基于數字信號控制器和DC/DC轉換器的MPPT控制介紹

引言

　　太陽(yáng)能電池和LED照明是新能源和節能高效技術(shù)的典型應用，太陽(yáng)能LED照明是利用太陽(yáng)能電池將大自然中的太陽(yáng)能轉換為電能，提供給LED光源。由于LED光源的低電壓、節能和長(cháng)效等特征，太陽(yáng)能LED照明系統的應用，將實(shí)現很高的能源利用效率、工作可靠性和實(shí)用價(jià)值?，F在常見(jiàn)的應用有太陽(yáng)能LED草坪燈、太陽(yáng)能LED路燈和太陽(yáng)能LED照明燈等。

　　太陽(yáng)能LED照明系統的組成高效節能的太陽(yáng)能LED照明數字控制驅動(dòng)系統包括太陽(yáng)能電池組、DC/DC轉換器及MPPT（最大功率點(diǎn)追蹤）充電控制、儲存電能的蓄電池組和LED照明PWM控制驅動(dòng)及LED光源等部分，系統組成如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能LED照明系統組成

　　太陽(yáng)能LED照明系統的工作原理是：在有太陽(yáng)光的時(shí)間段，太陽(yáng)能電池組將采集到的太陽(yáng)能轉化為電能，在控制系統的控制下，采用太陽(yáng)能光伏電池MPPT方式，將電能儲存到蓄電池組中，在LED照明系統需要電能供電時(shí)，采用PWM控制驅動(dòng)方式，向LED照明光源提供安全高效的電壓電流，使LED照明系統安全、穩定、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(yáng)能LED照明控制驅動(dòng)系統

　　1.1 控制驅動(dòng)系統

　　本文根據太陽(yáng)能光伏電池電能輸出和儲存的特點(diǎn)以及LED照明控制驅動(dòng)的新技術(shù)進(jìn)展，設計了一種新型太陽(yáng)能LED照明系統控制驅動(dòng)技術(shù)方案，控制方案能實(shí)現對太陽(yáng)能電池和蓄電池的MPPT充放電管理、LED照明控制驅動(dòng)管理。系統的硬件框圖如圖2所示，控制驅動(dòng)系統以數字信號控制器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(lèi)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位有符號乘法和除法運算，可進(jìn)行小數或整數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 控制驅動(dòng)系統硬件原理示意圖

　　dsPIC33F系列DSC全面支持數字控制系統，豐富的PWM控制和ADC轉換功能特別適合DC/DC轉換、電源管理和LED照明控制系統，可滿(mǎn)足本設計對太陽(yáng)能電池組、蓄電池組MPPT、充放電控制、DC/DC轉換控制和LED照明驅動(dòng)的控制管理。

　　1.2 太陽(yáng)能光伏控制器及MPPT

　　太陽(yáng)能光伏電池控制充電電路采用數字信號控制器為核心的全數字式DC/DC轉換和MPPT電路，如圖3所示。轉換器采用升壓降壓雙模式拓撲電路結構，這樣的電路結構可以在從V in>V out到V inV out的范圍內都能得到較高的轉換效率，當太陽(yáng)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信號驅動(dòng)控制，U2和U3為數字溫度傳感器DS18B20，采用單總線(xiàn)測溫，向DSC傳送太陽(yáng)能電池和蓄電池的工作溫度，從R2處采樣得到太陽(yáng)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，這些采樣數據都通過(guò)DSC的A/D通道轉換為數字信號，為MPPT控制和整個(gè)驅動(dòng)控制系統工作提供工作狀態(tài)參數，實(shí)現閉環(huán)數字系統控制。

圖3 DSC控制光伏DC-DC轉換/MPPT

MPPT控制采用基于占空比為控制變量的擾動(dòng)觀(guān)察法，由于太陽(yáng)能光伏電池的輸出呈非線(xiàn)性特性，為提高其利用率，對太陽(yáng)能光伏電池的輸出進(jìn)行MPPT控制，以使太陽(yáng)能光伏電池板的輸出功率在不同的溫度和太陽(yáng)輻射強度下的達到最大化，見(jiàn)圖4，本設計是將MPPT和DC/DC轉換器結合起來(lái)，用高效率的轉換器起太陽(yáng)能光伏電池負載的阻抗變換作用，再在DSC的控制和管理下，尋求太陽(yáng)能LED照明驅動(dòng)系統的最大功率跟蹤。

　　升壓轉換電路的輸入輸出電壓見(jiàn)下式，降壓轉換電路的輸入輸出電壓關(guān)系見(jiàn)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(guò)調節占空比來(lái)調節輸出端的電壓。對于VT4通路，可通過(guò)調節PWM2H輸出驅動(dòng)的占空比，從而調節負載電流，因此，通過(guò)對PWM變換器的反饋控制，可將光伏系統的工作點(diǎn)跟蹤穩定在最大功率點(diǎn)。

圖4 尋找最大功率點(diǎn)

　　蓄電池是太陽(yáng)能LED照明系統的重要部件，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，本設計采用DSC集中控制管理，是將蓄電池的管理和MPPT的工作過(guò)程統一控制進(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。