基于數(shù)字信號控制器和DC/DC轉(zhuǎn)換器的MPPT控制介紹

引言

　　太陽能電池和LED照明是新能源和節(jié)能高效技術(shù)的典型應(yīng)用，太陽能LED照明是利用太陽能電池將大自然中的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，提供給LED光源。由于LED光源的低電壓、節(jié)能和長效等特征，太陽能LED照明系統(tǒng)的應(yīng)用，將實現(xiàn)很高的能源利用效率、工作可靠性和實用價值?，F(xiàn)在常見的應(yīng)用有太陽能LED草坪燈、太陽能LED路燈和太陽能LED照明燈等。
 

　　太陽能LED照明系統(tǒng)的組成高效節(jié)能的太陽能LED照明數(shù)字控制驅(qū)動系統(tǒng)包括太陽能電池組、DC/DC轉(zhuǎn)換器及MPPT（最大功率點追蹤）充電控制、儲存電能的蓄電池組和LED照明PWM控制驅(qū)動及LED光源等部分，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 太陽能LED照明系統(tǒng)組成

　　太陽能LED照明系統(tǒng)的工作原理是：在有太陽光的時間段，太陽能電池組將采集到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，在控制系統(tǒng)的控制下，采用太陽能光伏電池MPPT方式，將電能儲存到蓄電池組中，在LED照明系統(tǒng)需要電能供電時，采用PWM控制驅(qū)動方式，向LED照明光源提供安全高效的電壓電流，使LED照明系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效并可靠地工作，為工作和生活提供潔凈環(huán)保的綠色照明。

　　1  太陽能LED照明控制驅(qū)動系統(tǒng)

　　1.1 控制驅(qū)動系統(tǒng)

　　本文根據(jù)太陽能光伏電池電能輸出和儲存的特點以及LED照明控制驅(qū)動的新技術(shù)進展，設(shè)計了一種新型太陽能LED照明系統(tǒng)控制驅(qū)動技術(shù)方案，控制方案能實現(xiàn)對太陽能電池和蓄電池的MPPT充放電管理、LED照明控制驅(qū)動管理。系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，控制驅(qū)動系統(tǒng)以數(shù)字信號控制器DSPIC33FJ16GS502為核心控制芯片，這是美國微芯科技公司的新一代16位數(shù)字信號控制器（DSC），DSC與單片機的不同之處，在于增加了DSP資源，以單片機（MCU）為中心并融合了DSP，具有MCU和DSP兩類指令。DSP引擎包含有一個高速17位×17位乘法器，能進行16位有符號乘法和除法運算，可進行小數(shù)或整數(shù)DSP乘法，一個40位ALU、兩個40位飽和累加器和一個40位雙向桶形移位寄存器。

圖2 控制驅(qū)動系統(tǒng)硬件原理示意圖

　　dsPIC33F系列DSC全面支持?jǐn)?shù)字控制系統(tǒng)，豐富的PWM控制和ADC轉(zhuǎn)換功能特別適合DC/DC轉(zhuǎn)換、電源管理和LED照明控制系統(tǒng)，可滿足本設(shè)計對太陽能電池組、蓄電池組MPPT、充放電控制、DC/DC轉(zhuǎn)換控制和LED照明驅(qū)動的控制管理。

　　1.2 太陽能光伏控制器及MPPT

　　太陽能光伏電池控制充電電路采用數(shù)字信號控制器為核心的全數(shù)字式DC/DC轉(zhuǎn)換和MPPT電路，如圖3所示。轉(zhuǎn)換器采用升壓降壓雙模式拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，這樣的電路結(jié)構(gòu)可以在從V in>V out到V in<V out的范圍內(nèi)都能得到較高的轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)太陽能光伏電池板的電壓高于或低于蓄電池組的電壓的情況下，在數(shù)字控制器的管理下光伏電池都可高效工作。VT2、VT3、VT4分別受DSC的3路PWM信號驅(qū)動控制，U2和U3為數(shù)字溫度傳感器DS18B20，采用單總線測溫，向DSC傳送太陽能電池和蓄電池的工作溫度，從R2處采樣得到太陽能電池輸出電壓，從R11處采樣獲得蓄電池端電壓，從R10處采樣到充電電流，這些采樣數(shù)據(jù)都通過DSC的A/D通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，為MPPT控制和整個驅(qū)動控制系統(tǒng)工作提供工作狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)閉環(huán)數(shù)字系統(tǒng)控制。

圖3 DSC控制光伏DC-DC轉(zhuǎn)換/MPPT

MPPT控制采用基于占空比為控制變量的擾動觀察法，由于太陽能光伏電池的輸出呈非線性特性，為提高其利用率，對太陽能光伏電池的輸出進行MPPT控制，以使太陽能光伏電池板的輸出功率在不同的溫度和太陽輻射強度下的達到最大化，見圖4，本設(shè)計是將MPPT和DC/DC轉(zhuǎn)換器結(jié)合起來，用高效率的轉(zhuǎn)換器起太陽能光伏電池負(fù)載的阻抗變換作用，再在DSC的控制和管理下，尋求太陽能LED照明驅(qū)動系統(tǒng)的最大功率跟蹤。

　　升壓轉(zhuǎn)換電路的輸入輸出電壓見下式，降壓轉(zhuǎn)換電路的輸入輸出電壓關(guān)系見公式：

　　式中U out為輸出電壓，U int為輸入電壓。D 為PWM的占空比，可通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)輸出端的電壓。對于VT4通路，可通過調(diào)節(jié)PWM2H輸出驅(qū)動的占空比，從而調(diào)節(jié)負(fù)載電流，因此，通過對PWM變換器的反饋控制，可將光伏系統(tǒng)的工作點跟蹤穩(wěn)定在最大功率點。

圖4 尋找最大功率點

　　蓄電池是太陽能LED照明系統(tǒng)的重要部件，蓄電池的管理控制不僅影響到蓄電池和整個系統(tǒng)的工作效率，也極大影響蓄電池的工作壽命。通常關(guān)注的是放電深度、充電程度和溫度等3個方面，本設(shè)計采用DSC集中控制管理，是將蓄電池的管理和MPPT的工作過程統(tǒng)一控制進行，即進行蓄電池的MPPT充電管理方式，蓄電池控制和處理的內(nèi)容有電池容量、三階段充電電池端電壓和電流測控、放電深度控制、溫度補償控制等。
MPPT程序模塊流程如圖5所示。

圖5 MPPT流程簡圖

　　在初始化后，通過電流和電壓的采樣測量，可獲得光伏電池的輸出功率，在輸出電壓穩(wěn)定的狀態(tài)下，通過電流占空比的微調(diào)DD ，使光伏電池的輸出電流有微量變化DI ，再檢測光伏電池的輸出功率的變化，在設(shè)定的算法和當(dāng)時的環(huán)境變量情況下，判斷DP 的變化方向，再來決定下一階段的占空比的變化方向，見圖4。如果功率的變化小于了設(shè)定的微小量ε，則判定找到了最大輸出功率點，只有到下一工作狀態(tài)時，才繼續(xù)尋找新的最大輸出功率工作點。

1.3 LED照明驅(qū)動控制電路

　　本設(shè)計的LED照明驅(qū)動控制為PWM方式恒壓恒流控制，可調(diào)光多路大功率LED驅(qū)動控制， 如圖6 所示。電感L3、功率MOSFET管VT6和VD4構(gòu)成升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，通過控制PWM3H輸出的PWM的占空比，獲得一個穩(wěn)定的輸出電壓，PWM3L、PWM4H和PWM4L這3個PWM通道進行多路LED照明的恒流控制，R21、R23、R25提供LED照明驅(qū)動電路的電流反饋采樣，U5是數(shù)字溫度傳感器DS18B20，通過單總線1-wireBUS和數(shù)字信號控制器dsPIC33F進行數(shù)據(jù)通信，將LED照明光源的溫度送給DSC，R16向DSC提供輸出電壓采樣，DSC將各路采樣反饋參數(shù)和程序的設(shè)置參數(shù)進行對比后，通過調(diào)節(jié)各PWM的占空比，使LED照明光源得到穩(wěn)定設(shè)置的驅(qū)動電壓和電流。VT7、VT8和VT9在DSC的數(shù)字PWM信號控制下，使LED光源實現(xiàn)寬的調(diào)光范圍，在數(shù)字信號控制器DSC的控制管理下，對LED照明光源的驅(qū)動控制具有全面的過壓、過流和熱防護功能。

圖6 LED照明驅(qū)動控制

　　2 結(jié)語

　　本文對太陽能LED照明驅(qū)動控制技術(shù)進行了分析和研究，并針對太陽能光伏電池的特性，提出了基于數(shù)字信號控制器和DC/DC轉(zhuǎn)換器的MPPT控制方式，結(jié)合大功率LED照明的驅(qū)動特性，設(shè)計了一種以DSC為控制核心的全數(shù)字化PWM式太陽能LED照明控制系統(tǒng)，具有恒壓恒流控制性能，寬范圍調(diào)光能力，能從多個方面保護和改善蓄電池的工作狀態(tài)，延長蓄電池的使用壽命，采用數(shù)字PWM式的MPPT控制，能使太陽能光伏電池工作在最佳功率輸出狀態(tài)。