發(fā)布時(shí)間:2018/8/27 9:30:21 來源:本站
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步,人們對(duì)能源提出越來越高的要求,尋找新能源成為當(dāng)前人類面臨的迫切課題。現(xiàn)有主要能源火電、水電和核電,都存在枯竭或者是破壞環(huán)境的危險(xiǎn)。照射在地球上的太陽能非常巨大,大約40分鐘照射在地球上的太陽能,便足以供全球人類一年能量的消費(fèi)。可以說,唯有太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽能發(fā)電絕對(duì)干凈,不產(chǎn)生公害。所以太陽能發(fā)電被譽(yù)為是理想的能源。
LED路燈作為高效節(jié)能的新光源,有著眾所周知的優(yōu)點(diǎn),太陽能發(fā)電與LED路燈恰恰是最理想的組合。太陽能LED路燈以太陽光為能源,白天充電晚上使用,無需復(fù)雜昂貴的管線鋪設(shè),可任意調(diào)整燈具的布局,安全節(jié)能無污染,無需人工操作工作穩(wěn)定可靠,節(jié)省電費(fèi)免維護(hù)。因?yàn)橄嗤斩惹闆r下,LED路燈需要的電能較傳統(tǒng)燈具需要的電能少的多,這就意味著用相對(duì)小面積的太陽能電池板和小容量的蓄電池就能滿足照度要求,大大減少了太陽能應(yīng)用于路燈的成本。二者結(jié)合是今后路燈發(fā)展的必然趨勢(shì)。
本文探討了一種基于ARM的太陽能路燈智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
基于ARM的太陽能路燈智能控制系統(tǒng)主要由太陽能電池板、蓄電池、LED 路燈和控制器四大部分組成。如圖1所示:
圖1 太陽能路燈系統(tǒng)圖
白天太陽能電池板接受太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出,經(jīng)過充電控制電路儲(chǔ)存在蓄電池中;晚間當(dāng)光線照度降低時(shí),控制器使LED路燈點(diǎn)亮,并且根據(jù)時(shí)間自動(dòng)改變功率,做到最大程度的節(jié)能。
在太陽能路燈系統(tǒng)中,太陽能充放電控制器是整個(gè)路燈系統(tǒng)中的核心部件,它的性能在一定程度上決定了整個(gè)路燈系統(tǒng)的性能好壞。
目前階段,LED路燈已經(jīng)在光效、可靠性和壽命方面取得突破性進(jìn)展,目前發(fā)展太陽能LED路燈關(guān)鍵在于控制系統(tǒng),如何優(yōu)化太陽能電池板的面積、實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的充電和放電管理、如何保證長期穩(wěn)定運(yùn)行,根據(jù)亮度、溫度、時(shí)間等外界條件實(shí)現(xiàn)智能功率調(diào)節(jié)、減少故障率這都是太陽能路燈控制系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)中必須要認(rèn)真研究的課題。
如圖2所示,是控制系統(tǒng)的原理框圖。該太陽能路燈智能控制系統(tǒng)選用德州儀器的32位ARM微控制器LM3S9B96為主處理器。
LM3S9B96以ARM Cortex-M3為內(nèi)核,此處理器有高性能、低成本、管腳數(shù)少、以及低功耗等方面的優(yōu)勢(shì),與此同時(shí),它還提供出色的計(jì)算性能和優(yōu)越的系統(tǒng)中斷響應(yīng)能力。非常適合用于本智能控制系統(tǒng)中。其特點(diǎn)有:
圖2 太陽能路燈智能控制系統(tǒng)總圖
速度快,80MHz運(yùn)行速度,性能100 DMIPS;
有高效的處理器內(nèi)核,系統(tǒng)和存儲(chǔ)器;
硬件觸發(fā)器和快速乘法運(yùn)算,便于MPPT算法實(shí)現(xiàn);
有更好的性能和電源效率;
集成多種睡眠模式,更低功耗。本處理器常年處在待機(jī)檢測(cè)狀態(tài),蓄電池取電,低功耗很重要。
電流信號(hào)的采樣采用康銅絲電阻,此系列電阻選用高精密合金絲并經(jīng)過特殊工藝處理,使其阻值低,精度高,溫度系數(shù)低,具有無電感,高過載能力的特點(diǎn)。廣泛用于通訊系統(tǒng),電子整機(jī),自動(dòng)化控制的電源等回路作限流,均流或取樣檢測(cè)電路連接等。本設(shè)計(jì)通過康銅絲電阻采樣的電壓信號(hào)經(jīng)過集成運(yùn)放LM358的放大,輸入到ARM中,進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和控制。如圖3所示。
圖3 電流采樣電路原理圖
回路電流在康銅絲電阻上產(chǎn)生的壓降輸入到集成運(yùn)算放大器的反向輸入端。由于Ui<o,故經(jīng)過康銅絲電阻的采樣和運(yùn)算放大器的放大,將采樣的電流變化轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)的變化,將其送入ARM進(jìn)行處理。
太陽能電池板和蓄電池電壓采樣均采用電阻分壓電路進(jìn)行采樣,如圖4所示,這里就不詳細(xì)敘述了。
圖4 電壓采樣電路原理圖
MPPT是Maximum Power Point Tracking(最大功率點(diǎn)跟蹤)的簡稱,MPPT控制器能夠?qū)崟r(shí)偵測(cè)太陽能板的發(fā)電電壓,并追蹤最高電壓電流值(VI),使系統(tǒng)以最高的效率對(duì)蓄電池充電。它主要取決于電池板的工作溫度和當(dāng)時(shí)的光照水平。理論上講,使用MPPT控制器的太陽能發(fā)電系統(tǒng)會(huì)比傳統(tǒng)的效率提高50%,除去周圍環(huán)境影響與各種能量損失,最終的效率也可以提高20%~30%。
如圖5所示,點(diǎn)3為太陽能光伏陣列輸出功率最大點(diǎn),目前太陽能光伏陣列工作在點(diǎn)1,此時(shí)減小開關(guān)管的占空比,系統(tǒng)采樣點(diǎn)2的電壓電流信號(hào),如果l點(diǎn)的電壓小于2點(diǎn),點(diǎn)1的功率也小于點(diǎn)2,則太陽能光伏陣列就轉(zhuǎn)移到點(diǎn)2工作。開關(guān)管的占空比減小,根據(jù)增量電導(dǎo)法,始終尋求最大功率點(diǎn)3進(jìn)行工作,對(duì)太陽能光伏陣列而言就是負(fù)載加重,就會(huì)使太陽能光伏陣列的輸出功率增加。
圖5 MPPT技術(shù)控制圖示
本系統(tǒng)采用利用Boost型DC—DC變換器可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。如圖6所示,Boost變換器可以始終工作在輸入電流連續(xù)的狀態(tài)下,只要輸入的電感足夠大,則電感上的紋波電流小到接近平滑的直流電流,Boost電路非常簡單,并且由于功率開關(guān)管一端接地,其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)更為方便。關(guān)于Boost電路的更多的參數(shù)設(shè)置,這里不詳細(xì)敘述。
圖6 MPPT算法實(shí)現(xiàn)硬件部分原理框圖
最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的算法有:恒定電壓控制法CVT、電導(dǎo)增量法(Incremental conductance,簡稱IncCond法)、曲線擬合法(Curve.fitting)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural network)、干擾觀測(cè)法(Perturbation andobservation,簡稱P&O法)等。本太陽能路燈智能控制系統(tǒng)MPPT算法采用電導(dǎo)增量法完成。
電導(dǎo)增量法是常用的一種MPPT控制方法,是對(duì)擾動(dòng)觀察法的改進(jìn)。其控制思想與擾動(dòng)觀察法類似,也是利用dP/dv的方向進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控制,只是光伏器件工作在最大功率點(diǎn)時(shí)控制有所不同。由最大功率點(diǎn)處的光伏器件特性dP/dV,可推導(dǎo)公式:
圖7 主程序流程圖
通過光伏陣列P—U曲線可知最大值PM處的斜率為零,所以有
上式即為要達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件,即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化率等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí),陣列工作于最大功率點(diǎn)。這種跟蹤方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí),能夠快速跟蹤其變化,并且陣列電壓擺動(dòng)較擾動(dòng)觀察法。蝗秉c(diǎn)是算法較復(fù)雜,硬件的要求特別是傳感器的精度要求比較高,系統(tǒng)各個(gè)部分響應(yīng)速度都要求比較快,因而整個(gè)系統(tǒng)的硬件造價(jià)也會(huì)比較高,其算法程序流程圖如圖8所示。
圖8 電導(dǎo)增量法的示意圖
目前,太陽能路燈系統(tǒng)主要由于蓄電池壽命低而導(dǎo)致整個(gè)路燈系統(tǒng)可靠性不高。對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行智能控制,防止過充過放,對(duì)蓄電池的保護(hù)是非常關(guān)鍵的。蓄電池充電控制程序使控制器檢測(cè)到蓄電池充電或放電超出一定范圍時(shí),控制器切斷充放電回路,保證電池不被損壞。蓄電池端電壓用U0表示;蓄電池額定充電電壓用UH表示;蓄電池極限放電電壓用UL表示;脈沖占空比用D表示;占空比最大值和最小值分別用DH和DL表示。蓄電池充放電控制流程如圖9所示。
圖9 蓄電池充放電電控制子程序
除此之外,本控制系統(tǒng)還包括AD采樣、數(shù)據(jù)濾波、定時(shí)程序、溫度補(bǔ)償程序等,因?yàn)榫哂幸欢ǖ耐ㄓ眯,在一般的控制系統(tǒng)里比較常見,因?yàn)槠邢捱@里就不一一列舉。
本文介紹的這種基于微控制器ARM的太陽能路燈智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),是一種切實(shí)可行的方案。雖然工程實(shí)踐中還沒有大面積的采用,但是通過不斷的努力與實(shí)踐,相信這種智能化的方案一定會(huì)被廣泛地采納應(yīng)用,為新能源的應(yīng)用提供可靠的技術(shù)保障。
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