【MP-PT控制器硬件設(shè)計(jì)分析案例4100字】

第六章MPPT控制器硬件設(shè)計(jì)MPPT控制器硬件設(shè)計(jì)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23280MPPT控制器硬件設(shè)計(jì)分析案例 1251431MPPT控制器硬件設(shè)計(jì) 1207791.1MPPT控制器總體設(shè)計(jì)方案 163081.2MPPT控制器硬件電路設(shè)計(jì) 1238511.3樣機(jī)PCB繪制與焊接 7304542MPPT控制器程序設(shè)計(jì) 1027912.1開(kāi)發(fā)環(huán)境 1094182.2主程序設(shè)計(jì) 10104742.3ADC子程序 11282592.4MPPT子程序 1348312.5定時(shí)器中斷程序 14182733MPPT控制器樣機(jī)測(cè)試 164873.1Buck變換器測(cè)試 16205793.2MPPT測(cè)試 171MPPT控制器硬件設(shè)計(jì)1.1MPPT控制器總體設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)了基于Buck變換器的MPPT控制器系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。控制器主要由Buck變換器、驅(qū)動(dòng)電路、采樣信號(hào)調(diào)理電路以及輔助電源組成。圖6-1MPPT控制器結(jié)構(gòu)1.2MPPT控制器硬件電路設(shè)計(jì)1.2.1MPPT控制器功率電路MPPT控制器功率電路如圖6-2所示。輸入側(cè)PV+和PV-為M3四腳壓線端子，用來(lái)連接電源的正負(fù)極。使用2顆330uF/50V高頻低阻電解電容作為輸入濾波電容。開(kāi)關(guān)管使用英飛凌BSC070N10NS3G低內(nèi)阻N溝道功率MOS管，耐壓100V，最大導(dǎo)通電流90A，開(kāi)關(guān)頻率100kHz，并且使用同步拓?fù)洌琎2管替代了常規(guī)Buck變換器中的續(xù)流二極管，提高了效率。由于MOS管工作時(shí)GS兩極之間存在等效電容，添加電阻R1、R2可以放電，防止GS兩極被擊穿。電感選用150uH大電流貼片電感。輸出側(cè)使用3顆22uF/50V高頻低阻電解電容作為輸出濾波電容，OUT+和OUT-同為M3四腳壓線端子，接負(fù)載的正負(fù)極。RS1和RS2為精密合金采樣電阻，阻值0.01Ω，用以采集輸入電流和輸出電流信號(hào)。圖6-2功率電路1.2.2半橋驅(qū)動(dòng)電路N溝道MOS管的工作特性是只要門極G與源極S之間的電壓UGS大于導(dǎo)通閾值，MOS管就會(huì)導(dǎo)通。通常單片機(jī)的引腳可以輸出5V或者3.3V的電平，按照理論在源極接地的情況下，引腳輸出高電平給門極MOS管就會(huì)導(dǎo)通，但是如果需要通過(guò)PWM信號(hào)控制MOS管高速通斷，比如20kHz或者更高的頻率，則需要一定程度的驅(qū)動(dòng)電流，這種情況單片機(jī)的引腳是無(wú)法達(dá)到要求的，因此需要額外的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS管。本文使用IR2104STRPBF半橋驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)Q1、Q2兩個(gè)MOS管。該芯片可提供10至20V的驅(qū)動(dòng)電壓，3.3V、5V以及15V的邏輯控制信號(hào)均能接受，上下管互補(bǔ)導(dǎo)通帶死區(qū)以防同時(shí)導(dǎo)通造成短路，接收到關(guān)閉信號(hào)后上下管均關(guān)斷。IN為PWM信號(hào)輸入腳，IN為高電平時(shí)HO為高LO為低；IN為低電平時(shí)HO為低LO為高。SD為芯片使能信號(hào)腳，高電平時(shí)芯片工作。VB為高側(cè)浮動(dòng)電源輸入腳，HO為上管門極驅(qū)動(dòng)輸出，VS為高側(cè)浮動(dòng)電源回流腳。VCC為低側(cè)浮動(dòng)電源輸入腳以及電源輸入腳，LO為下管門極驅(qū)動(dòng)輸出，COM為低側(cè)浮動(dòng)電源回流腳。該芯片通過(guò)二極管D1和電容C6構(gòu)成了自舉泵荷升壓電路，工作時(shí)，12V電源通過(guò)D1給C6充電，當(dāng)IN輸入低電平時(shí)，LO與VCC相通，輸出接近VCC的高電平，Q2管導(dǎo)通，HO與VS相通，電位被拉至GND，C6上極VB電位很快與VCC接近。當(dāng)IN輸入高電平時(shí)，LO與COM相通，Q2管關(guān)斷，HO與VS斷開(kāi)，和VB相通，VS與GND隔離導(dǎo)致電位升高，由于C6電壓不能突變始終保持VCC，導(dǎo)致VB電位也升高，而D1此時(shí)恰好阻斷C6電荷的回流，利用C6兩端的壓差，使Q1管導(dǎo)通。當(dāng)IN輸入再次拉低后，VCC又能通過(guò)D1重新給C6補(bǔ)充電荷。R3、R4、R5、R6、R7、R8均為限流電阻，PNP三極管Q3、Q4可以加速M(fèi)OS管的關(guān)斷，當(dāng)上管導(dǎo)通時(shí)，Q3因發(fā)射極和基極等電位關(guān)斷，當(dāng)HO輸出低電平時(shí)，上管門極和源極存在等效電容，Q3發(fā)射極為高，基極為低，Q3導(dǎo)通可以加快上管的泄流。圖6-3半橋驅(qū)動(dòng)電路1.2.3采樣信號(hào)調(diào)理電路MPPT控制器需要對(duì)輸入輸出進(jìn)行控制，因此需要對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行采樣和調(diào)理。電路采用差分放大的方式以抑制DC/DC變換器高頻噪聲的影響，使用低零偏雙通道運(yùn)放GS8552-SR和高精度電阻搭建了如下差分放大電路以處理輸入電壓信號(hào)。圖6-4輸入電壓信號(hào)調(diào)理電路對(duì)于圖中的差分放大電路，電壓信號(hào)的增益Ku為(6-1)對(duì)應(yīng)電壓測(cè)量范圍0～33V。R16與C19構(gòu)成RC低通濾波器濾除噪聲，開(kāi)關(guān)頻率為100kHz，濾波器的截止頻率fz取開(kāi)關(guān)頻率的1/10，然后可以根據(jù)下式計(jì)算電阻與電容的取值。(6-2)C15、C16為運(yùn)放電源的濾波電容，濾除電源噪聲以保證運(yùn)放正常工作。C17濾除運(yùn)放輸入端的噪聲。需要注意的是，由于本文使用的主控ADC引腳耐壓不能超過(guò)3.3V，因此需要在運(yùn)放的輸出端并聯(lián)一個(gè)3.3V的齊納二極管DZ1。輸入電流信號(hào)為流過(guò)合金采樣電阻產(chǎn)生的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)非常微弱，需要放大處理，如圖6-5所示。圖6-5輸入電流信號(hào)調(diào)理電路該差分放大電路的增益Ki為(6-3)對(duì)應(yīng)電流測(cè)量范圍0～3.3A。對(duì)于輸出信號(hào)的調(diào)理與輸入信號(hào)原理相同，如下圖所示，此處不再介紹。圖6-6輸出信號(hào)調(diào)理電路1.2.4輔助電源電路MPPT控制器正常運(yùn)行需要12V、5V以及3.3V電源，供電方式有兩種，第一種為光伏電源供電，第二種為蓄電池負(fù)載供電。第二種方式往往會(huì)因?yàn)殡姵刎?fù)載缺電導(dǎo)致整個(gè)光伏系統(tǒng)陷入癱瘓，所以本文選用第一種方式，如圖6-7所示。圖6-7輔助電源電路本電路使用了XL7005A、7805、CJA1117B三款電源芯片以提供3種電壓。XL7005A為一款高效、寬電壓輸入的集成DC/DC變換器，輸出電壓可調(diào)，與二極管D2、電感L2構(gòu)成了一個(gè)小型Buck變換器，輸出電壓可通過(guò)下式計(jì)算(6-4)7805為三端線性穩(wěn)壓器，負(fù)責(zé)將XL7005A的輸出進(jìn)一步變換為5V的電壓，供運(yùn)放使用，CJA1117B則將7805的輸出變換為3.3V，供主控工作。1.2.5MPPT主控核心本文選用ST公司生產(chǎn)的STM32F407ZGT6作為MPPT控制器的主控核心，如圖6-8和6-9所示。STM32F4基于CortexM4內(nèi)核，相比于其它CortexM3產(chǎn)品，主要新增了硬件FPU單元以及DSP指令集，主頻也達(dá)到了168Mhz。擁有多達(dá)192KB的片內(nèi)SRAM，加密處理器，真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，OTP存儲(chǔ)器等，具有更快的模數(shù)轉(zhuǎn)換速度，32位定時(shí)器，增強(qiáng)的IO復(fù)用功能，更快的USART和SPI通信，更低的功耗。圖6-8STM32F4最小系統(tǒng)圖6-9STM32F4核心板1.3樣機(jī)PCB繪制與焊接本文使用立創(chuàng)EDA繪制了MPPT控制器樣機(jī)的PCB文件，如圖6-10和6-11所示。立創(chuàng)EDA是一款簡(jiǎn)單高效的國(guó)產(chǎn)PCB設(shè)計(jì)工具，永久免費(fèi)，友好，易用，強(qiáng)大，多平臺(tái)同步，擁有超過(guò)百萬(wàn)的免費(fèi)元器件庫(kù)。繪制PCB時(shí)應(yīng)注意保證功能和性能指標(biāo)；滿足工藝檢測(cè)和維修等要求；元器件排列整齊兼顧美觀。在布線時(shí)要先保證走線暢通，其次盡量滿足電路的電氣性能，最后布線要整齊劃一，不可縱橫交錯(cuò)。布完線檢查無(wú)誤后，進(jìn)行鋪銅工作，鋪銅是指將線路板上空閑的空間用銅填充，這么做可以降低地的阻抗，提高抗干擾能力，還能提高電源效率。圖6-10PCB2D圖圖6-11PCB3D預(yù)覽最終使用風(fēng)槍、電烙鐵、焊錫等工具完成了樣機(jī)的焊接工作，如圖6-12和6-13所示。圖6-12焊接工具圖6-13MPPT控制器樣機(jī)實(shí)物第七章MPPT控制器程序設(shè)計(jì)2MPPT控制器程序設(shè)計(jì)2.1開(kāi)發(fā)環(huán)境使用KeilMDK-ARM這款微控制器開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行MPPT控制器程序的開(kāi)發(fā)，如圖7-1和圖7-2所示。KeilMDK-ARM由來(lái)自德國(guó)的Keil公司開(kāi)發(fā)，使用了一種名為uVision5IDE的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，在CortexM內(nèi)核處理器的開(kāi)發(fā)工具中是最佳的選擇。圖7-1KEILMDK圖7-2開(kāi)發(fā)平臺(tái)界面2.2主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序主要進(jìn)行各個(gè)子程序功能的初始化，包括延時(shí)函數(shù)初始化、LED初始化、OLED顯示屏初始化、按鍵初始化、ADC初始化、定時(shí)器初始化和PWM初始化。初始化工作完成后，進(jìn)入while(1)主循環(huán)，在主循環(huán)內(nèi)運(yùn)行OLED顯示程序，將當(dāng)前電路電壓電流參數(shù)顯示在屏幕上以供觀察。主程序流程如圖7-3所示。圖7-3主程序流程接下來(lái)介紹各個(gè)子程序的運(yùn)行流程，注意本文只介紹幾個(gè)重要的子程序。2.3ADC子程序STM32F4的ADC是12位逐次逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可測(cè)量16個(gè)外部源等多個(gè)信號(hào)。它總共擁有19個(gè)通道，這些通道可以分別以單次、連續(xù)、掃描等多個(gè)模式運(yùn)行。ADC最大轉(zhuǎn)換速率2.4MHz，使用PA3、PA4、PA5、PA7作為ADC引腳，分別采樣輸入輸出信號(hào)。受限于信號(hào)調(diào)理電路器件的精度和其它誤差等因素，STM32F4模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與實(shí)際電氣參數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量存在偏差，因此需要對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)行校正，使其盡量接近實(shí)際值，如下圖所示。圖7-4輸入電壓校正圖7-5輸入電流校正圖7-6輸出電壓校正圖7-7輸出電流校正除了對(duì)數(shù)字量進(jìn)行校正外，還需要使用軟件濾波算法濾除干擾，保證采樣結(jié)果的精確。本文使用中位值平均濾波法，原理是連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行冒泡排序后去掉最大值與最小值，計(jì)算并返回N-2個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。ADC子程序的流程如圖7-8所示。圖7-8ADC子程序流程2.4MPPT子程序基于占空比擾動(dòng)的自適應(yīng)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法MPPT的工作原理在4.4中已介紹，運(yùn)行流程如圖7-9所示。圖中，mppt-first為MPPT子程序初始化標(biāo)志，在系統(tǒng)剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，用來(lái)進(jìn)行MPPT判斷的Uk-1和Ik-1均等于0，所以需要先進(jìn)行一次初始化處理才能開(kāi)始MPPT算法的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，采集Uk-1和Ik-1結(jié)束后施加一次擾動(dòng)，將mppt-first標(biāo)志永久復(fù)位，然后才進(jìn)入MPPT的正常運(yùn)行流程。圖7-9基于占空比擾動(dòng)的自適應(yīng)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法2.5定時(shí)器中斷程序定時(shí)器T3負(fù)責(zé)完成讀取ADC、MPPT以及按鍵掃描這些任務(wù)，設(shè)置T3每10ms發(fā)生一次中斷，進(jìn)行一次按鍵掃描，每20ms讀取一次ADC，每50ms進(jìn)行一次MPPT控制，流程如圖7-10所示，每隔10ms進(jìn)入中斷后，計(jì)數(shù)count加1，count等于2時(shí)代表20ms，count等于5時(shí)代表50ms。圖7-10定時(shí)器中斷程序流程八MPPT控制器樣機(jī)測(cè)試3.1Buck變換器測(cè)試使用便攜示波器DSCopeU2P20測(cè)試Buck變換器的設(shè)計(jì)功能是否合理，測(cè)得的波形通過(guò)上位機(jī)軟件DSView顯示，如圖8-1所示。圖8-1DSCopeU2P20示波器及上位機(jī)軟件圖8-2100kHzPWM波形圖8-3上下管GS波形圖8-4輸出電壓與電壓紋波波形測(cè)試結(jié)果表明Buck變換器工作正確，可以進(jìn)一步用來(lái)進(jìn)行MPPT測(cè)試。3.2MPPT測(cè)試3.2.1模擬電源法使用模擬電源法測(cè)試時(shí)可以避免不可控因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，比如光照強(qiáng)度的隨機(jī)變化，其缺點(diǎn)是難以體現(xiàn)光伏電池的真實(shí)特性。圖中，Ui為穩(wěn)壓電源，R0為模擬內(nèi)阻，Ri為變換器等效輸入電阻(虛擬)，RL為變換器后接負(fù)載。根據(jù)最大功率傳輸理論，R0=Ri時(shí)，電源輸出最大功率，此時(shí)Ui=2U0。測(cè)試時(shí)，使用UTP3315TFL-Ⅱ直流穩(wěn)壓電源，開(kāi)路電壓設(shè)置30V，模擬內(nèi)阻20Ω，負(fù)載電阻10Ω，如圖8-5所示。圖8-5模擬電源法原理圖8-6模擬電源法測(cè)試場(chǎng)景圖8-7模擬電源法測(cè)試結(jié)果經(jīng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)MPPT時(shí)模擬內(nèi)阻將分得15V電壓，電源將輸出0.75A電流。測(cè)試結(jié)果如圖8-7所示，表明樣機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配，跟蹤到了最大功率點(diǎn)。3.2.2光伏電池戶外實(shí)測(cè)法使用光伏電池進(jìn)行戶外實(shí)測(cè)可以反映光伏電池的真實(shí)特性，但無(wú)法控制光照強(qiáng)度的恒定，而且無(wú)法精確判斷光伏電池當(dāng)前的工作點(diǎn)位置和真實(shí)MPP。在某日晴天正午12:00進(jìn)行戶外實(shí)測(cè)，設(shè)置一組無(wú)MPPT控制器的對(duì)照組，觀察和記錄兩組光伏電池輸出的變化情況。總共測(cè)量了60組數(shù)據(jù)，如表6所示。圖8-8測(cè)試場(chǎng)景表6戶外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有MPPT控制器無(wú)MPPT控制器電壓/V電流/A功率/W電壓/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.