（电机与电器专业论文）光伏水泵控制系统及最大功率跟踪研究.pdf

i i 摘 要( a b s t r a c t ) a b s t r a c t w a t e ra n de l e c t r i c i t ya r ei m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hd o m i n a t et h ed e v e l o p m e n to fr u r a l a n dr e m o t ed r yr e g i o n si nd e v e l o p i n gc o u n t r i e s s t a t i s t i c a l l y , t h e r ea r ea b u n d a n ts o l a r e n e r g y r e s o u r c e sa v a i l a b l ei nt h o s e r e g i o n s t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n g s o l a rb a s e d t e c h n o l o g i e s ，s u c ha ss o l a rp o w e r e dp u m p i n gs y s t e m st oe x p l o i tg r o u n d w a t e r , w i l lb r i n g e n o r m o u se c o l o g i c a la n de c o n o m i c a lb e n e f i t st ot h e s er e g i o n s t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec o n t r o ls y s t e md e s i g no fas o l a rp o w e r e dw a t e rp u m p ， u s i n gad i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e rd s p 5 6 f 8 0 3 7 ；t h es y s t e mo f f e r si n t e l l i g e n tp r o t e c t i o n f u n c t i o n s t h eh a r d w a r ed e s i g na n dc o n t r o la l g o r i t h mo fas e n s o d e s sb r u s h l e s sd c ( b l d c ) d r i v ea r ep r e s e n t e d b a s e do nt h et o p o l o g yo fd c d ec o n v e r t e r , am o d i f i e d a d a p t i v ep e r t u r b a t i o na n do b s e r v a t i o n ( p & o ) m e t h o di si n t r o d u c e d ，w h i c hr e a l i z e st h e m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) o fas o l a rp a n e l t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i s a r ea sf o l l o w ： 1 、t oi n v e s t i g a t ec o n v e n t i o n a la n da d v a n c e dc o n t r o lm e t h o d so fm p p t t oa n a l y z e a n dc o m p a r et h ed i f f e r e n c eo fs e v e r a lm e t h o d sw h i c hw e r eo f t e nu s e d 2 、t op r o p o s et h ec o n t r o ls c h e m eo ft h es y s t e m ，w h i c hf o c u s e so nr e a l i z a t i o no f m p p ta n db l d cc o m m u t a t i o n 3 、t od e s i g nt h ec i r c u i ta n dt h es o f t w a r eo ft h es o l a rp u m p i n gc o n t r o ls y s t e m i n p a r t i c u l a r , t h ec h o i c eo fc o m p o n e n tp a r a m e t e ro nc i r c u i t ，t h ed e s i g np r o c e d u r e o fap r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) ，p c bc o m p o n e n t sw e l d i n g ，a n dt h ed e b u g g i n g o fs y s t e m 4 、a nt h r e e p h a s ei n v e r t e ri su s e dt od r i v eb r u s h l e s sd cm o t o r , i nw h i c ht h eg a t e d r i v e ri ci r 213 0i su s e d t od e t e c ta n dc o r r e c tt h ez e r o - c r o s s i n go fb a c ke m f , a n dc o n d u c ta n a l y s i sa n dc o m p e n s a t i o nt h er o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o ne r r o ri n s e n s o r l e s sb l d cm o t o r 5 、ae x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ei s i m p l e m e n t e da n dt e s t e d t h e r e s u l to ft h e e x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h es y s t e mc a nc o n t r o lt h es e n s o r l e sb l d cm o t o rt o c o m p l e t et h e e x a c tc o m m u t a t i o n t h ep r o p o s e d s y s t e m w i l l p r e s e n t a s a t i s f a c t o r ys t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e 6 、t oc o n c l u d eo nt h ep r o b l e m so fs p e e dc o n t r o lo fs o l a rw a t e rp u m p i n g ，a n dd e f i n e f u t u r ew o r k k e y w o r d s ：s o l a rw a t e rp u m p i n g ，m p p t , s e n s o r l e s sb l d c ，b a c ke m fd e t e c t i o n 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，木论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 丝戈 签字日期：2 - , o 年岁月厂日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到 o 时，v 小于最大功率点电压；j 、万d p 时，熹 一三，则由上述可知当前的工作电压小于最大功率点电 vd vv 压，则需减小p w m 的占空比，使太阳能电池的输出电压增大，若竺 a 、b相绕 组 v 4 与电源闭合，如图3 2 1 a ，a 、b 相绕组上所加的电压为桥臂电压u 。电机处 于电动工作状态。 在p w m 信号为低电平时，功率管v 4 继续饱和导通，v 1 关断。电流变为v 4 a 、 b 相绕组 v d 2 v 4 ，如图3 2 1 b ，a 、b 相绕组上所加的电压为零。电机处于续流情 况下的电动工作状态。 ( a ) ( b ) 图3 2 1 上桥臂换相逻辑p w m 调制时的电流回路 在不考虑未导通相的影响的情况下，可以确定上桥臂换相逻辑p w m 调制时电 动状态和电动续流状态的等效电路分别如图3 2 2 a 、b 所示，在续流时下桥臂功率管 v 4 一直导通，将绕组公共端电位下拉至零。 图3 2 2 上桥臂换相逻辑p w m 调制时的等效电路 第三相的影响 考虑未导通相的影响时，在换相状态的后3 0 。电角度中，由于c 相感应电动势 为负，在绕组公共端电位u o 的基础上，c 相端电压会低于参考地电压。此时下桥 丛进光伏水泵控制系统及最大功率跟踪研究 臂二极管承受正向电压而导通，c 相感应电动势只能通过v d 6 、b 相绕组及功率管 v 4 放电，形成能耗制动的回路。如图3 2 3 ，其等效电路如图3 2 4 a 所示。 图3 2 3p w - m 调制受第三相影响时的电流回路 随着c 相电流的增加，绕组公共端电位将逐步升高。在接下来的p w m 上升 时刻，c 相电流不能立刻降为零，将依然通过二极管v d 6 续留。p w m 高电平时未 导通相续留回路等效电路如图3 2 4 b 所示。 功率电路中上桥臂换相逻辑p w m 调制时的各相绕组感应电动势及电位波形如 图4 1 6 。 ( a ) p w m j f 拖平时未导通相能耗制动回路( b ) p w m 高电平时未导通相续留回路 图3 2 4p w m 调整时未导通相的等效电路 扬州大学硕士学位论文 nr r 厂 nr v l 一 国 i _ 几几n nn 厂 v 3 一 ( 8 1 几厂 门 几r r v 5 0 3 1 几 丌广 + 渺i 牡 一 k il f 虬_ r 钡 渺几几产 一 ，j yk ii 倒 广1 渺珊呷m 图3 2 5 上桥臂p w m 调制时各项绕组感应电动势及电位波形 分析图3 2 5 可知，在每一个换相状态中，当上桥臂功率管处于关断状态时。存 在细虚线所示的续流回路，此时u 。点电位为零，形成自举电容的充电通路。即在 对上桥臂换相逻辑进行p w m 调制时，自举电容的充放电频率与p w m 频率相同。这 样无论电机是起动还是低速运行时，都可以以较高的频率对自举电容进行充电， 放电持续时间较短，基本不会出现放电电荷不足的情况。因此选择上桥臂功率管 采用自举电路形式驱动时，应该采用上桥臂换相逻辑调制方式。 3 1 5 无刷直流电机的转速控制 为保证系统稳定性，决定将转速反馈采用p i 控制。通过反电势过零点检测，推 算出当前转速，将其与设定值比较，送入p i 调节器，通过调节电机母线电压的占空 比，从而调整转速。具体框图如图3 2 6 所示。 丛进光伏水泵控制系统及最大功率跟踪研究 3 l 图3 2 6 电机转速闭环p t 调节框图 由于采用无位置传感器控制，省去了传统的位置传感器和速度传感器，因此 速度反馈需要通过反电势过零点检测转子位置信息，并加以处理得到。由转速计 算公式： 刀= ( t ( 3 1 2 ) 式中：p 为极对数，本课题使用无刷直流电机p = 5 曰为对应时间间隔的电角 度；a t = ，n 为计数值。 ，j0 无刷直流电机的特性决定，电机的速度由母线电压决定，这就要求调整转速 即是调整p w m 的占空比。在软件编程中，可通过过零点检测、相位补偿等环节， 进行数据处理，计算得出电机转速和需要调整的占空比大小。 3 2扬州大学硕士学位论文 第四章光伏水泵控制系统硬件实现 4 1 光伏水泵控制系统总体结构设计 本伏水泵控制系统主要由d c d c 电路2 、开关电源3 、温度检测电路4 、母线电 压电流检测电路5 、水位打干检测电路6 、主控制单元1 6 、外围电路7 、人机交互接 口( 指示灯及键盘8 、液晶屏1 0 ) 、通讯接n 9 、三相逆变桥1 1 、功率驱动电路1 2 、 缓冲隔离器1 3 、过零比较电路1 4 组成。结构框图如图4 1 所示。 图4 1 光伏水泵控制系统结构框图 外部的太阳能电池板l 输出端分别接开关电源3 、d c d c 电路2 的输入端，开关 电源2 输出端分别接主控制单元6 、缓冲隔离器1 3 、过零比较电路1 4 、母线电压电 流检测电路5 、温度检测电路4 、水位打干检测电路6 ，d c d c 电路2 输出端接三相 逆变桥1 1 的输入端，三相逆变桥1 1 的输出端分别接无刷直流电机1 5 、过零比较电 路1 4 的输入端，主控制单元1 6 的输出端分别接缓冲隔离器1 3 、d c d c 电路2 、通讯 接1 2 1 9 、液晶屏1 0 、指示灯及键盘8 的输入端，缓冲隔离器1 3 的输出端接功率驱动 电路1 2 的输入端，功率驱动电路1 2 的输出端连接三相逆变桥1 1 电路的输入端，过 零比较电路1 4 、母线电压电流检测电路5 、温度检测电路4 、水位打干检测电路6 、 外围电路7 的输出端均接到主控制单元1 6 的输入端。 丛进光伏水泵控制系统及最大功率跟踪研究 3 3 4 2 主控制单元d s p 5 6 f 8 0 3 7 介绍 目前，随着数字化电机控制技术的发展，对电机控制核心c p u 的要求也在不 断提高。飞思卡尔公司为在电机控制系统提供了高性能的数字信号处理器。 飞思卡尔数字信号处理器( d s c ) 是综合了微控制器( m c u ) 和数字信号处 理器( d s p ) 功能的专门处理器，在保留强大的d s p 处理能力同时，具有编程简 单和代码紧奏等优点。5 6 f 8 0 3 7 是基于5 6 8 0 0 e 核心的数字信号控制器( d s c ) 低成本产品系列。凭借灵活的外设接口配置，为多种应用提供了非常经济高效的 解决方案【5 3 1 。它集成了： 6 4 k b 片内非易失性存贮器( f l a s h ) 和8 k b 的高速的随机存贮器( r a m ) 片内闪存加密功能防止未授权读取存贮器的内容 闪存写保护可以防止快闪存贮器的内容被意外地修改 片内闪存可以实现e 2 p r o m 的功能 1 6 通道的高速，高性能p w m ( 达9 6 m h z ) ，2 通道的高精度d a c ( 1 2 位) 2 * 8 通道的高精度a d c ( 1 2 位，1 1 2 5 u s 转换率) 8 个1 6 位的计时器，3 个可编程间隔定时器 高性能，多种组合的串行通讯接口( i i c ，q s c i ，q s p i ，c a n ) 高性能模拟量模块( a d c ，d a c ，模拟比较器) 5 3 路高集成度通用数字i o 口( g p i o ) 片内增强型仿真器( e o n c e ) 提供实时调试功能 4 个3 6 位累加器，1 6 位和3 2 位双向桶形移位器( b a r r e ls h i f t e r ) 配置独特寻址模式的并行操作指令集 硬件循环操作指令( d o l o o p ) 和重复操作指令( r e p ) 3 组内部地址总线，4 组内部数据总线 支持m c u 类型的软件堆栈操作，支持m c u 类型的寻址模式和指令 单周期内同步执行1 6 位x1 6 位乘累加( m a c ) 和存取操作数的操作。 主控制单元以d s p 5 6 f 8 0 3 7 控制芯片为控制核心，负责整个控制系统的控制、 数据的采集和处理、最大功率跟踪算法的实现，以及软件保护等。具体是产生6 路 p w m 波形，控制无刷直流电机的转子切换，由开环控制至闭环控制，并算出转子 位置及当前转速；将温度、电压、电流信号采集后综合分析处理；一路p w m 波形 控制b u c k d c d c 降压电路2 的m o s 开关管q 1 ，实现最大功率跟踪算法；将反电势 过零信号接收后作一定的滞后补偿，调整转子切换时间；处理打干硬件中断等。 d s p 5 6 f 8 0 3 7 及周边电路原理图如图4 2 。 扬州大学硕士学位论文 蒸篷塑 o 0 ”m 0 丌o 1 ”v ( m m w ，h c o h l n m a n 矾潮 抓l 1 a m m n 忡1 i ，1 2 ( i p i ( m a u it b r a o q p l o a 肝a l t i a 2 ( m p a i i a 皤帆u l t 2 a m i 旧i a 协l 删a 1 2 o p i ( h l l q l b c p 8 1 2 硼吼1 2 1 ；l 1 x 1 皿i f a l a p l 0 i 瑚1 1 ，r 2 a m “ l i i b r t a 1 i 删j 4 _ 丛旦堕l 勘g 仲 删0 既吼o 、 研c 写* _ 二矜j m o n 删r r n 【冲m ) q 瞄 - 哼 m g p i ( j i l i 1 1 1 1 【m 卟i ) t 哼) i i ( p l o b l 2 , r o k l g l xt ；h a h 咖” 司声l - - f t h i a 氍x h m 啪i 垃( h p d o o m m 蜊o c i o a i i a 6 a 阿0 0 0 嗍j o h o c n 伽* l o 穰0 c 1 3 帕5 麴熏 蛰熏 图4 2d s p 5 6 f 8 0 3 7 及周边电路原理图 4 3 开关电源设计 开关电源是整个控制系统中的一个较为重要的部分。开关电源不仅给主电路 供电，还要给主控制单元以及其他外围电路供电，其输出电压范围要求较多，故 开关电源性能的高低不仅影响到系统的性能，甚至影响到系统是否能够可靠运行。 本控制器采用高性能电流模式控制器u c 3 8 4 2 。该集成电路具有可微调的振荡 器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、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，是驱动功率m o s f e t 的理想器件。保护特性包括 输入和参考欠压锁定，各带有滞后、逐周电流限制、可编程输出静止时间和单个 脉冲测量锁存1 5 4 。 u c 3 8 4 2 芯片为d i p 8 封装，其结构简化方框图和管脚连接图如图4 3 。 补偿 压反馈 漉取样 r t ：c t 图4 3u c 3 8 4 2 结构简化方框图和管脚连接图 v c e 输t l 地 丛进光伏水泵控制系统及最大功率跟踪研究3 5 利用u c 3 8 4 2 构成开关电源有如下优点： 原边电压的微小波动会立即影响流过电感电流的变化，这不需要经过输 出电压再反馈到误差放大器后进行调节，所以响应速度很快。当发生连续波动 时，电压闭环也起调节作用，可以达到较高的线性调整率( 抗电压波动能力) 。 误差放大器e 从补偿电路简化。由于电感上的电流连续，检测到的电感电流 峰值反映平均电流，整个电路可以看作一个由误差电压控制的电流源，所以，变 换器的幅频特性由双极点变为单极点，因此稳定幅度大、频率响应特性得到改善。 具有瞬时峰值电流限流功能，从电阻黜检测的电流峰值信号能快速参与当 前工作周波的占空比控制，受控的电流在上升到设定值时，会使p w m 波停止输出， 因此具有逐个脉冲限流功能，所以过流限制好。 当7 脚电压大于3 4 v 时，内部稳压管工作并使内部电路在小于3 4 v 下可靠工 作。芯片的开启阈值为1 6 v ，关闭阈值为1 0 v 。开启阈值与关闭阈值之间有6 v 的差 值，可以避免芯片在阈值电压附近工作时震荡。 d 博 图4 4 开关电源原理图 由图4 4 可知，共设有五路电源输出。r 7 2 ，r 7 4 和c 2 0 构成辅助电源启动电路， 当7 脚电压超过1 6 v ，u c 3 8 4 2 开始工作，电路启动。启动后由绕组3 ，d 1 5 ，d 1 6 ， r 7 7 ，r 7 8 ，r 7 9 ，c 4 7 ，c 4 3 和c 4 2 等构成自反馈电路，给u c 3 8 4 2 供电。d 5 ，d 41 ，d 4 2 构 成缓冲电路，用于吸收尖峰电压，防止开关管损坏。 如果电流采样电阻r 9 0 的采样滤波电路的时间常数过大，则电流闭环响应速度 达不到要求，起不到快速响应的效果。所以选用的r 8 7 ，c 5 2 组成滤波电路的时间常 数应远小于u c 3 8 4 2 的振荡频率。u c 3 8 4 2 振荡频率由r 8 6 ，c 51 决定。 扬州大学硕士学位论文 4 3 1 变压器原副边匝数 本课题使用的变压器兼有储能、隔离、限流的作用。磁芯的大小、气隙大小、 原变的匝数的选择相互影响，设计好的变压器是开关电源设计的关键，电源的性 能和功率管的工作状态的优劣很大的程度上取决于变压器的设计。 考虑实际情况，四路的独立电源输出需要自己绕制。通过实际的计算和实验 调试，在振荡频率为5 0 k h z 的前提下，变压器的参数如下： 铁心：e 1 2 0 气隙：0 5 m m 原边匝数：5 8 匝 反馈匝数：3 6 匝 5 v 绕组匝数：1 3 匝 1 5 v 绕组匝数：2 6 匝 4 3 2 变压器的绕制及气隙影响 为了使变压器绕制完成后，漏感很小，通常采用分层绕制，最内层为初级线 圈的一半，并由抽头引出，然后分别绕制次级各绕组，等次级绕组绕制完成后， 再将初级绕组由抽头处继续绕制完。绕制时绕组需要居中绕制。 气隙的大小也同样影响变压器的好坏，在测试自己绕制的变压器过程中，发 现气隙过小容易导致变压器通电后产生蜂鸣。在实际绕制时发现，因绕制的方式 不同，往往产生的效果也会大有不同，这里面很有考究。 4 4d c d c 电路设计 如图4 5 ，电路的输入端直接从外部太阳能电池板接入，所示的d c d c 电路为 b u c k 降压电路，a m o s 开关管q 1 、电感线圈l 1 、二极管d 2 、大电容c 2 组成。太 阳能电池板输出到m o s 开关管q 1 的源极，由主控制单元的一个引脚经过高速光耦 隔离后，连接d c d c 电路中的m o s 管q 1 的漏极，作为控制信号连接。栅极连接电 感线圈l 1 的一端，并与二极管d 2 的负极相连，l 1 另一端接电容c 2 的正极并引出作 为母线电压给逆变桥，d 2 、c 2 的另一端同时与地相连。此电路电感线圈l 1 选择非 常重要。 为避免磁通不平衡的现象，选择没有存储时间的m o s f e t 作为变换器的功率 开关管，m o s f e t 具有导通压降低、开关速度快、易于控制等特点。另外，m o s f e t 的导通压降随温度的升高而增加，当原边一个半绕组承受电流较大，该绕组上的 m o s f t 温度将会更高些，导通压降增加，使得绕组电压下降，从而使这边伏秒数 降低，达到磁通平衡。当然，这种方法只能定性的修正磁通不平衡筘5 1 。 丛进光伏水泵控制系统及最大功率跟踪研究3 7 本系统直流输入电压为4 8 v ，考虑主功率开关管m o s f e t 承受的最大电压应 力，及考虑到变压器漏感引起的电压尖峰，取一至两倍裕量，再参考市场上 m o s f e t 的规格，选用耐压值为2 5 0 v 的m o s f e t 。 1 t l f u s e3 p vf 1t 。f 一2 。士c 2 i 嘲哪j k 0 l m 2l 拈 = c 2 0 p g n dj 图4 5d c e i c 原理图 对于b u c k 降压电路，若要工作在连续导电模式，必须满足连续导电与不连续 导电的临界条件f , z r ( 1 一研2 ，其中z 为开关频率，r 为负载电阻，d 为占空比， l 为滤波电感。 对于l c 滤波而言，负载与滤波电容c 并联，高频状态下电感中大部分谐波电 流都被c 吸收，l 不能选的太小，否则会使电感电流脉动急剧增大，流过开关管的 最大电流也会增加，导致开关管的工作状态恶化。电感l 除了起滤波作用为，还限 制开电流的作用。稳态时，l 决定电感电流脉动，则有三( 配一虬) d ( 玩) ，其 中f 为最大电感电流脉动。 根据输出电压纹波分量配和其他给定的设计数据，电容容量大小需满足如 下公式c v o ( 1 - d ) ( 8 l z 2 a u o ) ；另外b u c k 环节输出电压的控制受其截止频率的 限制，需要有较高的截止频率f = ；综合以上公式的计算与实际调试，分 2 万4 l c 析响应速度，最终电感取值l - - 1 2 m h ，电容取值c - - 5 7 1 t f 。 4 5 功率驱动电路设计 功率驱动电路主要由功率m o s f e t 集成驱动电路i r 2 1 3 0 及外围其他辅助电路 构成【5 6 1 。电路如图4 6 所示。由于内部设有自举式悬浮电路，因此只用一路电源， 并集成了故障检测功能使整个驱动电路简单可靠。它能输出六路驱动信号，任何 一个为逻辑低电平时，相应的输出为高电平。 扬州大学硕士学位论文 悬浮偏压源由自举二极管d 2 6 、d 2 8 、d 2 9 ，自举电容c 2 8 c 3 0 构成。自举电容 值的大小取决于功率m o s f e t 的开关频率及最大开通时间。自举二极管必须能够 阻断此特殊电路的全部反压，自举二极管的电流是功率m o s f e t 栅极电荷乘以开 关频率之积，为减少自举电容反馈到电源电荷量，使用快速恢复的二极管是非常 重要的。本硬件设计选用了快速恢复二极管b y v 2 6 e 。另外使用d c d c 进行自举给 悬浮电源供电，避免了自举电容相应速度慢的缺点，提高了系统的可靠性。 图4 6 功率驱动电路原理图 同时，当主功率电路出现短路、过流故障时，i r 2 1 3 0 应封锁六个输出驱动信 号，这是为保护功率m o s f e t 不被烧坏。主功率母线上串联一取样电阻r 6 3 ( 如图 4 7 ) 在通过分压网络后接至i r 2 1 3 0 的9 脚送至内部的电流检测电路，当电压超过 0 5 v 时，i r 2 1 3 0 的8 脚( 故障输出) 由高电平变为低电平，通过光耦u 1 5 光电隔离后 送入d s p 弓 脚g p i o a 6 ，以封锁功率开关管的六个驱动信号。 4 6 三相逆变桥设计 三相逆变桥由6 个m o s 开关管【5 7 1 、6 个快速恢复二极管构成，行成三路上下桥 臂。q 2 、q 3 、q 4 是上桥臂，q 5 、q 6 、q 7 是下桥臂，6 个快速恢复二极管分别并联 在6 个m o s 开关管上。三个上桥臂m o s 开关管漏极一起连至d c d c 电路输出端正 极，三个下桥臂m o s 开关管的源极一起连至d c d c 电路输出端负极。6 j m o s 开关 管的栅极分别连至功率驱动电路的输出端h g l 、h g 2 、h g 3 、l g l 、l g 2 、l g 3 。 三路上下桥臂的中间分别输出u 、v 、w 三根导线连接无刷直流电机( b l d c m ) ， 从而带动水泵。 丛进光伏水泵控制系统及最大功率跟踪研究 3 9 这里选用的m o s 开关管是i r f l 5 0 ，主要是耐压值比较高；快速恢复二极管仍 选用b y v 2 6 e 型。在硬件p c b $ | j 版时，该部分电路比较难布线，这主要是因为该部 分电路电流较大，同时考虑到散热性能，布线时，整个线路均加宽。并尽量偏于 主控制单元、信号线部分，避免电磁干扰等问题。 图4 7 三相逆变桥原理图 4 7 缓冲隔离器设计 缓冲隔离器由与二l l z f - j s n 7 4 0 4 与高速光耦构成。如图4 8 ，6 路p w m 波形则从主 控制单元d s f 5 6 f 8 0 3 7 输出，接至与非门，增强驱动能力；再连接高速光耦，光电 隔离后送至功率驱动电路。这个电路主要是防止后级电路由于控制错误或者其他 因素导致电流过大、母线正负短接，造成线路、器件烧毁；另外还能防止主控制 单元在控制器启动初始或者复位就直接6 路同时输出高电平，导致母线短路。如图 所示，两路信号通过电路明显有差别，送至上桥臂的信号反了两次，另外则反转 了一次。 6 n d l 图4 8 缓冲隔离器部分原理图 扬州大学硕士学位论文 4 8 母线电流检测电路设计 母线电压电流检测电路分两部分，电压检测电路和电流检测电路；如图4 9 所 示是电流检测电路【5 引，首先是经霍尔电流传感器的第三个端子输出小电流，经电 阻器电压分压，接r 3 3 0 、r 3 3 1 、c 1 2 、c 3 1 2 滤波后接u 6 运放l m 3 5 8 至主控制单元 的另一个a d 采样引脚a n a l 。 经过运放l m 3 5 8 是将信号适当放大，放大倍数为( 1 + 墨：。垦：。) ，因此这两个 电阻阻值需选择恰当，并经最终调试而定。另外d 3 3 稳压管是为了防止送至主控制 单元的信号大于3 3 v 而作的防护措施。霍尔传感器选用的型号为t b c s y s y w 双 环系列闭环霍尔电流传感器，其中相关参数为：额定输入电流：5 a ，测量电流范 围：1 0 a ，匝比：3 ：1 5 0 0 ，内接测量电阻：4 0 0 q 。 图4 ，9 电流检测电路原理图 图4 1 0 所示是母线电压检测电路，本电路选用线性高速光耦n e c 2 5 0 1 ，利用其 特性将母线电压从相对较高的电压降至可测的低电压；在经过运放l m 3 5 8 将信号 送至主控制单元的一个a d 采样引脚a n a 0 ，a d 端口的可测电压为0 3 3 v 。 图4 1 0 母线电压检测电路 以下是对线性高速光耦n e c 2 5 0 1 的测试效果，输入0 3 2 v 其中相关参数： r 7 = 2 2 0 q ，r 4 = 8 k q ，r 11 = 1 0 0 q ，r 8 = i k q ，v 1 输入电压= 3 2 v ，i = 3 8 3 m a 。由图4 1 l 可知n e c 2 5 0 1 在电压较高时的线性度比较好，符合设计要求。 丛进光伏水泵控制系统及最大功率跟踪研究 叠r ：1 。n o _ m 厂_ _ 。7 _ _ 习 t1 一。j ：一一一一? 一1 1 卜_ ：_ ：+ ，r | ；f- 。一一i + ：，二。i 一了一1 ；i 1 。：t ：一l f ：j ；j i 。：i f 丁_ 广z _ 一? i i = 一一1 r j 一_ i 7 _ 一_ ? ：一： ，：y - i ! j 纠；：一i 仁2 ，_ _ i ：一：】 矗露焉高矗爵蕊疆磊i ；舞； 图41 1n e c 2 5 0 1 线性度测试图 4 9 过零比较电路设计 从三相逆变桥输出的u 、v 、w 三根导线还要引接到过零比较电路的输入端， 过零比较电路是对应于无位置传感器无刷直流电机而言。无刷直流电机运用在光 伏水泵系统中，因为其机械特性好、起动转矩大、调速范围宽、控制相对简单， 比起其他类型电机运行效率高。另外系统一般要求电机潜入水中运行，选用无位 置传感器无刷直流电机是光伏水泵系统理想的选择。但无刷直流电机运转时转子 位置的检测则是一个难题，利用反电势过零点检测能很好的解决问题。 过零比较电路主要是由高速、线性光耦，滤波电路，过零比较器等组成。如 图4 1 2 所示，反电势信号经过线性光耦将电压降下，经过一阶滤波电路，再经过隔 直通交电路滤去直流分量送至过量比较器，最终将获得的信号最终送至主控制单 元的外部中斯引脚，以便电机很好的切换。 圈41 2 过零比较电路原理图 另外因为有滤波电路的存在，相应的滞后需要由软件柬补偿。滤波电路f 1 r 9 5 、 r 9 8 、c 5 7 组成低通滤波器，c 5 6 、r 1 9 7 组成高通滤波器；则总的滞后移相角为： 一( 等等 _ 一 去 ， g 扬州大学硕士学位论文 其中= 2 口，= 面p n ，为反电势频率，p 为电机极对数，n 为电机转速 以下是对过零比较电路整体测试波形图41 3 ，图a 为输入信号频率为l k f , 图b 输入信号频率为1 0 k f o 夫于 存图像 n nr 选择 ，一 i文件央 嘏繇 一 关于 。一荐图像 厂、nn nn 要矮 搪存 h m h m 0 t m m 2 一- 1 1r 1 2 r h 。5 0 ) 一n 咐一1 t ；1 4 ( a )( b ) 图41 3 过零比较电路整体测试波形图 4 1 0 水位打干检测电路设计 将检测水位的三根导线连接至水位打干检测电路的输入端，从其输出端连接 至主控制单元的另一个外部中断引脚。具体见图4 1 4 t 5 ”，水位打干检测电路是由 w h 、w l 、c m z 个导线端予检测当前水位的高度，其中所在w h 水位最高，是水 泵停机的水位；w l 水位局中，是水泵开机的水位；c m 为公共端在最底端。w h 接 + 1 5 v 电源，w h 和w l 之间存在一个水位差，构成水位检测的滞环，以免当水位上 下波动时造成电机频繁开关。整个水位打干检测电路由电阻r 1 1 7 、r 1 1 9 、电容c 6 5 、 光耦u 2 5 、u 2 4 运放l m 3 5 8 组成。 图4 1 4 水位打干检测电路原理图 丛进光伏水泵控制系统及最大功率跟踪研究 4 3 将w h 、c m 和w l 三根导线放在水中，如果水位超过w h ，p 3 的1 与2 引脚相当 于接入一电阻，则取样电阻r 1 2 3 上的电压经放大后送与后极电路，与给定电压比 较，输出高电平，此时光耦导通，反馈给主控制单元为高电平。当水位降到w h 以 下时，因光耦己导通，故p 3 的1 与2 引脚仍然通过水的弱导电性导通，r 1 2 3 取样结 果仍然使l m 3 5 8 的1 脚输出高电平，送出信号不变，当水位继续降至w l 以下时， p 3 的l 与2 引脚断开，c m 端的电压变低，使l m 3 5 8 的1 脚输出低，光耦关闭，使并 送出一个低电平表示这时水已打干，需要停机。如果停机后，水位上升到w h 时， 恢复正常。 扬卅| 大学硕士学位论文 第五章光伏水泵控制系统软件设计 5 1 软件开发环境c o d e w a r r i o r 介绍 飞思卡尔为5 6 8 0 0 e 系y ! j d s p 的开发提供了一套完整的、非常便利的软件开发 平台c o d e w a r r i o ri d e 。c o d e w a r r i o ri d e 包括工程管理器、源代码编辑器、分级浏 览器、编译器、链接器、调试器( 可向目标板下载程序以及调试) 等组成。该甲 台采用模块化、结构化地设计思想，具有易读性，易于移植，各功能模块易于扩 展，可以很方便地进行二次开发。 另外该平台还采用处理器专家接口( p e i ) ，功能强大的错误检查系统，将各 个库函数( 包括电机控制库、控制算法库、数据运算和处理库、数字信号处理库等) 以b e a n 的形式直接引用，其库函数是将各种常用的算法和程序封装起来，极大的 方便用户的快速设计，加快项目的完成进度。图51 为软件平台界面。 以下软件设计部分是主程序和部分主要子程序的程序流程框图，并在此软件 开发平台上实现。 x 、t口日 图5ic o d e w a r r i o ri d e 开发平台 5 2 主程序设计 系统软件是实现控制的关键，所有的硬件必须由软件实旅管理、控制，采用 模块化程序设计有助于软件的调试及日后更新。系统软件负责整个控制系统的控 制管理、数据的采集和处理、最大功率跟踪算法的实现，以及软件保护等。 丛进光伏水泵控制系统及最大功率跟踪研究 4 5 主程序，完成实时性要求不高的相关功能。进入程序后，首先对相关变量、 定时器、外部中断、必要数组作初始化工作。然后进入人机接口子程序，此处方 便工作人员对相关系统参数进行设置、合理调整运行参数、方便观察系统状态。 该程序主要实现按键处理、液晶屏刷新显示、系统运行指示等。最后程序进入自 检模式，完成相关参数检测，到达系统基本要求后即可转入正常运行状态。具体 流程图如图5 2 、图5 3 所示。 图5 2 主程序流程框图1 扬州大学硕士学位论文 图5 3 主程序流程框图2 在系统对母线电压、电流进行检测后，将实现无位置传感器无刷直流电机的 开环起动。采用预定位起动方式，在加速环节升频升压进行步进起动，当反电势 足够大，利用过零点判断子程序获取转子位置；在达到时间差值稳定在一定范围 内时，进行同步切换。为了实现最大功率点跟踪，电机正常运行后，对整个系统 丛进光伏水泵控制系统及最大功率跟踪研究 4 7 实行闭环速度控制唧1 。根据m p p t 算法不断调整光伏阵列的输出阻抗，即对d c d c 电路占空比、电机转速的控制实现负载的改变。 5 3 电机起动子程序 本课题采用无位置传感器无刷直流电机带动水泵抽水，由于初始阶段，电机 还未形成足够反电势，这就对电机起动带来一定难度。 电机在起动时，由于反电势为零，因此电枢电流( 起动电流) 为 厶：u - a u ( 5 1 ) n2 ( 5 。1 ) 其中u 是电源电压( v ) ；u 是功率晶体管饱和管压降( v ) 。r a c o 是电枢绕 组的平均电阻( q ) ；电枢电流可为正常工作电枢电流的几倍到十几倍，所以起 动电磁转矩很大，电机可以很快起动，并u 能带负载直接起动。随着转子的加速， 反电势e 增加，电磁转矩降低，加速转矩也减小，最后进入正常工作状态。在空载 起动时，电枢电流和转速的变化如图5 4 所示。 图5 4 电枢电流和转速的变化曲线 为了电机能很好的起动，减少起动电流和电机脉动力矩，课题采用预定位起 动方式步进起动。开始时将逆变桥的某两相导通，控制电流，延时一段时间使转 子转到另一预定位置；电机从静止开始加速，通过软件使定子绕组不同组合导通 时间缩短，即逆变桥两两导通保持时间逐渐缩短，6 拍切换时间变快；另外通过p w m 占空比控制逐渐提高定子绕组外施电压，此时电机在不失步的前提下也逐渐提高， 从而实现升频升压( v f 恒定) 步进方式开环起动【6 1 1 。 当反电势足够大，通过过零比较电路将信号送至主控制单元，程序依靠过零 点判断子程序及滞后补偿子程序，通过计算转换可以获得转子位置信息和下次换 相时间，如果相位差值在误差允许范围内即可同步切换。具体流程框图见图5 5 。 扬州大学硕士学位论文 图5 5 电机起动程序流程框图 5 4 电机转子切换与p w m 调制子程序 本电机运行采用三相六拍式，逆变桥导通方式也即存在6 种导通组合。为了防 止主控制单元在控制器启动初始或者复位就直接同时输出高电平，导致母线短路。 硬件电路做了一定保护措施，送至上桥臂的信号反了两次，另外则反转了一次。 因此在程序设计上有所特别，上管极性均取反，并且上桥臂换相逻辑信号中包含单 丛进光伏水泵控制系统及最大功率跟踪研究 4 9 极性p w m 信号，而下桥臂驱动信号维持不变高电平。由逻辑关系可得表。 表5 1 导通组合及控制字 导通组合p w mo u t 控制字p w mo u t 对应位 lq 2 、q 6 4 4 8 0 81 01 0 1 1 1 l0 00 0 1 0 0 0 2 q 2 、q 7 4 7 8 7 41 01 1 1 0 1 10 00 0 0 0 1 0 3 q 3 、q 7 4 4 8 0 21 01 0 1 1 1 10 00 0 0 0 l o 4 q 3 、q 5 4 8 6 7 21 01 1 1 1 1 00 01 0 0 0 0 0 5 q 4 、q 5 4 8 6 4 81 01 1 1 1 1 00 00 0 1 0 0 0 6 q 4 、q 6 4 7 9 0 41 01 1 1 0 1 10 01 0 0 0 0 0 7通道均关闭4 8 8 9 6 l o1 1 1 1 1 10 00 0 0 0 0 0 对应程序： s w i t c h ( a b c ) 换相程序，a b c = 5 、4 、6 、2 、3 、1 c a s e5 ：上管极性均取反，上管p w m 下管高电平 s e t r e g ( p w m _ o u t , 4 8 6 4 8 ) ；1 011111 00 00 0 1 0 0 0 b r e a k ； c a s e 4 ： s e t r e