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 揚州大學學位論文原創(chuàng)性聲明和版權使用授權書 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的學位論文是在導師指導下獨立進行研究工作所取得的研 究成果。除文中已經(jīng)標明引用的內(nèi)容外，木論文不包含其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表 的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 本聲明的法律結果由本人承擔。 學位論文作者簽名： 絲戈 簽字日期：2 - , o 年歲月廠日 學位論文版權使用授權書 本人完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留并向 國家有關部門或機構送交學位論文的復印件和電子文檔，允許論文被查閱和借閱。 本人授權揚州大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索， 可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。同時授權中國科學 技術信息研究所將本學位論文收錄到 o 時，v 小于最大功率點電壓；j 、萬d p 時，熹 一三，則由上述可知當前的工作電壓小于最大功率點電 vd vv 壓，則需減小p w m 的占空比，使太陽能電池的輸出電壓增大，若竺 a 、b相繞 組 v 4 與電源閉合，如圖3 2 1 a ，a 、b 相繞組上所加的電壓為橋臂電壓u 。電機處 于電動工作狀態(tài)。 在p w m 信號為低電平時，功率管v 4 繼續(xù)飽和導通，v 1 關斷。電流變?yōu)関 4 a 、 b 相繞組 v d 2 v 4 ，如圖3 2 1 b ，a 、b 相繞組上所加的電壓為零。電機處于續(xù)流情 況下的電動工作狀態(tài)。 ( a ) ( b ) 圖3 2 1 上橋臂換相邏輯p w m 調(diào)制時的電流回路 在不考慮未導通相的影響的情況下，可以確定上橋臂換相邏輯p w m 調(diào)制時電 動狀態(tài)和電動續(xù)流狀態(tài)的等效電路分別如圖3 2 2 a 、b 所示，在續(xù)流時下橋臂功率管 v 4 一直導通，將繞組公共端電位下拉至零。 圖3 2 2 上橋臂換相邏輯p w m 調(diào)制時的等效電路 第三相的影響 考慮未導通相的影響時，在換相狀態(tài)的后3 0 。電角度中，由于c 相感應電動勢 為負，在繞組公共端電位u o 的基礎上，c 相端電壓會低于參考地電壓。此時下橋 叢進光伏水泵控制系統(tǒng)及最大功率跟蹤研究 臂二極管承受正向電壓而導通，c 相感應電動勢只能通過v d 6 、b 相繞組及功率管 v 4 放電，形成能耗制動的回路。如圖3 2 3 ，其等效電路如圖3 2 4 a 所示。 圖3 2 3p w - m 調(diào)制受第三相影響時的電流回路 隨著c 相電流的增加，繞組公共端電位將逐步升高。在接下來的p w m 上升 時刻，c 相電流不能立刻降為零，將依然通過二極管v d 6 續(xù)留。p w m 高電平時未 導通相續(xù)留回路等效電路如圖3 2 4 b 所示。 功率電路中上橋臂換相邏輯p w m 調(diào)制時的各相繞組感應電動勢及電位波形如 圖4 1 6 。 ( a ) p w m j f 拖平時未導通相能耗制動回路( b ) p w m 高電平時未導通相續(xù)留回路 圖3 2 4p w m 調(diào)整時未導通相的等效電路 揚州大學碩士學位論文 nr r 廠 nr v l 一 國 i _ 幾幾n nn 廠 v 3 一 ( 8 1 幾廠 門 幾r r v 5 0 3 1 幾 丌廣 + 渺i 牡 一 k il f 虬_ r 鋇 渺幾幾產(chǎn) 一 ，j yk ii 倒 廣1 渺珊呷m 圖3 2 5 上橋臂p w m 調(diào)制時各項繞組感應電動勢及電位波形 分析圖3 2 5 可知，在每一個換相狀態(tài)中，當上橋臂功率管處于關斷狀態(tài)時。存 在細虛線所示的續(xù)流回路，此時u 。點電位為零，形成自舉電容的充電通路。即在 對上橋臂換相邏輯進行p w m 調(diào)制時，自舉電容的充放電頻率與p w m 頻率相同。這 樣無論電機是起動還是低速運行時，都可以以較高的頻率對自舉電容進行充電， 放電持續(xù)時間較短，基本不會出現(xiàn)放電電荷不足的情況。因此選擇上橋臂功率管 采用自舉電路形式驅(qū)動時，應該采用上橋臂換相邏輯調(diào)制方式。 3 1 5 無刷直流電機的轉(zhuǎn)速控制 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，決定將轉(zhuǎn)速反饋采用p i 控制。通過反電勢過零點檢測，推 算出當前轉(zhuǎn)速，將其與設定值比較，送入p i 調(diào)節(jié)器，通過調(diào)節(jié)電機母線電壓的占空 比，從而調(diào)整轉(zhuǎn)速。具體框圖如圖3 2 6 所示。 叢進光伏水泵控制系統(tǒng)及最大功率跟蹤研究 3 l 圖3 2 6 電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)p t 調(diào)節(jié)框圖 由于采用無位置傳感器控制，省去了傳統(tǒng)的位置傳感器和速度傳感器，因此 速度反饋需要通過反電勢過零點檢測轉(zhuǎn)子位置信息，并加以處理得到。由轉(zhuǎn)速計 算公式： 刀= ( t ( 3 1 2 ) 式中：p 為極對數(shù)，本課題使用無刷直流電機p = 5 曰為對應時間間隔的電角 度；a t = ，n 為計數(shù)值。 ，j0 無刷直流電機的特性決定，電機的速度由母線電壓決定，這就要求調(diào)整轉(zhuǎn)速 即是調(diào)整p w m 的占空比。在軟件編程中，可通過過零點檢測、相位補償?shù)拳h(huán)節(jié)， 進行數(shù)據(jù)處理，計算得出電機轉(zhuǎn)速和需要調(diào)整的占空比大小。 3 2揚州大學碩士學位論文 第四章光伏水泵控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 4 1 光伏水泵控制系統(tǒng)總體結構設計 本伏水泵控制系統(tǒng)主要由d c d c 電路2 、開關電源3 、溫度檢測電路4 、母線電 壓電流檢測電路5 、水位打干檢測電路6 、主控制單元1 6 、外圍電路7 、人機交互接 口( 指示燈及鍵盤8 、液晶屏1 0 ) 、通訊接n 9 、三相逆變橋1 1 、功率驅(qū)動電路1 2 、 緩沖隔離器1 3 、過零比較電路1 4 組成。結構框圖如圖4 1 所示。 圖4 1 光伏水泵控制系統(tǒng)結構框圖 外部的太陽能電池板l 輸出端分別接開關電源3 、d c d c 電路2 的輸入端，開關 電源2 輸出端分別接主控制單元6 、緩沖隔離器1 3 、過零比較電路1 4 、母線電壓電 流檢測電路5 、溫度檢測電路4 、水位打干檢測電路6 ，d c d c 電路2 輸出端接三相 逆變橋1 1 的輸入端，三相逆變橋1 1 的輸出端分別接無刷直流電機1 5 、過零比較電 路1 4 的輸入端，主控制單元1 6 的輸出端分別接緩沖隔離器1 3 、d c d c 電路2 、通訊 接1 2 1 9 、液晶屏1 0 、指示燈及鍵盤8 的輸入端，緩沖隔離器1 3 的輸出端接功率驅(qū)動 電路1 2 的輸入端，功率驅(qū)動電路1 2 的輸出端連接三相逆變橋1 1 電路的輸入端，過 零比較電路1 4 、母線電壓電流檢測電路5 、溫度檢測電路4 、水位打干檢測電路6 、 外圍電路7 的輸出端均接到主控制單元1 6 的輸入端。 叢進光伏水泵控制系統(tǒng)及最大功率跟蹤研究 3 3 4 2 主控制單元d s p 5 6 f 8 0 3 7 介紹 目前，隨著數(shù)字化電機控制技術的發(fā)展，對電機控制核心c p u 的要求也在不 斷提高。飛思卡爾公司為在電機控制系統(tǒng)提供了高性能的數(shù)字信號處理器。 飛思卡爾數(shù)字信號處理器( d s c ) 是綜合了微控制器( m c u ) 和數(shù)字信號處 理器( d s p ) 功能的專門處理器，在保留強大的d s p 處理能力同時，具有編程簡 單和代碼緊奏等優(yōu)點。5 6 f 8 0 3 7 是基于5 6 8 0 0 e 核心的數(shù)字信號控制器( d s c ) 低成本產(chǎn)品系列。憑借靈活的外設接口配置，為多種應用提供了非常經(jīng)濟高效的 解決方案【5 3 1 。它集成了： 6 4 k b 片內(nèi)非易失性存貯器( f l a s h ) 和8 k b 的高速的隨機存貯器( r a m ) 片內(nèi)閃存加密功能防止未授權讀取存貯器的內(nèi)容 閃存寫保護可以防止快閃存貯器的內(nèi)容被意外地修改 片內(nèi)閃存可以實現(xiàn)e 2 p r o m 的功能 1 6 通道的高速，高性能p w m ( 達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 轉(zhuǎn)換率) 8 個1 6 位的計時器，3 個可編程間隔定時器 高性能，多種組合的串行通訊接口( i i c ，q s c i ，q s p i ，c a n ) 高性能模擬量模塊( a d c ，d a c ，模擬比較器) 5 3 路高集成度通用數(shù)字i o 口( g p i o ) 片內(nèi)增強型仿真器( e o n c e ) 提供實時調(diào)試功能 4 個3 6 位累加器，1 6 位和3 2 位雙向桶形移位器( b a r r e ls h i f t e r ) 配置獨特尋址模式的并行操作指令集 硬件循環(huán)操作指令( d o l o o p ) 和重復操作指令( r e p ) 3 組內(nèi)部地址總線，4 組內(nèi)部數(shù)據(jù)總線 支持m c u 類型的軟件堆棧操作，支持m c u 類型的尋址模式和指令 單周期內(nèi)同步執(zhí)行1 6 位x1 6 位乘累加( m a c ) 和存取操作數(shù)的操作。 主控制單元以d s p 5 6 f 8 0 3 7 控制芯片為控制核心，負責整個控制系統(tǒng)的控制、 數(shù)據(jù)的采集和處理、最大功率跟蹤算法的實現(xiàn)，以及軟件保護等。具體是產(chǎn)生6 路 p w m 波形，控制無刷直流電機的轉(zhuǎn)子切換，由開環(huán)控制至閉環(huán)控制，并算出轉(zhuǎn)子 位置及當前轉(zhuǎn)速；將溫度、電壓、電流信號采集后綜合分析處理；一路p w m 波形 控制b u c k d c d c 降壓電路2 的m o s 開關管q 1 ，實現(xiàn)最大功率跟蹤算法；將反電勢 過零信號接收后作一定的滯后補償，調(diào)整轉(zhuǎn)子切換時間；處理打干硬件中斷等。 d s p 5 6 f 8 0 3 7 及周邊電路原理圖如圖4 2 。 揚州大學碩士學位論文 蒸篷塑 o 0 ”m 0 丌o 1 ”v ( m m w ，h c o h l n m a n 礬潮 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 舊i a 協(xié)l 刪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 刪j 4 _ 叢旦墮l 勘g 仲 刪0 既吼o 、 研c 寫* _ 二矜j m o n 刪r r n 【沖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” 司聲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 蟄熏 圖4 2d s p 5 6 f 8 0 3 7 及周邊電路原理圖 4 3 開關電源設計 開關電源是整個控制系統(tǒng)中的一個較為重要的部分。開關電源不僅給主電路 供電，還要給主控制單元以及其他外圍電路供電，其輸出電壓范圍要求較多，故 開關電源性能的高低不僅影響到系統(tǒng)的性能，甚至影響到系統(tǒng)是否能夠可靠運行。 本控制器采用高性能電流模式控制器u c 3 8 4 2 。該集成電路具有可微調(diào)的振蕩 器、能進行精確的占空比控制、溫度補償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器。電流取樣 比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動功率m o s f e t 的理想器件。保護特性包括 輸入和參考欠壓鎖定，各帶有滯后、逐周電流限制、可編程輸出靜止時間和單個 脈沖測量鎖存1 5 4 。 u c 3 8 4 2 芯片為d i p 8 封裝，其結構簡化方框圖和管腳連接圖如圖4 3 。 補償 壓反饋 漉取樣 r t ：c t 圖4 3u c 3 8 4 2 結構簡化方框圖和管腳連接圖 v c e 輸t l 地 叢進光伏水泵控制系統(tǒng)及最大功率跟蹤研究3 5 利用u c 3 8 4 2 構成開關電源有如下優(yōu)點： 原邊電壓的微小波動會立即影響流過電感電流的變化，這不需要經(jīng)過輸 出電壓再反饋到誤差放大器后進行調(diào)節(jié)，所以響應速度很快。當發(fā)生連續(xù)波動 時，電壓閉環(huán)也起調(diào)節(jié)作用，可以達到較高的線性調(diào)整率( 抗電壓波動能力) 。 誤差放大器e 從補償電路簡化。由于電感上的電流連續(xù)，檢測到的電感電流 峰值反映平均電流，整個電路可以看作一個由誤差電壓控制的電流源，所以，變 換器的幅頻特性由雙極點變?yōu)閱螛O點，因此穩(wěn)定幅度大、頻率響應特性得到改善。 具有瞬時峰值電流限流功能，從電阻黜檢測的電流峰值信號能快速參與當 前工作周波的占空比控制，受控的電流在上升到設定值時，會使p w m 波停止輸出， 因此具有逐個脈沖限流功能，所以過流限制好。 當7 腳電壓大于3 4 v 時，內(nèi)部穩(wěn)壓管工作并使內(nèi)部電路在小于3 4 v 下可靠工 作。芯片的開啟閾值為1 6 v ，關閉閾值為1 0 v 。開啟閾值與關閉閾值之間有6 v 的差 值，可以避免芯片在閾值電壓附近工作時震蕩。 d 博 圖4 4 開關電源原理圖 由圖4 4 可知，共設有五路電源輸出。r 7 2 ，r 7 4 和c 2 0 構成輔助電源啟動電路， 當7 腳電壓超過1 6 v ，u c 3 8 4 2 開始工作，電路啟動。啟動后由繞組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 等構成自反饋電路，給u c 3 8 4 2 供電。d 5 ，d 41 ，d 4 2 構 成緩沖電路，用于吸收尖峰電壓，防止開關管損壞。 如果電流采樣電阻r 9 0 的采樣濾波電路的時間常數(shù)過大，則電流閉環(huán)響應速度 達不到要求，起不到快速響應的效果。所以選用的r 8 7 ，c 5 2 組成濾波電路的時間常 數(shù)應遠小于u c 3 8 4 2 的振蕩頻率。u c 3 8 4 2 振蕩頻率由r 8 6 ，c 51 決定。 揚州大學碩士學位論文 4 3 1 變壓器原副邊匝數(shù) 本課題使用的變壓器兼有儲能、隔離、限流的作用。磁芯的大小、氣隙大小、 原變的匝數(shù)的選擇相互影響，設計好的變壓器是開關電源設計的關鍵，電源的性 能和功率管的工作狀態(tài)的優(yōu)劣很大的程度上取決于變壓器的設計。 考慮實際情況，四路的獨立電源輸出需要自己繞制。通過實際的計算和實驗 調(diào)試，在振蕩頻率為5 0 k h z 的前提下，變壓器的參數(shù)如下： 鐵心：e 1 2 0 氣隙：0 5 m m 原邊匝數(shù)：5 8 匝 反饋匝數(shù)：3 6 匝 5 v 繞組匝數(shù)：1 3 匝 1 5 v 繞組匝數(shù)：2 6 匝 4 3 2 變壓器的繞制及氣隙影響 為了使變壓器繞制完成后，漏感很小，通常采用分層繞制，最內(nèi)層為初級線 圈的一半，并由抽頭引出，然后分別繞制次級各繞組，等次級繞組繞制完成后， 再將初級繞組由抽頭處繼續(xù)繞制完。繞制時繞組需要居中繞制。 氣隙的大小也同樣影響變壓器的好壞，在測試自己繞制的變壓器過程中，發(fā) 現(xiàn)氣隙過小容易導致變壓器通電后產(chǎn)生蜂鳴。在實際繞制時發(fā)現(xiàn)，因繞制的方式 不同，往往產(chǎn)生的效果也會大有不同，這里面很有考究。 4 4d c d c 電路設計 如圖4 5 ，電路的輸入端直接從外部太陽能電池板接入，所示的d c d c 電路為 b u c k 降壓電路，a m o s 開關管q 1 、電感線圈l 1 、二極管d 2 、大電容c 2 組成。太 陽能電池板輸出到m o s 開關管q 1 的源極，由主控制單元的一個引腳經(jīng)過高速光耦 隔離后，連接d c d c 電路中的m o s 管q 1 的漏極，作為控制信號連接。柵極連接電 感線圈l 1 的一端，并與二極管d 2 的負極相連，l 1 另一端接電容c 2 的正極并引出作 為母線電壓給逆變橋，d 2 、c 2 的另一端同時與地相連。此電路電感線圈l 1 選擇非 常重要。 為避免磁通不平衡的現(xiàn)象，選擇沒有存儲時間的m o s f e t 作為變換器的功率 開關管，m o s f e t 具有導通壓降低、開關速度快、易于控制等特點。另外，m o s f e t 的導通壓降隨溫度的升高而增加，當原邊一個半繞組承受電流較大，該繞組上的 m o s f t 溫度將會更高些，導通壓降增加，使得繞組電壓下降，從而使這邊伏秒數(shù) 降低，達到磁通平衡。當然，這種方法只能定性的修正磁通不平衡筘5 1 。 叢進光伏水泵控制系統(tǒng)及最大功率跟蹤研究3 7 本系統(tǒng)直流輸入電壓為4 8 v ，考慮主功率開關管m o s f e t 承受的最大電壓應 力，及考慮到變壓器漏感引起的電壓尖峰，取一至兩倍裕量，再參考市場上 m o s f e t 的規(guī)格，選用耐壓值為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 圖4 5d c e i c 原理圖 對于b u c k 降壓電路，若要工作在連續(xù)導電模式，必須滿足連續(xù)導電與不連續(xù) 導電的臨界條件f , z r ( 1 一研2 ，其中z 為開關頻率，r 為負載電阻，d 為占空比， l 為濾波電感。 對于l c 濾波而言，負載與濾波電容c 并聯(lián)，高頻狀態(tài)下電感中大部分諧波電 流都被c 吸收，l 不能選的太小，否則會使電感電流脈動急劇增大，流過開關管的 最大電流也會增加，導致開關管的工作狀態(tài)惡化。電感l(wèi) 除了起濾波作用為，還限 制開電流的作用。穩(wěn)態(tài)時，l 決定電感電流脈動，則有三( 配一虬) d ( 玩) ，其 中f 為最大電感電流脈動。 根據(jù)輸出電壓紋波分量配和其他給定的設計數(shù)據(jù)，電容容量大小需滿足如 下公式c v o ( 1 - d ) ( 8 l z 2 a u o ) ；另外b u c k 環(huán)節(jié)輸出電壓的控制受其截止頻率的 限制，需要有較高的截止頻率f = ；綜合以上公式的計算與實際調(diào)試，分 2 萬4 l c 析響應速度，最終電感取值l - - 1 2 m h ，電容取值c - - 5 7 1 t f 。 4 5 功率驅(qū)動電路設計 功率驅(qū)動電路主要由功率m o s f e t 集成驅(qū)動電路i r 2 1 3 0 及外圍其他輔助電路 構成【5 6 1 。電路如圖4 6 所示。由于內(nèi)部設有自舉式懸浮電路，因此只用一路電源， 并集成了故障檢測功能使整個驅(qū)動電路簡單可靠。它能輸出六路驅(qū)動信號，任何 一個為邏輯低電平時，相應的輸出為高電平。 揚州大學碩士學位論文 懸浮偏壓源由自舉二極管d 2 6 、d 2 8 、d 2 9 ，自舉電容c 2 8 c 3 0 構成。自舉電容 值的大小取決于功率m o s f e t 的開關頻率及最大開通時間。自舉二極管必須能夠 阻斷此特殊電路的全部反壓，自舉二極管的電流是功率m o s f e t 柵極電荷乘以開 關頻率之積，為減少自舉電容反饋到電源電荷量，使用快速恢復的二極管是非常 重要的。本硬件設計選用了快速恢復二極管b y v 2 6 e 。另外使用d c d c 進行自舉給 懸浮電源供電，避免了自舉電容相應速度慢的缺點，提高了系統(tǒng)的可靠性。 圖4 6 功率驅(qū)動電路原理圖 同時，當主功率電路出現(xiàn)短路、過流故障時，i r 2 1 3 0 應封鎖六個輸出驅(qū)動信 號，這是為保護功率m o s f e t 不被燒壞。主功率母線上串聯(lián)一取樣電阻r 6 3 ( 如圖 4 7 ) 在通過分壓網(wǎng)絡后接至i r 2 1 3 0 的9 腳送至內(nèi)部的電流檢測電路，當電壓超過 0 5 v 時，i r 2 1 3 0 的8 腳( 故障輸出) 由高電平變?yōu)榈碗娖?，通過光耦u 1 5 光電隔離后 送入d s p 弓 腳g p i o a 6 ，以封鎖功率開關管的六個驅(qū)動信號。 4 6 三相逆變橋設計 三相逆變橋由6 個m o s 開關管【5 7 1 、6 個快速恢復二極管構成，行成三路上下橋 臂。q 2 、q 3 、q 4 是上橋臂，q 5 、q 6 、q 7 是下橋臂，6 個快速恢復二極管分別并聯(lián) 在6 個m o s 開關管上。三個上橋臂m o s 開關管漏極一起連至d c d c 電路輸出端正 極，三個下橋臂m o s 開關管的源極一起連至d c d c 電路輸出端負極。6 j m o s 開關 管的柵極分別連至功率驅(qū)動電路的輸出端h g l 、h g 2 、h g 3 、l g l 、l g 2 、l g 3 。 三路上下橋臂的中間分別輸出u 、v 、w 三根導線連接無刷直流電機( b l d c m ) ， 從而帶動水泵。 叢進光伏水泵控制系統(tǒng)及最大功率跟蹤研究 3 9 這里選用的m o s 開關管是i r f l 5 0 ，主要是耐壓值比較高；快速恢復二極管仍 選用b y v 2 6 e 型。在硬件p c b $ | j 版時，該部分電路比較難布線，這主要是因為該部 分電路電流較大，同時考慮到散熱性能，布線時，整個線路均加寬。并盡量偏于 主控制單元、信號線部分，避免電磁干擾等問題。 圖4 7 三相逆變橋原理圖 4 7 緩沖隔離器設計 緩沖隔離器由與二l l z f - j s n 7 4 0 4 與高速光耦構成。如圖4 8 ，6 路p w m 波形則從主 控制單元d s f 5 6 f 8 0 3 7 輸出，接至與非門，增強驅(qū)動能力；再連接高速光耦，光電 隔離后送至功率驅(qū)動電路。這個電路主要是防止后級電路由于控制錯誤或者其他 因素導致電流過大、母線正負短接，造成線路、器件燒毀；另外還能防止主控制 單元在控制器啟動初始或者復位就直接6 路同時輸出高電平，導致母線短路。如圖 所示，兩路信號通過電路明顯有差別，送至上橋臂的信號反了兩次，另外則反轉(zhuǎn) 了一次。 6 n d l 圖4 8 緩沖隔離器部分原理圖 揚州大學碩士學位論文 4 8 母線電流檢測電路設計 母線電壓電流檢測電路分兩部分，電壓檢測電路和電流檢測電路；如圖4 9 所 示是電流檢測電路【5 引，首先是經(jīng)霍爾電流傳感器的第三個端子輸出小電流，經(jīng)電 阻器電壓分壓，接r 3 3 0 、r 3 3 1 、c 1 2 、c 3 1 2 濾波后接u 6 運放l m 3 5 8 至主控制單元 的另一個a d 采樣引腳a n a l 。 經(jīng)過運放l m 3 5 8 是將信號適當放大，放大倍數(shù)為( 1 + 墨：。墾：。) ，因此這兩個 電阻阻值需選擇恰當，并經(jīng)最終調(diào)試而定。另外d 3 3 穩(wěn)壓管是為了防止送至主控制 單元的信號大于3 3 v 而作的防護措施?；魻杺鞲衅鬟x用的型號為t b c s y s y w 雙 環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器，其中相關參數(shù)為：額定輸入電流：5 a ，測量電流范 圍：1 0 a ，匝比：3 ：1 5 0 0 ，內(nèi)接測量電阻：4 0 0 q 。 圖4 ，9 電流檢測電路原理圖 圖4 1 0 所示是母線電壓檢測電路，本電路選用線性高速光耦n e c 2 5 0 1 ，利用其 特性將母線電壓從相對較高的電壓降至可測的低電壓；在經(jīng)過運放l m 3 5 8 將信號 送至主控制單元的一個a d 采樣引腳a n a 0 ，a d 端口的可測電壓為0 3 3 v 。 圖4 1 0 母線電壓檢測電路 以下是對線性高速光耦n e c 2 5 0 1 的測試效果，輸入0 3 2 v 其中相關參數(shù)： r 7 = 2 2 0 q ，r 4 = 8 k q ，r 11 = 1 0 0 q ，r 8 = i k q ，v 1 輸入電壓= 3 2 v ，i = 3 8 3 m a 。由圖4 1 l 可知n e c 2 5 0 1 在電壓較高時的線性度比較好，符合設計要求。 叢進光伏水泵控制系統(tǒng)及最大功率跟蹤研究 疊r ：1 。n o _ m 廠_ _ 。7 _ _ 習 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_ 廣z _ 一? i i = 一一1 r j 一_ i 7 _ 一_ ? ：一： ，：y - i ! j 糾；：一i 仁2 ，_ _ i ：一：】 矗露焉高矗爵蕊疆磊i ；舞； 圖41 1n e c 2 5 0 1 線性度測試圖 4 9 過零比較電路設計 從三相逆變橋輸出的u 、v 、w 三根導線還要引接到過零比較電路的輸入端， 過零比較電路是對應于無位置傳感器無刷直流電機而言。無刷直流電機運用在光 伏水泵系統(tǒng)中，因為其機械特性好、起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、控制相對簡單， 比起其他類型電機運行效率高。另外系統(tǒng)一般要求電機潛入水中運行，選用無位 置傳感器無刷直流電機是光伏水泵系統(tǒng)理想的選擇。但無刷直流電機運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子 位置的檢測則是一個難題，利用反電勢過零點檢測能很好的解決問題。 過零比較電路主要是由高速、線性光耦，濾波電路，過零比較器等組成。如 圖4 1 2 所示，反電勢信號經(jīng)過線性光耦將電壓降下，經(jīng)過一階濾波電路，再經(jīng)過隔 直通交電路濾去直流分量送至過量比較器，最終將獲得的信號最終送至主控制單 元的外部中斯引腳，以便電機很好的切換。 圈41 2 過零比較電路原理圖 另外因為有濾波電路的存在，相應的滯后需要由軟件柬補償。濾波電路f 1 r 9 5 、 r 9 8 、c 5 7 組成低通濾波器，c 5 6 、r 1 9 7 組成高通濾波器；則總的滯后移相角為： 一( 等等 _ 一 去 ， g 揚州大學碩士學位論文 其中= 2 口，= 面p n ，為反電勢頻率，p 為電機極對數(shù)，n 為電機轉(zhuǎn)速 以下是對過零比較電路整體測試波形圖41 3 ，圖a 為輸入信號頻率為l k f , 圖b 輸入信號頻率為1 0 k f o 夫于 存圖像 n nr 選擇 ，一 i文件央 嘏繇 一 關于 。一薦圖像 廠、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 ) 圖41 3 過零比較電路整體測試波形圖 4 1 0 水位打干檢測電路設計 將檢測水位的三根導線連接至水位打干檢測電路的輸入端，從其輸出端連接 至主控制單元的另一個外部中斷引腳。具體見圖4 1 4 t 5 ”，水位打干檢測電路是由 w h 、w l 、c m z 個導線端予檢測當前水位的高度，其中所在w h 水位最高，是水 泵停機的水位；w l 水位局中，是水泵開機的水位；c m 為公共端在最底端。w h 接 + 1 5 v 電源，w h 和w l 之間存在一個水位差，構成水位檢測的滯環(huán)，以免當水位上 下波動時造成電機頻繁開關。整個水位打干檢測電路由電阻r 1 1 7 、r 1 1 9 、電容c 6 5 、 光耦u 2 5 、u 2 4 運放l m 3 5 8 組成。 圖4 1 4 水位打干檢測電路原理圖 叢進光伏水泵控制系統(tǒng)及最大功率跟蹤研究 4 3 將w h 、c m 和w l 三根導線放在水中，如果水位超過w h ，p 3 的1 與2 引腳相當 于接入一電阻，則取樣電阻r 1 2 3 上的電壓經(jīng)放大后送與后極電路，與給定電壓比 較，輸出高電平，此時光耦導通，反饋給主控制單元為高電平。當水位降到w h 以 下時，因光耦己導通，故p 3 的1 與2 引腳仍然通過水的弱導電性導通，r 1 2 3 取樣結 果仍然使l m 3 5 8 的1 腳輸出高電平，送出信號不變，當水位繼續(xù)降至w l 以下時， p 3 的l 與2 引腳斷開，c m 端的電壓變低，使l m 3 5 8 的1 腳輸出低，光耦關閉，使并 送出一個低電平表示這時水已打干，需要停機。如果停機后，水位上升到w h 時， 恢復正常。 揚卅| 大學碩士學位論文 第五章光伏水泵控制系統(tǒng)軟件設計 5 1 軟件開發(fā)環(huán)境c o d e w a r r i o r 介紹 飛思卡爾為5 6 8 0 0 e 系y ! j d s p 的開發(fā)提供了一套完整的、非常便利的軟件開發(fā) 平臺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、源代碼編輯器、分級瀏 覽器、編譯器、鏈接器、調(diào)試器( 可向目標板下載程序以及調(diào)試) 等組成。該甲 臺采用模塊化、結構化地設計思想，具有易讀性，易于移植，各功能模塊易于擴 展，可以很方便地進行二次開發(fā)。 另外該平臺還采用處理器專家接口( p e i ) ，功能強大的錯誤檢查系統(tǒng)，將各 個庫函數(shù)( 包括電機控制庫、控制算法庫、數(shù)據(jù)運算和處理庫、數(shù)字信號處理庫等) 以b e a n 的形式直接引用，其庫函數(shù)是將各種常用的算法和程序封裝起來，極大的 方便用戶的快速設計，加快項目的完成進度。圖51 為軟件平臺界面。 以下軟件設計部分是主程序和部分主要子程序的程序流程框圖，并在此軟件 開發(fā)平臺上實現(xiàn)。 x 、t口日 圖5ic o d e w a r r i o ri d e 開發(fā)平臺 5 2 主程序設計 系統(tǒng)軟件是實現(xiàn)控制的關鍵，所有的硬件必須由軟件實旅管理、控制，采用 模塊化程序設計有助于軟件的調(diào)試及日后更新。系統(tǒng)軟件負責整個控制系統(tǒng)的控 制管理、數(shù)據(jù)的采集和處理、最大功率跟蹤算法的實現(xiàn)，以及軟件保護等。 叢進光伏水泵控制系統(tǒng)及最大功率跟蹤研究 4 5 主程序，完成實時性要求不高的相關功能。進入程序后，首先對相關變量、 定時器、外部中斷、必要數(shù)組作初始化工作。然后進入人機接口子程序，此處方 便工作人員對相關系統(tǒng)參數(shù)進行設置、合理調(diào)整運行參數(shù)、方便觀察系統(tǒng)狀態(tài)。 該程序主要實現(xiàn)按鍵處理、液晶屏刷新顯示、系統(tǒng)運行指示等。最后程序進入自 檢模式，完成相關參數(shù)檢測，到達系統(tǒng)基本要求后即可轉(zhuǎn)入正常運行狀態(tài)。具體 流程圖如圖5 2 、圖5 3 所示。 圖5 2 主程序流程框圖1 揚州大學碩士學位論文 圖5 3 主程序流程框圖2 在系統(tǒng)對母線電壓、電流進行檢測后，將實現(xiàn)無位置傳感器無刷直流電機的 開環(huán)起動。采用預定位起動方式，在加速環(huán)節(jié)升頻升壓進行步進起動，當反電勢 足夠大，利用過零點判斷子程序獲取轉(zhuǎn)子位置；在達到時間差值穩(wěn)定在一定范圍 內(nèi)時，進行同步切換。為了實現(xiàn)最大功率點跟蹤，電機正常運行后，對整個系統(tǒng) 叢進光伏水泵控制系統(tǒng)及最大功率跟蹤研究 4 7 實行閉環(huán)速度控制唧1 。根據(jù)m p p t 算法不斷調(diào)整光伏陣列的輸出阻抗，即對d c d c 電路占空比、電機轉(zhuǎn)速的控制實現(xiàn)負載的改變。 5 3 電機起動子程序 本課題采用無位置傳感器無刷直流電機帶動水泵抽水，由于初始階段，電機 還未形成足夠反電勢，這就對電機起動帶來一定難度。 電機在起動時，由于反電勢為零，因此電樞電流( 起動電流) 為 厶：u - a u ( 5 1 ) n2 ( 5 。1 ) 其中u 是電源電壓( v ) ；u 是功率晶體管飽和管壓降( v ) 。r a c o 是電樞繞 組的平均電阻( q ) ；電樞電流可為正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍，所以起 動電磁轉(zhuǎn)矩很大，電機可以很快起動，并u 能帶負載直接起動。隨著轉(zhuǎn)子的加速， 反電勢e 增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速轉(zhuǎn)矩也減小，最后進入正常工作狀態(tài)。在空載 起動時，電樞電流和轉(zhuǎn)速的變化如圖5 4 所示。 圖5 4 電樞電流和轉(zhuǎn)速的變化曲線 為了電機能很好的起動，減少起動電流和電機脈動力矩，課題采用預定位起 動方式步進起動。開始時將逆變橋的某兩相導通，控制電流，延時一段時間使轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)到另一預定位置；電機從靜止開始加速，通過軟件使定子繞組不同組合導通 時間縮短，即逆變橋兩兩導通保持時間逐漸縮短，6 拍切換時間變快；另外通過p w m 占空比控制逐漸提高定子繞組外施電壓，此時電機在不失步的前提下也逐漸提高， 從而實現(xiàn)升頻升壓( v f 恒定) 步進方式開環(huán)起動【6 1 1 。 當反電勢足夠大，通過過零比較電路將信號送至主控制單元，程序依靠過零 點判斷子程序及滯后補償子程序，通過計算轉(zhuǎn)換可以獲得轉(zhuǎn)子位置信息和下次換 相時間，如果相位差值在誤差允許范圍內(nèi)即可同步切換。具體流程框圖見圖5 5 。 揚州大學碩士學位論文 圖5 5 電機起動程序流程框圖 5 4 電機轉(zhuǎn)子切換與p w m 調(diào)制子程序 本電機運行采用三相六拍式，逆變橋?qū)ǚ绞揭布创嬖? 種導通組合。為了防 止主控制單元在控制器啟動初始或者復位就直接同時輸出高電平，導致母線短路。 硬件電路做了一定保護措施，送至上橋臂的信號反了兩次，另外則反轉(zhuǎn)了一次。 因此在程序設計上有所特別，上管極性均取反，并且上橋臂換相邏輯信號中包含單 叢進光伏水泵控制系統(tǒng)及最大功率跟蹤研究 4 9 極性p w m 信號，而下橋臂驅(qū)動信號維持不變高電平。由邏輯關系可得表。 表5 1 導通組合及控制字 導通組合p w mo u t 控制字p w mo u t 對應位 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通道均關閉4 8 8 9 6 l o1 1 1 1 1 10 00 0 0 0 0 0 對應程序： s w i t c h ( a b c ) 換相程序，a b c = 5 、4 、6 、2 、3 、1 c a s e5 ：上管極性均取反，上管p w m 下管高電平 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