【MP-PT控制器硬件设计分析案例4100字】

第六章MPPT控制器硬件设计MPPT控制器硬件设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u23280MPPT控制器硬件设计分析案例 1251431MPPT控制器硬件设计 1207791.1MPPT控制器总体设计方案 163081.2MPPT控制器硬件电路设计 1238511.3样机PCB绘制与焊接 7304542MPPT控制器程序设计 1027912.1开发环境 1094182.2主程序设计 10104742.3ADC子程序 11282592.4MPPT子程序 1348312.5定时器中断程序 14182733MPPT控制器样机测试 164873.1Buck变换器测试 16205793.2MPPT测试 171MPPT控制器硬件设计1.1MPPT控制器总体设计方案设计了基于Buck变换器的MPPT控制器系统，其结构如图6-1所示。控制器主要由Buck变换器、驱动电路、采样信号调理电路以及辅助电源组成。图6-1MPPT控制器结构1.2MPPT控制器硬件电路设计1.2.1MPPT控制器功率电路MPPT控制器功率电路如图6-2所示。输入侧PV+和PV-为M3四脚压线端子，用来连接电源的正负极。使用2颗330uF/50V高频低阻电解电容作为输入滤波电容。开关管使用英飞凌BSC070N10NS3G低内阻N沟道功率MOS管，耐压100V，最大导通电流90A，开关频率100kHz，并且使用同步拓扑，Q2管替代了常规Buck变换器中的续流二极管，提高了效率。由于MOS管工作时GS两极之间存在等效电容，添加电阻R1、R2可以放电，防止GS两极被击穿。电感选用150uH大电流贴片电感。输出侧使用3颗22uF/50V高频低阻电解电容作为输出滤波电容，OUT+和OUT-同为M3四脚压线端子，接负载的正负极。RS1和RS2为精密合金采样电阻，阻值0.01Ω，用以采集输入电流和输出电流信号。图6-2功率电路1.2.2半桥驱动电路N沟道MOS管的工作特性是只要门极G与源极S之间的电压UGS大于导通阈值，MOS管就会导通。通常单片机的引脚可以输出5V或者3.3V的电平，按照理论在源极接地的情况下，引脚输出高电平给门极MOS管就会导通，但是如果需要通过PWM信号控制MOS管高速通断，比如20kHz或者更高的频率，则需要一定程度的驱动电流，这种情况单片机的引脚是无法达到要求的，因此需要额外的驱动电路来驱动MOS管。本文使用IR2104STRPBF半桥驱动芯片来驱动Q1、Q2两个MOS管。该芯片可提供10至20V的驱动电压，3.3V、5V以及15V的逻辑控制信号均能接受，上下管互补导通带死区以防同时导通造成短路，接收到关闭信号后上下管均关断。IN为PWM信号输入脚，IN为高电平时HO为高LO为低；IN为低电平时HO为低LO为高。SD为芯片使能信号脚，高电平时芯片工作。VB为高侧浮动电源输入脚，HO为上管门极驱动输出，VS为高侧浮动电源回流脚。VCC为低侧浮动电源输入脚以及电源输入脚，LO为下管门极驱动输出，COM为低侧浮动电源回流脚。该芯片通过二极管D1和电容C6构成了自举泵荷升压电路，工作时，12V电源通过D1给C6充电，当IN输入低电平时，LO与VCC相通，输出接近VCC的高电平，Q2管导通，HO与VS相通，电位被拉至GND，C6上极VB电位很快与VCC接近。当IN输入高电平时，LO与COM相通，Q2管关断，HO与VS断开，和VB相通，VS与GND隔离导致电位升高，由于C6电压不能突变始终保持VCC，导致VB电位也升高，而D1此时恰好阻断C6电荷的回流，利用C6两端的压差，使Q1管导通。当IN输入再次拉低后，VCC又能通过D1重新给C6补充电荷。R3、R4、R5、R6、R7、R8均为限流电阻，PNP三极管Q3、Q4可以加速MOS管的关断，当上管导通时，Q3因发射极和基极等电位关断，当HO输出低电平时，上管门极和源极存在等效电容，Q3发射极为高，基极为低，Q3导通可以加快上管的泄流。图6-3半桥驱动电路1.2.3采样信号调理电路MPPT控制器需要对输入输出进行控制，因此需要对输入输出信号进行采样和调理。电路采用差分放大的方式以抑制DC/DC变换器高频噪声的影响，使用低零偏双通道运放GS8552-SR和高精度电阻搭建了如下差分放大电路以处理输入电压信号。图6-4输入电压信号调理电路对于图中的差分放大电路，电压信号的增益Ku为(6-1)对应电压测量范围0～33V。R16与C19构成RC低通滤波器滤除噪声，开关频率为100kHz，滤波器的截止频率fz取开关频率的1/10，然后可以根据下式计算电阻与电容的取值。(6-2)C15、C16为运放电源的滤波电容，滤除电源噪声以保证运放正常工作。C17滤除运放输入端的噪声。需要注意的是，由于本文使用的主控ADC引脚耐压不能超过3.3V，因此需要在运放的输出端并联一个3.3V的齐纳二极管DZ1。输入电流信号为流过合金采样电阻产生的电压信号，该电压信号非常微弱，需要放大处理，如图6-5所示。图6-5输入电流信号调理电路该差分放大电路的增益Ki为(6-3)对应电流测量范围0～3.3A。对于输出信号的调理与输入信号原理相同，如下图所示，此处不再介绍。图6-6输出信号调理电路1.2.4辅助电源电路MPPT控制器正常运行需要12V、5V以及3.3V电源，供电方式有两种，第一种为光伏电源供电，第二种为蓄电池负载供电。第二种方式往往会因为电池负载缺电导致整个光伏系统陷入瘫痪，所以本文选用第一种方式，如图6-7所示。图6-7辅助电源电路本电路使用了XL7005A、7805、CJA1117B三款电源芯片以提供3种电压。XL7005A为一款高效、宽电压输入的集成DC/DC变换器，输出电压可调，与二极管D2、电感L2构成了一个小型Buck变换器，输出电压可通过下式计算(6-4)7805为三端线性稳压器，负责将XL7005A的输出进一步变换为5V的电压，供运放使用，CJA1117B则将7805的输出变换为3.3V，供主控工作。1.2.5MPPT主控核心本文选用ST公司生产的STM32F407ZGT6作为MPPT控制器的主控核心，如图6-8和6-9所示。STM32F4基于CortexM4内核，相比于其它CortexM3产品，主要新增了硬件FPU单元以及DSP指令集，主频也达到了168Mhz。拥有多达192KB的片内SRAM，加密处理器，真随机数发生器，OTP存储器等，具有更快的模数转换速度，32位定时器，增强的IO复用功能，更快的USART和SPI通信，更低的功耗。图6-8STM32F4最小系统图6-9STM32F4核心板1.3样机PCB绘制与焊接本文使用立创EDA绘制了MPPT控制器样机的PCB文件，如图6-10和6-11所示。立创EDA是一款简单高效的国产PCB设计工具，永久免费，友好，易用，强大，多平台同步，拥有超过百万的免费元器件库。绘制PCB时应注意保证功能和性能指标；满足工艺检测和维修等要求；元器件排列整齐兼顾美观。在布线时要先保证走线畅通，其次尽量满足电路的电气性能，最后布线要整齐划一，不可纵横交错。布完线检查无误后，进行铺铜工作，铺铜是指将线路板上空闲的空间用铜填充，这么做可以降低地的阻抗，提高抗干扰能力，还能提高电源效率。图6-10PCB2D图图6-11PCB3D预览最终使用风枪、电烙铁、焊锡等工具完成了样机的焊接工作，如图6-12和6-13所示。图6-12焊接工具图6-13MPPT控制器样机实物第七章MPPT控制器程序设计2MPPT控制器程序设计2.1开发环境使用KeilMDK-ARM这款微控制器开发工具进行MPPT控制器程序的开发，如图7-1和图7-2所示。KeilMDK-ARM由来自德国的Keil公司开发，使用了一种名为uVision5IDE的集成开发环境，在CortexM内核处理器的开发工具中是最佳的选择。图7-1KEILMDK图7-2开发平台界面2.2主程序设计系统主程序主要进行各个子程序功能的初始化，包括延时函数初始化、LED初始化、OLED显示屏初始化、按键初始化、ADC初始化、定时器初始化和PWM初始化。初始化工作完成后，进入while(1)主循环，在主循环内运行OLED显示程序，将当前电路电压电流参数显示在屏幕上以供观察。主程序流程如图7-3所示。图7-3主程序流程接下来介绍各个子程序的运行流程，注意本文只介绍几个重要的子程序。2.3ADC子程序STM32F4的ADC是12位逐次逼近的模数转换器，可测量16个外部源等多个信号。它总共拥有19个通道，这些通道可以分别以单次、连续、扫描等多个模式运行。ADC最大转换速率2.4MHz，使用PA3、PA4、PA5、PA7作为ADC引脚，分别采样输入输出信号。受限于信号调理电路器件的精度和其它误差等因素，STM32F4模数转换后的数字量与实际电气参数对应的数字量存在偏差，因此需要对模数转换后的数字量进行校正，使其尽量接近实际值，如下图所示。图7-4输入电压校正图7-5输入电流校正图7-6输出电压校正图7-7输出电流校正除了对数字量进行校正外，还需要使用软件滤波算法滤除干扰，保证采样结果的精确。本文使用中位值平均滤波法，原理是连续采样N个数据，进行冒泡排序后去掉最大值与最小值，计算并返回N-2个数据的平均值。ADC子程序的流程如图7-8所示。图7-8ADC子程序流程2.4MPPT子程序基于占空比扰动的自适应变步长电导增量法MPPT的工作原理在4.4中已介绍，运行流程如图7-9所示。图中，mppt-first为MPPT子程序初始化标志，在系统刚开始运行时，用来进行MPPT判断的Uk-1和Ik-1均等于0，所以需要先进行一次初始化处理才能开始MPPT算法的正常运转，采集Uk-1和Ik-1结束后施加一次扰动，将mppt-first标志永久复位，然后才进入MPPT的正常运行流程。图7-9基于占空比扰动的自适应变步长电导增量法2.5定时器中断程序定时器T3负责完成读取ADC、MPPT以及按键扫描这些任务，设置T3每10ms发生一次中断，进行一次按键扫描，每20ms读取一次ADC，每50ms进行一次MPPT控制，流程如图7-10所示，每隔10ms进入中断后，计数count加1，count等于2时代表20ms，count等于5时代表50ms。图7-10定时器中断程序流程八MPPT控制器样机测试3.1Buck变换器测试使用便携示波器DSCopeU2P20测试Buck变换器的设计功能是否合理，测得的波形通过上位机软件DSView显示，如图8-1所示。图8-1DSCopeU2P20示波器及上位机软件图8-2100kHzPWM波形图8-3上下管GS波形图8-4输出电压与电压纹波波形测试结果表明Buck变换器工作正确，可以进一步用来进行MPPT测试。3.2MPPT测试3.2.1模拟电源法使用模拟电源法测试时可以避免不可控因素对实验结果的影响，比如光照强度的随机变化，其缺点是难以体现光伏电池的真实特性。图中，Ui为稳压电源，R0为模拟内阻，Ri为变换器等效输入电阻(虚拟)，RL为变换器后接负载。根据最大功率传输理论，R0=Ri时，电源输出最大功率，此时Ui=2U0。测试时，使用UTP3315TFL-Ⅱ直流稳压电源，开路电压设置30V，模拟内阻20Ω，负载电阻10Ω，如图8-5所示。图8-5模拟电源法原理图8-6模拟电源法测试场景图8-7模拟电源法测试结果经计算，实现MPPT时模拟内阻将分得15V电压，电源将输出0.75A电流。测试结果如图8-7所示，表明样机成功实现了阻抗匹配，跟踪到了最大功率点。3.2.2光伏电池户外实测法使用光伏电池进行户外实测可以反映光伏电池的真实特性，但无法控制光照强度的恒定，而且无法精确判断光伏电池当前的工作点位置和真实MPP。在某日晴天正午12:00进行户外实测，设置一组无MPPT控制器的对照组，观察和记录两组光伏电池输出的变化情况。总共测量了60组数据，如表6所示。图8-8测试场景表6户外实测数据有MPPT控制器无MPPT控制器电压/V电流/A功率/W电压/V功率/W13.570.422.812.6414.5213.630.412.6412.6614.5713.580.422.812.6214.4713.50.443.1412.6314.513.470.453.3112.614.43…………11.440.8513.9712.5214.2511.290.8614.0112.5114.2311.160.8914.3812.5614.3411.090.9114.6412.5814.3815.870.9314.7612.5214.25…………14.