基于數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)很高的能源利用效率、工作可靠性和實(shí)用價(jià)值。現(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(dòng)系統(tǒng)包括太陽能電池組、DC/DC轉(zhuǎn)換器及MPPT（最大功率點(diǎn)追蹤）充電控制、儲(chǔ)存電能的蓄電池組和LED照明PWM控制驅(qū)動(dòng)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(shí)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(chǔ)存到蓄電池組中，在LED照明系統(tǒng)需要電能供電時(shí)，采用PWM控制驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)

　　1.1 控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　本文根據(jù)太陽能光伏電池電能輸出和儲(chǔ)存的特點(diǎn)以及LED照明控制驅(qū)動(dòng)的新技術(shù)進(jìn)展，設(shè)計(jì)了一種新型太陽能LED照明系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案，控制方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池和蓄電池的MPPT充放電管理、LED照明控制驅(qū)動(dòng)管理。系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)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(hào)控制器（DSC），DSC與單片機(jī)的不同之處，在于增加了DSP資源，以單片機(jī)（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(gè)高速17位×17位乘法器，能進(jìn)行16位有符號(hào)乘法和除法運(yùn)算，可進(jìn)行小數(shù)或整數(shù)DSP乘法，一個(gè)40位ALU、兩個(gè)40位飽和累加器和一個(gè)40位雙向桶形移位寄存器。

圖2 控制驅(qū)動(dòng)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(jì)對(duì)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(dòng)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(hào)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(hào)驅(qū)動(dòng)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(hào)，為MPPT控制和整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)工作提供工作狀態(tài)參數(shù)，實(shí)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(dòng)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(duì)太陽能光伏電池的輸出進(jìn)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(qiáng)度下的達(dá)到最大化，見圖4，本設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)于VT4通路，可通過調(diào)節(jié)PWM2H輸出驅(qū)動(dòng)的占空比，從而調(diào)節(jié)負(fù)載電流，因此，通過對(duì)PWM變換器的反饋控制，可將光伏系統(tǒng)的工作點(diǎn)跟蹤穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)。

圖4 尋找最大功率點(diǎn)

　　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(gè)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(gè)方面，本設(shè)計(jì)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(jìn)行，即進(jìn)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(bǔ)償控制等。[!--empirenews.page--]
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(shí)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(diǎn)，只有到下一工作狀態(tài)時(shí)，才繼續(xù)尋找新的最大輸出功率工作點(diǎn)。

1.3 LED照明驅(qū)動(dòng)控制電路

　　本設(shè)計(jì)的LED照明驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(gè)穩(wěn)定的輸出電壓，PWM3L、PWM4H和PWM4L這3個(gè)PWM通道進(jìn)行多路LED照明的恒流控制，R21、R23、R25提供LED照明驅(qū)動(dòng)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(hào)控制器dsPIC33F進(jìn)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(jìn)行對(duì)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(dòng)電壓和電流。VT7、VT8和VT9在DSC的數(shù)字PWM信號(hào)控制下，使LED光源實(shí)現(xiàn)寬的調(diào)光范圍，在數(shù)字信號(hào)控制器DSC的控制管理下，對(duì)LED照明光源的驅(qū)動(dòng)控制具有全面的過壓、過流和熱防護(hù)功能。

圖6 LED照明驅(qū)動(dòng)控制

　　2 結(jié)語

　　本文對(duì)太陽能LED照明驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，并針對(duì)太陽能光伏電池的特性，提出了基于數(shù)字信號(hào)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(dòng)特性，設(shè)計(jì)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(gè)方面保護(hù)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)。