波電路時(shí)，實(shí)驗(yàn)得到的采樣電壓電流正弦波形噪聲異常明顯；當(dāng)硬件電路加入一階有源低通濾波電路后，實(shí)驗(yàn)采樣電壓電流波形去噪效果良好。

實(shí)驗(yàn)(2)，由串口助手軟件輸出數(shù)字濾波前后的采樣電壓數(shù)據(jù)，如表2、表3所示。

表2 數(shù)字濾波前5組采樣電壓數(shù)據(jù)表 mV

表3 數(shù)字濾波后5組采樣電壓數(shù)據(jù)表 mV

最后經(jīng)LabVIEW處理分別得到數(shù)字濾波前后的正弦波形圖，如圖10、圖11所示。

圖10 數(shù)字濾波前電壓波形

圖11 數(shù)字濾波后電壓波形

分析實(shí)驗(yàn)(2)的數(shù)據(jù)及波形，由于外部環(huán)境偶然因素引起突變性擾動(dòng)或充電樁系統(tǒng)內(nèi)部不穩(wěn)定引起誤差等造成干擾，經(jīng)過(guò)硬件電路濾波但未經(jīng)數(shù)字濾波其采樣波形(如圖10所示)存在毛刺，擾動(dòng)幅度大。經(jīng)過(guò)硬件電路和數(shù)字濾波處理后的波形(如圖11所示)達(dá)到了抗干擾的效果，其波形光滑平穩(wěn)，無(wú)毛刺。

總結(jié)實(shí)驗(yàn)(1)和實(shí)驗(yàn)(2)，可以看到設(shè)計(jì)的硬件一階有源低通濾波電路和數(shù)字濾波采樣方法達(dá)到了預(yù)期的效果，證明了其在充電樁電壓電流測(cè)量中可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了如下結(jié)論：設(shè)計(jì)的電壓、電流一階有源低通濾波采樣電路在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣時(shí)降噪明顯，精度較高，可滿(mǎn)足充電樁測(cè)量電壓電流的要求；同時(shí)采用的一階濾波算法和采樣方法可以有效過(guò)濾雜波、剔除毛刺等無(wú)效數(shù)據(jù)。

綜上，本文提出的基于STM32充電樁電壓電流實(shí)時(shí)測(cè)量方法是可行的，能夠?yàn)楝F(xiàn)有充電樁電壓電流的實(shí)時(shí)測(cè)量不準(zhǔn)確問(wèn)題提供一種解決方法。