光伏水泵控制器的制作方法

专利名称：光伏水泵控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于太阳能光伏水泵控制技术领域，特别涉及一种光伏水泵控制器。
背景技术：
在无电力供应的农村和边远地区，灌溉需要电力供应。为此，发展出光伏发电技 术，即采用光伏水泵控制系统合理地开发地下水资源，一定程度上解决了这些地区的饮水 和农业用水问题，这将给这些地区带来巨大生态和经济效益。但是，由于光伏水泵系统总体价格比较昂贵，一定程度上阻碍了光伏水泵系统在 农村和边远地区的推广。价格偏高的主要原因是太阳能电池板和蓄电池的成本高，而太阳 能电池板是必不可少的，随着技术的发展价格已经有所下降。而蓄电池主要是在日照强烈 时储存能量，日照弱时释放能量，但这对大部分边远地区没什么实质意义，因为饮水和农业 用水不是时时需要，不像电力需求那样。另外，普通单个蓄电池价格比较高、使用年限也有 限。太阳能电池发电效率目前还不算高，为了提高系统的整体效率，寻求最大功率输 出是一种好办法。为了保证任意日照强度下，都具有最大输出功率，则应使太阳能电池始终 工作在最大功率点曲线上。如图1所示，太阳能电池输出特性曲线图，根据太阳能电池输出 特性和最大功率点曲线特性。在本实用新型发明之前，目前常用最大功率跟踪方式有恒定电压法(CVT)跟踪、 扰动观察法(P&o)、增加电导法(INC)等。CVT控制简单易实现，成本低，但随着季节变化误 差比较大。P&0无需知道阵列特性，需要迭代过程，但系统无法稳定在最大功率点上。INC 计算准确，很好的防止误判，但需要高精度的电流电压传感器，成本较高。
发明内容本实用新型的目的就在于克服上述缺陷，研制一种光伏水泵控制器。本实用新型的技术方案是光伏水泵控制器，其主要技术特征在于太阳能电池板输出端分别接开关电源、DC/ DC电路的输入端，开关电源输出端分别接控制单元、缓冲隔离器、过零比较电路、母线电压 电流检测电路、温度检测电路、水位打干检测电路，DC/DC电路输出端接三相逆变桥的输入 端，三相逆变桥的输出端分别接无刷直流电机、过零比较电路的输入端，控制单元的输出端 分别接缓冲隔离器、通讯接口、液晶屏、指示灯的输入端，缓冲隔离器的输出端接功率驱动 电路的输入端，功率驱动电路的输出端连接三相逆变桥电路的输入端，过零比较电路、母线 电压电流检测电路、温度检测电路、水位打干检测电路、外围电路的输出端均接到控制单元 的输入端。本实用新型的优点和效果在于1、利用太阳能电池将光能转换为电能，从光伏阵列输出能量，通过DC/DC变换器、 三相逆变桥等将能量传递给无刷直流电机和水泵，将水提至蓄水池。[0011]2、采用一种DC/DC拓扑结构的硬件变换环节，并采用一种最大功率跟踪算法--改 进型的自适应爬山法，控制算法虽复杂但由电脑控制，且应用较为简单，计算准确，能够很 好的实现最大功率输出。3、应用于无蓄电池的光伏水泵系统，大大降低成本，需要蓄水池，适合日出而作、 日落而息的工作方式，另外还具有操作简单、维护方便等特点。4、具有智能保护功能，对过电流、过电压、欠电压、打干、温度过高等问题能够快速 作出反应，及时保护控制器的安全。本实用新型实现了最大功率跟踪功能，DC/DC电路还需与控制单元配合使用，实现 最大功率跟踪算法。本实用新型的其他优点和效果将在下面继续说明。
图1——太阳能电池输出特性曲线示意图。图2——本实用新型电路原理示意图。图3——本实用新型应用主程序流程示意图。图4——本实用新型中过零点比较电路原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型控制器作进一步说明。如附图2所示本实用新型主要由DC/DC电路2 (Buck电路)、开关电源3、温度检测电路4、母线电 压电流检测电路5、水位打干检测电路6、控制单元16、外围电路7、人机交互接口(指示灯 及键盘8、液晶屏10)、通讯接口 9、三相逆变桥11、功率驱动电路12、缓冲隔离器13、过零比 较电路14组成。外部的太阳能电池板1输出端分别接开关电源3、DC/DC电路2的输入端，开关电 源3输出端分别接控制单元6、缓冲隔离器13、过零比较电路14、母线电压电流检测电路5、 温度检测电路4、水位打干检测电路6，DC/DC电路2输出端接三相逆变桥11的输入端，三 相逆变桥11的输出端分别接无刷直流电机15、过零比较电路14的输入端，控制单元16的 输出端分别接缓冲隔离器13、通讯接口 9、液晶屏10、指示灯及键盘8的输入端，缓冲隔离器 13的输出端接功率驱动电路12的输入端，功率驱动电路12的输出端连接三相逆变桥11电 路的输入端，过零比较电路14、母线电压电流检测电路5、温度检测电路4、水位打干检测电 路6、外围电路7的输出端均接到控制单元6的输入端。太阳能电池板1输出端引出两路导线分别接入光伏水泵控制器的DC/DC电路2和 开关电源3的输入端，一路经开关电源3，输出至控制单元16、缓冲隔离器13、过零比较电路 14 ；另一路接到DC/DC电路2的输入端，从DC/DC电路2输出端接至母线电压电流检测电路 5中的霍尔电压传感器一端，将霍尔电流传感器的另一端送至三相逆变桥11。控制单元16的六个PWM引脚输出端连接缓冲隔离器13的输入端，缓冲隔离器13 的输出端连接功率驱动电路12的输入端，功率驱动电路12的输出端连接三相逆变桥11 电路中六个MOS管的漏极。三相逆变桥11引出三根导线连接无刷直流电机(BLDCM) 15，从而带动水泵。从三相逆变桥11输出的三根导线还要引接到过零比较电路14的输入端，将其输 出端连接控制单元16的外部中断引脚。从连接六个MOS管的散热片上的热敏电阻引出至温 度检测电路4的输入端，温度检测电路4的输出端连接控制单元16的一个A/D采样引脚。 从霍尔电流传感器的第三个端子引出，连接到母线电压电流检测电路5中电流检测电路的 输入端，将电流检测电路的输出端送至控制单元16的另一个A/D采样引脚。从三相逆变桥 11的前端采样电阻引出至电压检测电路的输入端，将电压检测电路的输出端连接控制单元 16的第三个A/D采样引脚。将检测水位的三根导线连接至水位打干检测电路6的输入端，从其输出端连接至 控制单元16的另一个外部中断引脚。外围电路7连接控制单元16的有关引脚；人机交互 接口(指示灯及键盘8、液晶屏10)连接控制单元16的有关I/O引脚；通讯接口 9连接控 制单元16的RXD\TXD引脚。首先，光伏水泵控制器从外 部太阳能电池板1输出端引入，一路经开关电源3，开 关电源3主要由DC-DC直流变换芯片UC3842及外围电路、自制变压器Tl、变压器前端输入 电路、变压器前端反馈电路、变压器四路输出电路、5V稳压管LM7805、3. 3V稳压片LM111733 构成。UC3842的1脚补偿由变压器前端反馈电路经R77、R79、C47引入；2脚电压反馈是经 R77、R82、可调电阻R85分压获得；3脚电流取样是由变压器前端输入二端子引至Q8，再从 源极至小电阻R90，再由R87、C52滤波后获得；接入内部震荡器频率由R86、C53接至4脚； 6脚输出控制信号至Q8，调整变压器输入。变压器四路输出线圈匝数需计算恰当，并产生四 路电源士 15V/15V/15V/3. 3V。输出3. 3V给控制单元16，输出两路15V给缓冲隔离器13的 光耦及其他器件块，输出+/-15V给过零比较电路14的运放。控制单元16及其外围电路7是DSP56F8037控制芯片为控制核心，它负责整个控 制器的控制、数据的采集和处理、最大功率跟踪算法的实现，以及软件保护等，其主程序流 程框图如附图3所示。具体是产生6路PWM波形，控制无刷直流电机的转子切换，由开环控 制至闭环控制，并算出转子位置及当前转速；将温度、电压、电流信号采集后综合分析处理； 一路PWM波形控制BuckDC/DC电路2的MOS开关管Ql，实现最大功率跟踪算法；将反电势 过零信号接收后作一定的滞后补偿，调整转子切换时间；处理打干硬件中断等。控制单元16的六个PWM引脚输出端连接缓冲隔离器13的输入端，缓冲隔离器13 由与非门SN7404与高速光耦构成。6路PWM波形则从控制单元16输出，接至与非门，增强 驱动能力；再连接高速光耦，光电隔离后送至功率驱动电路12。这个电路主要是防止后级 电路由于控制错误或者其他因素导致电流过大、母线正负短接，造成线路、器件烧毁；另外 还能防止控制单元16在控制器启动初始或者复位就直接6路同时输出高电平。缓冲隔离器13的输出端连接功率驱动电路12的输入端，功率驱动电路12主要由 功率MOSFET集成驱动电路IR2130及其他辅助电路构成。缓冲隔离器13输出六路控制信号 给IR2130输入端；采用电阻R63、变阻器R55、电容C3、C32将采样电流送至IR2130内部的 电流检测电路；IR2130内部报警经8脚接至光耦U15后，最后连接控制单元16引脚GPI0A6 ； 从因IR2130内部的3路驱动高压侧功率MOS器件的输出驱动器的电源是通过自举技术获 得的，为了防止自举电容两端电压放电，选用了快速恢复二极管BYV26E。另外使用DC/DC进 行自举给悬浮电源供电，避免了自举电容相应速度慢的缺点，提高了系统的可靠性。[0032]经过其中的IR2130后，连接三相逆变桥11电路。三相逆变桥11由6个MOS开关 管、6个快速恢复二极管构成，行成三路上下桥臂。Q2、Q3、Q4是上桥臂，Q5、Q6、Q7是下桥 臂，6个快速恢复二极管分别并联在6个MOS开关管上。三个上桥臂MOS开关管漏极一起连 至DC/DC电路2输出端正极，三个下桥臂MOS开关管的源极一起连至DC/DC电路2输出端 负极。6个MOS开关管的栅极分别连至功率驱动电路12的输出端恥1、恥2、恥3、1^1、1^2、 LG3。三路上下桥臂的中间分别输出U、V、W三根导线连接无刷直流电机(BLDCM) 15，从而带 动水泵从外部太阳能电池板1输出端的另一路接到DC/DC电路2的输入端，所示的DC/ DC电路2为Buck降压电路，由MOS开关管Ql、电感线圈Li、二极管D2、大电容C2组成。太 阳能电池板1输出到MOS开关管Ql的源极，由控制单元16的一个引脚连接DC/DC电路中 的MOS管Ql的漏极，作为控制信号连接。栅极连接电感线圈Ll的一端，并与二极管D2的 负极相连，Ll另一端接电容C2的正极并引出作为母线电压给逆变桥，D2、C2的另一端同时 与地相连。此电路电感线圈Ll选择非常重要。从DC/DC电路2输出端接至母线电压电流检测电路5中的霍尔电流传感器一端， 将霍尔电流传感器的另一端送至三相逆变桥11的正负极，作为母线。从三相逆变桥11输出 的U、V、W三根导线还要引接到过零比较电路14的输入端，过零比较电路14是对应于无位 置传感器无刷直流电机15而言。无刷直流电机15运用在光伏水泵系统中，因为其机械特 性好、起动转矩大、调速范围宽、控制相对简单，比起其他类型电机运行效率高。另外系统一 般要求电机潜入水中运行，选用无位置传感器无刷直流电机15是光伏水泵系统理想的选 择。但无刷直流电机15运转时转子位置的检测则是一个难题，利用反电势过零点检测能很 好的解决问题。过零比较电路14主要是由高速、线性光耦，滤波电路，过零比较器等组成。 如图4所示，反电势信号经过线性光耦将电压降下，经过隔直通交电路滤去直流分量，再经 过一阶滤波电路后送至过零比较器，最终将获得的信号最终送至控制单元16的外部中断 引脚，以便电机很好的切换。另外因为有滤波电路的存在，相应的滞后需要由软件来补偿。从连接六个MOS管的散热片上的热敏电阻引出至温度检测电路4的输入端，温度 检测电路4的输出端连接控制单元16的一个A/D采样引脚。温度检测电路4由控制器散 热片上的热敏电阻R13接入，经过适当电压调整后，接至R334、C313、C314滤波后接U5运放 LM358至控制单元16的A/D端口 ANA4。母线电压电流检测电路5分两部分，电流检测电路的输入端与三相逆变桥11的前 端采样电阻R4相连，经过D4、线性光耦U2隔离后，降压接至U3运放LM358至控制单元16 的A/D采样引脚ANAO ；电流检测电路是经霍尔电流传感器的第三个端子输出小电流，经电 压分压接R330、R331、C12、C312滤波后接U6运放LM358至控制单元16的另一个A/D采样 引脚ANAl。将检测水位的三根导线连接至水位打干检测电路6的输入端，从其输出端连接至 控制单元16的另一个外部中断引脚。水位打干检测电路6是由WH、WL、CM三个导线端子 检测当前水位的高度，其中所在WH水位最高，是水泵停机的水位；WL水位局中，是水泵开机 的水位；CM为公共端在最底端。WH接+15V电源，WH和WL之间存在一个水位差，构成水位 检测的滞环，以免当水位上下波动时造成电机频繁开关。整个水位打干检测电路6由电阻 Rl 17、Rl 19、电容 C65、光耦 U25、U24 运放 LM358 组成。[0038]人机交互接口(指示灯及键盘8、液晶屏10)连接控制单元16的有关I/O引脚；为操作人员提供了控制器状态的指示、相关数据回放、及参数设置等方便操作。指示灯由三个 LED组成，分别为DSl指示运行正常，DS2指示系统有故障，DS3指示水位打干报警。指示灯 及键盘8的键盘由芯片HD7279支持的4*4按键构成。液晶屏10由带字库的型号为12864 实现，它与键盘配合使用，可以对控制单元16的相关参数进行设置修改。通讯接口 9连接控制单元16的RXD\TXD引脚。为以后软件升级、数据上传、组网 控制提供了可能。控制单元16采用符合RS-232标准协议的驱动芯片MAX232进行通信。 在芯片MAX232与DSP56F8037之间必须加电压转换电路，选取电阻进行降压。串口配置为 波特率9600b/t、一个开始位、一个停止位、一个奇偶校验位；后续可使用RS232/RS485转接 口，进行RS485协议传输信号。
权利要求光伏水泵控制器，其特征在于太阳能电池板输出端分别接开关电源、DC/DC电路的输入端，开关电源输出端分别接控制单元、缓冲隔离器、过零比较电路、母线电压电流检测电路、温度检测电路、水位打干检测电路，DC/DC电路输出端接三相逆变桥的输入端，三相逆变桥的输出端分别接无刷直流电机、过零比较电路的输入端，控制单元的输出端分别接缓冲隔离器、通讯接口、液晶屏、指示灯的输入端，缓冲隔离器的输出端接功率驱动电路的输入端，功率驱动电路的输出端连接三相逆变桥电路的输入端，过零比较电路、母线电压电流检测电路、温度检测电路、水位打干检测电路、外围电路的输出端均接到控制单元的输入端。
2.根据权利要求1所述的光伏水泵控制器，其特征在于DC/DC电路为Buck降压电路， 由MOS开关管Ql、电感线圈Li、二极管D2、大电容C2组成；太阳能电池板输出到MOS开关 管Ql的源极，由控制单元的一个引脚连接DC/DC电路中的MOS管Ql的漏极；栅极连接电感 线圈Ll的一端，并与二极管D2的负极相连，Ll另一端接电容C2的正极并引出作为母线电 压给逆变桥，D2、C2的另一端同时与地相连。
3.根据权利要求1所述的光伏水泵控制器，其特征在于过零比较电路主要是由高速、 线性光耦，滤波电路，过零比较器组成；三相逆变桥输出端经过线性光耦U16后，连接电容 C56，再经过R95、C57组成的滤波电路后送至过零比较器U17，最终将获得的信号最终送至 控制单元的外部中断引脚。
4.根据权利要求1所述的光伏水泵控制器，其特征在于开关电源主要由直流变换芯片 UC3842及外围电路、自制变压器Tl、变压器前端输入电路、变压器前端反馈电路、变压器四 路输出电路、5V稳压管LM7805、3. 3V稳压片LMl 11733构成；UC3842的1脚补偿由变压器 前端反馈电路经R77、R79、C47引入；2脚电压反馈是经R77、R82、可调电阻R85分压获得； 3脚电流取样是由变压器前端输入二端子引至Q8，再从源极至小电阻R90，再由R87、C52滤 波后获得；接入内部震荡器频率由R86、C53接至4脚；6脚输出控制信号至Q8，调整变压器 输入。
5.根据权利要求1所述的光伏水泵控制器，其特征在于控制单元的六个PWM引脚输出 端连接缓冲隔离器的输入端，缓冲隔离器的输出端连接功率驱动电路的输入端，功率驱动 电路的输出端连接三相逆变桥电路中六个MOS管的漏极，三相逆变桥引出三根导线连接无 刷直流电机。
6.根据权利要求1或2所述的光伏水泵控制器，其特征在于从DC/DC电路输入端的 霍尔电流传感器的第三个端子引出，连接到母线电压电流检测电路中电流检测电路的输入 端，将电流检测电路的输出端送至控制单元的另一个A/D采样引脚，从三相逆变桥的前端 采样电阻引出至电压检测电路的输入端，将电压检测电路的输出端连接控制单元的第三个 A/D采样引脚。
7.根据权利要求1所述的光伏水泵控制器，其特征在于将水位打干检测电路中检测水 位的三根导线连接至水位打干检测电路的输入端，从水位打干检测电路的输出端连接至控 制单元的另一个外部中断引脚；水位打干检测电路由电阻R117、R119、电容C65、光耦U25、 U24运放LM358组成。
专利摘要本实用新型涉及一种光伏水泵控制器。本实用新型结构是太阳能电池板输出端分别接开关电源、DC/DC电路，开关电源接控制单元、缓冲隔离器、过零比较电路、母线电压电流检测电路、温度检测电路、水位打干检测电路，DC/DC电路接三相逆变桥后再分别接无刷直流电机、过零比较电路，控制单元分别接缓冲隔离器、通讯接口、液晶屏、指示灯，缓冲隔离器接功率驱动电路后接三相逆变桥电路，过零比较电路、母线电压电流检测电路、温度检测电路、水位打干检测电路、外围电路的输出端均接到控制单元的输入端。解决了恒定电压法、扰动观察法、增加电导法等存在的误差比较大、系统无法稳定、成本较高等缺陷。本实用新型操作简单、维护方便，实现最大功率跟踪算法。
文档编号F04B49/06GK201730811SQ20102012744
公开日2011年2月2日 申请日期2010年3月10日 优先权日2010年3月10日
发明者丛进, 张丽丽, 江东流, 莫岳平 申请人:扬州大学