《電子技術(shù)應(yīng)用》
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數(shù)控太陽能LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
摘要: 太陽能電池和led照明是新能源和節(jié)能高效技術(shù)的典型應(yīng)用,,由于LED光源的低電壓,、節(jié)能和長效等特征,,太陽能LED照明系統(tǒng)的應(yīng)用,將實(shí)現(xiàn)很高的能源利用效率,、工作可靠性和實(shí)用價(jià)值。
Abstract:
Key words :

  引言

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

  太陽能LED照明系統(tǒng)的組成高效節(jié)能的太陽能LED照明數(shù)字控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)" title="驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)">驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括太陽能電池組,、DC/DC轉(zhuǎn)換器及MPPT(最大功率點(diǎn)追蹤)充電控制,、儲(chǔ)存電能的蓄電池組和LED照明PWM控制驅(qū)動(dòng)及LED光源等部分,系統(tǒng)組成如圖1所示,。

 

 

圖1 太陽能LED照明系統(tǒng)組成

  太陽能LED照明系統(tǒng)的工作原理是:在有太陽光的時(shí)間段,,太陽能電池組將采集到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能,在控制系統(tǒng)的控制下,,采用太陽能光伏電池MPPT方式,,將電能儲(chǔ)存到蓄電池組中,在LED照明系統(tǒng)需要電能供電時(shí),,采用PWM控制驅(qū)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(tǒng)安全,、穩(wěn)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  太陽能LED照明控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

  1.1 控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

  本文根據(jù)太陽能光伏電池電能輸出和儲(chǔ)存的特點(diǎn)以及LED照明控制驅(qū)動(dòng)的新技術(shù)進(jìn)展,,設(shè)計(jì)了一種新型太陽能LED照明系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案,控制方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池和蓄電池的MPPT充放電管理,、LED照明控制驅(qū)動(dòng)管理,。系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示,控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)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(shù)字信號(hào)控制器(DSC),,DSC與單片機(jī)的不同之處,在于增加了DSP資源,,以單片機(jī)(MCU)為中心并融合了DSP,,具有MCU和DSP兩類指令。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(hào)乘法和除法運(yùn)算,,可進(jìn)行小數(shù)或整數(shù)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件原理示意圖

  dsPIC33F系列DSC全面支持?jǐn)?shù)字控制系統(tǒng),,豐富的PWM控制和ADC轉(zhuǎn)換功能特別適合DC/DC轉(zhuǎn)換、電源管理和LED照明控制系統(tǒng),,可滿足本設(shè)計(jì)對(duì)太陽能電池組,、蓄電池組MPPT、充放電控制,、DC/DC轉(zhuǎn)換控制和LED照明驅(qū)動(dòng)的控制管理,。

  1.2 太陽能光伏控制器及MPPT

  太陽能光伏電池控制充電電路采用數(shù)字信號(hào)控制器為核心的全數(shù)字式DC/DC轉(zhuǎn)換和MPPT電路,如圖3所示,。轉(zhuǎn)換器采用升壓降壓雙模式拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu),,這樣的電路結(jié)構(gòu)可以在從V in>V out到V in

圖3 DSC控制光伏DC-DC轉(zhuǎn)換/MPPT

    MPPT控制采用基于占空比為控制變量的擾動(dòng)觀察法,由于太陽能光伏電池的輸出呈非線性特性,,為提高其利用率,,對(duì)太陽能光伏電池的輸出進(jìn)行MPPT控制,以使太陽能光伏電池板的輸出功率在不同的溫度和太陽輻射強(qiáng)度下的達(dá)到最大化,,見圖4,,本設(shè)計(jì)是將MPPT和DC/DC轉(zhuǎn)換器結(jié)合起來,用高效率的轉(zhuǎn)換器起太陽能光伏電池負(fù)載的阻抗變換作用,,再在DSC的控制和管理下,,尋求太陽能LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大功率跟蹤。

  升壓轉(zhuǎn)換電路的輸入輸出電壓見下式,,降壓轉(zhuǎn)換電路的輸入輸出電壓關(guān)系見公式:

  式中U out為輸出電壓,,U int為輸入電壓。D 為PWM的占空比,,可通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)輸出端的電壓,。對(duì)于VT4通路,可通過調(diào)節(jié)PWM2H輸出驅(qū)動(dòng)的占空比,,從而調(diào)節(jié)負(fù)載電流,,因此,通過對(duì)PWM變換器的反饋控制,,可將光伏系統(tǒng)的工作點(diǎn)跟蹤穩(wěn)定在最大功率點(diǎn),。

圖4 尋找最大功率點(diǎn)

  蓄電池是太陽能LED照明系統(tǒng)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(tǒng)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(shè)計(jì)采用DSC集中控制管理,是將蓄電池的管理和MPPT的工作過程統(tǒng)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(nèi)容有電池容量,、三階段充電電池端電壓和電流測(cè)控、放電深度控制,、溫度補(bǔ)償控制等,。

  MPPT程序模塊流程如圖5所示。

圖5 MPPT流程簡圖

  在初始化后,,通過電流和電壓的采樣測(cè)量,,可獲得光伏電池的輸出功率,在輸出電壓穩(wěn)定的狀態(tài)下,,通過電流占空比的微調(diào)DD ,,使光伏電池的輸出電流有微量變化DI ,再檢測(cè)光伏電池的輸出功率的變化,,在設(shè)定的算法和當(dāng)時(shí)的環(huán)境變量情況下,,判斷DP 的變化方向,再來決定下一階段的占空比的變化方向,,見圖4,。如果功率的變化小于了設(shè)定的微小量ε,則判定找到了最大輸出功率點(diǎn),,只有到下一工作狀態(tài)時(shí),,才繼續(xù)尋找新的最大輸出功率工作點(diǎn)。

    1.3 LED照明驅(qū)動(dòng)控制電路

   本設(shè)計(jì)的LED照明驅(qū)動(dòng)控制為PWM方式恒壓恒流控制,,可調(diào)光多路大功率LED驅(qū)動(dòng)控制,, 如圖6 所示。電感L3,、功率MOSFET管VT6和VD4構(gòu)成升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器,,通過控制PWM3H輸出的PWM的占空比,獲得一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓,,PWM3L,、PWM4H和PWM4L這3個(gè)PWM通道進(jìn)行多路LED照明的恒流控制,R21,、R23,、R25提供LED照明驅(qū)動(dòng)電路的電流反饋采樣,U5是數(shù)字溫度傳感器DS18B20,,通過單總線1-wireBUS和數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC33F進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,,將LED照明光源的溫度送給DSC,R16向DSC提供輸出電壓采樣,,DSC將各路采樣反饋參數(shù)和程序的設(shè)置參數(shù)進(jìn)行對(duì)比后,,通過調(diào)節(jié)各PWM的占空比,使LED照明光源得到穩(wěn)定設(shè)置的驅(qū)動(dòng)電壓和電流。VT7,、VT8和VT9在DSC的數(shù)字PWM信號(hào)控制下,,使LED光源實(shí)現(xiàn)寬的調(diào)光范圍,在數(shù)字信號(hào)控制器DSC的控制管理下,,對(duì)LED照明光源的驅(qū)動(dòng)控制具有全面的過壓,、過流和熱防護(hù)功能。

圖6 LED照明驅(qū)動(dòng)控制

  2 結(jié)語

  本文對(duì)太陽能LED照明驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了分析和研究,,并針對(duì)太陽能光伏電池的特性,,提出了基于數(shù)字信號(hào)控制器和DC/DC轉(zhuǎn)換器的MPPT控制方式,結(jié)合大功率LED照明的驅(qū)動(dòng)特性,,設(shè)計(jì)了一種以DSC為控制核心的全數(shù)字化PWM式太陽能LED照明控制系統(tǒng),,具有恒壓恒流控制性能,寬范圍調(diào)光能力,,能從多個(gè)方面保護(hù)和改善蓄電池的工作狀態(tài),,延長蓄電池的使用壽命,采用數(shù)字PWM式的MPPT控制,,能使太陽能光伏電池工作在最佳功率輸出狀態(tài),。

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