LPC5536光伏MPPT控制方案的軟件實(shí)現和系統測試

在之前的文章中，我們對于恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案的系統總體架構（恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案，技術(shù)大咖們看過(guò)來(lái)！http://dyxdggzs.com/article/202409/462954.htm）和硬件組成（打造智能光伏，從LPC5536開(kāi)始！http://dyxdggzs.com/article/202409/462955.htm），進(jìn)行了詳細的介紹，本文將進(jìn)一步分享該方案的軟件實(shí)現和系統性能測試，歡迎小伙伴們圍觀(guān)！

軟件方案介紹

該方案以L(fǎng)PC5536作為主控，系統的控制框圖如下圖所示，控制路徑中，使用光伏板作為系統的輸入，通過(guò)BOOST電路實(shí)現MPPT控制，輸出端接負載或者電池，消耗來(lái)自光伏板的功率。其中，MPPT/CC/CV控制算法的功能是將ADC采集的輸入/輸出電壓以及輸入/輸出電流數據經(jīng)過(guò)計算轉換為PWM控制參數，最終實(shí)現系統控制的目標。此外，系統配置了人機交互模塊，可以通過(guò)按鍵和LCD進(jìn)行參數配置和狀態(tài)監測等功能，也可以通過(guò)FreeMASTER上位機實(shí)現同樣的功能，并完成數據的實(shí)時(shí)跟蹤和采集。

下面，我們將軟件方案整體上分為以下幾個(gè)部分進(jìn)行介紹：

● 基本控制環(huán)路

● 狀態(tài)機

● MPPT/CC/CV控制算法

● 人機交互界面（按鍵和LCD）

● FreeMASTER 上位機

01 基本控制環(huán)路

通過(guò)上一篇文章（打造智能光伏，從LPC5536開(kāi)始！http://dyxdggzs.com/article/202409/462955.htm）里的測試，最終把PWM控制頻率設定為50kHz，把它作為控制的基礎頻率。在LPC5536中，使用FlexPWM*模塊產(chǎn)生PWM波，同時(shí)，通過(guò)INPUTMUX*將ADC*的trigger input配置為所使用的FlexPWM，從而在每個(gè)PWM周期中產(chǎn)生一次ADC中斷，完成ADC數據的采集。CC/CV控制環(huán)路的控制頻率設定為5kHz，也就是每10個(gè)ADC采樣周期進(jìn)行一次控制。MPPT的控制頻率設定為100Hz，如下圖所示。

*: 相關(guān)模塊的具體信息請參見(jiàn)LPC5536的Reference Manual以及相關(guān)的Application Note

02 狀態(tài)機

將MPPT的狀態(tài)分為5種，如圖所示，上電時(shí)MPPT處于MPPT_INIT狀態(tài)，進(jìn)行相關(guān)參數的初始化。初始化完成后，進(jìn)入MPPT_READY狀態(tài)，執行一定的延時(shí)以及用戶(hù)自定義操作。接著(zhù)，進(jìn)入MPPT_WORK狀態(tài)，并執行相關(guān)電壓/電流檢測，如果一切正常，打開(kāi)DC/DC控制開(kāi)關(guān)，正常運行控制程序，并持續運行在這一狀態(tài)。如果檢測到輸入端電壓過(guò)低，可能為光伏板沒(méi)有接入或者夜晚，進(jìn)入MPPT_IDLE狀態(tài)，等待系統輸入，恢復正常后再重新進(jìn)入MPPT_INIT狀態(tài)。

輸出端接電池時(shí)，如果檢測到輸出端電壓大于限制值或者輸出端電流降低到限制值，可能為電池已充滿(mǎn)，進(jìn)入MPPT_IDLE狀態(tài)，等待電池電壓降低到一定的值再重新進(jìn)入MPPT_INIT狀態(tài)。如果運行過(guò)程中檢測到過(guò)流/過(guò)壓事件，進(jìn)入到MPPT_OFF狀態(tài)，關(guān)閉DC/DC控制開(kāi)關(guān)，此時(shí)需要檢查電路問(wèn)題，確認無(wú)誤之后可手動(dòng)切換為MPPT_INIT狀態(tài)，重啟程序。

03 MPPT/CC/CV控制算法

MPPT控制算法以擾動(dòng)觀(guān)察法作為基礎，具體流程可以參考系列的第一篇文章（恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案，技術(shù)大咖們看過(guò)來(lái)！http://dyxdggzs.com/article/202409/462954.htm）。為了實(shí)現更快的MPPT跟蹤，使用了變步長(cháng)的控制策略。根據輸入電壓以及PWM輸出的不同狀態(tài)建立了參數表，通過(guò)查表的方法控制擾動(dòng)步長(cháng)。

在實(shí)際應用中，MPPT只作為其中的一種工作模式，還可以根據需求切換為CC/CV模式，以滿(mǎn)足不同的應用場(chǎng)景。

輸出端接負載時(shí)，不同模式切換策略如下圖所示，其中，VCV是恒壓工作點(diǎn)，ICC是恒流工作點(diǎn)，不同顏色對應不同的工作狀態(tài)。實(shí)際正常運行時(shí)，電壓和電流都不會(huì )超過(guò)恒壓及恒流點(diǎn)太多，而當系統處于異常狀態(tài)時(shí)（電流或電壓過(guò)大），會(huì )通過(guò)上文介紹的狀態(tài)機觸發(fā)保護，在該圖中沒(méi)有體現該特征。在不同模式交界地帶，會(huì )存在模式反復切換的問(wèn)題，通過(guò)在模式切換點(diǎn)和實(shí)際運行點(diǎn)之間加入一定的偏移即可避免這一問(wèn)題。

輸出端接電池時(shí)（以鋰電池為對象），模式切換策略如下圖所示，與接負載時(shí)類(lèi)似，只不過(guò)增加了涓流充電模式（TRICKLE）以及不充電模式（OFF）。其中，V1、V2、V3、V4為各模式切換的判斷點(diǎn)，與電池屬性密切相關(guān)。

對于鋰電池而言，存在合適的工作區域，當電壓過(guò)低或者過(guò)高時(shí)，即小于V1或者大于V4時(shí)，電池可能已經(jīng)發(fā)生損壞，或者電池參數設置有問(wèn)題，需要停止對電池進(jìn)行充電。

同時(shí)，為了更好地對鋰電池進(jìn)行充電，可以將電池充電分為三個(gè)階段：涓流充電（TRICKLE）、恒流快速充電（CC）以及恒壓充電（CV）。其中，V1是涓流充電的起始判斷點(diǎn)，V2是恒流充電的起始判斷點(diǎn)，V3是恒壓充電的起始判斷點(diǎn)，V4是電池電壓上限。在恒壓充電的過(guò)程中，充電電流會(huì )逐漸下降，當充電電流下降到設定值時(shí)，停止充電，并等待電池電壓下降到設定值時(shí)再重新進(jìn)行充電。

04 人機交互界面（按鍵和LCD）

通過(guò)按鍵和LCD可以對整個(gè)系統進(jìn)行設置。首先，可以選擇不同的模式，對應不同的應用需求，模式選擇界面，共有3種模式可供選擇：

同時(shí)，可以對系統的輸入輸出相關(guān)參數進(jìn)行設置，在不同的模式下所設置的參數略有區別，參數設置界面如下所示：

人機交互模塊最重要的功能是對系統的運行狀態(tài)及各項指標進(jìn)行顯示，如下圖所示。最頂層為系統名稱(chēng)及軟硬件版本信息，左上部分顯示所處的工作模式以及狀態(tài)機運行狀態(tài)，右上部分顯示溫度，中間顯示各輸入輸出參數，左下角為PWM輸出，右下角為DC/DC運行效率。同時(shí)，也可以在此界面切換模式以及設置參數，長(cháng)按相關(guān)的按鍵即可實(shí)現。

05 FreeMASTER上位機

該系統使用FreeMASTER搭建了上位機，并通過(guò)UART與MCU進(jìn)行通訊。主界面如下圖所示，主體部分是該系統的介紹以及引導。

與LCD和按鍵組成的人機交互系統功能類(lèi)似，可以使用FreeMASTER進(jìn)行模式選擇、參數設置以及狀態(tài)監測。

另外，FreeMASTER能夠很方便的顯示數據波形并抓取波形進(jìn)行分析，如下圖所示，點(diǎn)擊左側相關(guān)的數據即可顯示對應的波形，此時(shí)圖片上方顯示的是輸出電壓的波形，下方顯示的是輸出電流的波形：

系統測試

為了了解系統的實(shí)際性能，設計了相關(guān)實(shí)驗對系統進(jìn)行測試。將測試分為兩組：一組測試輸出端接負載時(shí)的性能，一組測試輸出端接電池時(shí)的性能。 

01 電子負載測試

該測試中，輸出端連接電子負載，并設置為恒電阻模式，分別對MPPT/CC/CV模式進(jìn)行測試，最終得到的測試結果如下圖所示：

▲ 直流電源輸出配置，對應為最大功率，達到最大功率前為恒壓輸出（電流逐漸增大），達到最大功率后為恒流輸出（電壓逐漸減?。?，可以通過(guò)追蹤直流電源的最大功率觀(guān)測MPPT性能。

▲共三種運行模式：MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤、CC恒流、CV恒壓，MPPT為主運行模式，達到恒流/恒壓條件時(shí)轉換為相應的模式。

▲穩定后輸出電壓/電流峰峰值。

▲效率=輸出功率/輸入功率，數據由MPPT控制板采集。

02 電池充電測試

該測試中，輸出端連接24V鋰電池，分別對MPPT/CC/CV模式進(jìn)行測試，最終得到的測試結果如下表所示：

▲ 直流電源輸出配置，對應為最大功率，達到最大功率前為恒壓輸出（電流逐漸增大），達到最大功率后為恒流輸出（電壓逐漸減?。?，可以通過(guò)追蹤直流電源的最大功率觀(guān)測MPPT性能。

▲ 共三種運行模式：MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤、CC恒流、CV恒壓，MPPT為主運行模式，達到恒流/恒壓條件時(shí)轉換為相應的模式。

▲ MPPT以及CC模式下電池電壓逐漸升高，此處為電池電壓初始均值->電池電壓最終均值；CV模式下電池電壓變化較小，此處為電池電壓峰峰值。

▲ MPPT以及CC模式下充電電流變化較小，此處為充電電流峰峰值；CV模式下充電電流逐漸減小，此處為充電電流初始均值->充電電流最終均值。

▲ 效率=輸出功率/輸入功率，數據由MPPT控制板采集。

本文小結

本文介紹了恩智浦基于LPC5536光伏MPPT方案的軟件設計部分，并對系統相關(guān)性能進(jìn)行了測試，希望能給大家帶來(lái)一些啟發(fā)。自此，整個(gè)系統的介紹就結束啦，感謝大家的持續關(guān)注。

系列文章：

恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案，技術(shù)大咖們看過(guò)來(lái)！http://dyxdggzs.com/article/202409/462954.htm

打造智能光伏，從LPC5536開(kāi)始！http://dyxdggzs.com/article/202409/462955.htm