胡 慶，張 康，卓必新，唐子錢

(成都大學(xué)電子信息工程學(xué)院，四川 成都 610106)

基于嵌入式太陽能LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡 慶，張 康，卓必新，唐子錢

(成都大學(xué)電子信息工程學(xué)院，四川 成都 610106)

從高效利用綠色能源的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款新型的基于嵌入式技術(shù)的太陽能LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).系統(tǒng)采用太陽能電池發(fā)電并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，利用PWM對(duì)升降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤充電控制和蓄電池的智能管理，利用LED照明以提高能源利用率.系統(tǒng)工作可靠性，具有實(shí)用性及環(huán)保性.

太陽能;最大功率點(diǎn)跟蹤;嵌入式;LED照明;智能控制

0 引言

太陽能是目前備受關(guān)注的綠色能源之一，其中，應(yīng)用最廣泛的是光伏電池發(fā)電，但光伏電池易受外界多種條件及自身因素的影響，其輸出特性具有明顯的非線性［1－5］.從高效利用綠色能源的角度出發(fā)，本研究設(shè)計(jì)了一種新型的基于嵌入式技術(shù)的太陽能LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效率，獲得了最大的功率輸出.該系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、環(huán)保、實(shí)用，可廣泛應(yīng)用于各類嵌入式設(shè)備電源的設(shè)計(jì)中.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的基于嵌入式太陽能LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括控制器模塊、太陽能電池組、DC/DC轉(zhuǎn)換器及最大功率點(diǎn)追蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)充電控制、儲(chǔ)存電能的蓄電池組、LED照明PWM控制驅(qū)動(dòng)、LED光源以及終端管理平臺(tái)等部分，系統(tǒng)組成如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)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，在嵌入式控制芯片的控制下，利用升壓降壓雙模式拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，采用MPPT方式在智能充電管理芯片的協(xié)助下將電能儲(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光源提供安全高效的電壓、電流，使其安全、穩(wěn)定、高效、可靠地工作.系統(tǒng)對(duì)LED光源亮度采用2種模式進(jìn)行調(diào)節(jié):模式一，系統(tǒng)根據(jù)外界環(huán)境光線的強(qiáng)弱進(jìn)行智能調(diào)光;模式二，人為自行調(diào)光.此外，在系統(tǒng)的終端管理平臺(tái)和人機(jī)交互界面上還可以對(duì)該系統(tǒng)的溫度、電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于系統(tǒng)日常的檢測(cè)和維護(hù).

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)包括最大功率點(diǎn)跟蹤、電流電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)、光線檢測(cè)、蓄電池和LED照明的智能管理及人機(jī)交互界面及終端管理平臺(tái)，其中關(guān)鍵在于最大功率點(diǎn)跟蹤.

2.1 最大功率點(diǎn)跟蹤

最大功率點(diǎn)跟蹤設(shè)計(jì)以PWM作為控制參數(shù)，采用變化步長(zhǎng)的方式，即自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法［3］對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤.在距最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，選擇較大的步長(zhǎng)，便于以較快的速度接近系統(tǒng)最佳工作狀態(tài);在距最大功率點(diǎn)較近時(shí)，選擇較小的步長(zhǎng)，在接近系統(tǒng)最佳工作狀態(tài)的同時(shí)減小或避免系統(tǒng)過分的擺動(dòng).其功率—占空比(P－D)關(guān)系如圖2所示.

圖2 P－D關(guān)系示意圖

由圖2可知，功率占空比導(dǎo)數(shù)的絕對(duì)值|dP/dD|在接近最大功率點(diǎn)時(shí)逐漸變小.為此，本研究采用下式構(gòu)造實(shí)時(shí)步長(zhǎng)，

式中:K+1為占空比D的調(diào)整步長(zhǎng)(0＜k＜1);dP=P(K)－P(K－1)，代表功率變化的幅度;kp為比例因子.由式1可以看出，當(dāng)功率變化較小時(shí)，步長(zhǎng)K+1也較小，可以保證輸出功率的平滑性;當(dāng)功率變化較大時(shí)，步長(zhǎng)k+1也較大，能夠快速跟蹤最大功率點(diǎn)，使系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力.比例因子kp代表系統(tǒng)靈敏度的大小，越大系統(tǒng)反應(yīng)越靈敏.

據(jù)此，可得到自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法程序流程如圖3所示.

圖3 自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法的設(shè)計(jì)流程圖

首先，利用U和I的值計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻輸出功率P(K)，得到dP=P(K)－P(K－1).CMP為系統(tǒng)設(shè)定的門限值，決定控制器的控制精度.當(dāng)|dP|＜CMP時(shí)，可認(rèn)為系統(tǒng)工作在最大功率附近，此時(shí)不需要調(diào)整占空比D;當(dāng)|dP|＞CMP時(shí)，說明當(dāng)前工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)，需要計(jì)算出新的步長(zhǎng)，以調(diào)節(jié)占空比D.接下來要判斷dP的符號(hào)，若為正，則繼續(xù)原方向變化;若為負(fù)，應(yīng)朝相反方向變化.變量flag為步長(zhǎng)的符號(hào)位，決定占空比D的變化方向，取1和－1.

2.2 管理平臺(tái)

為對(duì)該系統(tǒng)有一個(gè)良好的調(diào)試和管理，本研究設(shè)計(jì)了液晶屏調(diào)試平臺(tái)和手機(jī)終端管理平臺(tái)，在系統(tǒng)板上進(jìn)行調(diào)試的同時(shí)也可以通過藍(lán)牙設(shè)備將系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行回傳并顯示在終端管理平臺(tái)上，參數(shù)包括太陽能電池輸出電壓、充電回路電流、太陽能電池輸出的功率、系統(tǒng)各個(gè)組件的溫度、蓄電池電量、充放電狀態(tài)等.該平臺(tái)可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效地控制，如系統(tǒng)發(fā)生異常(溫度)時(shí)發(fā)出報(bào)警并停止工作、對(duì)LED光源進(jìn)行人工調(diào)節(jié)亮度、停止充電等控制，建立起一個(gè)人性化的人機(jī)交互界面.液晶屏調(diào)試平臺(tái)和終端管理平臺(tái)如圖4所示.

圖4 液晶屏調(diào)試平臺(tái)和終端管理平臺(tái)

3 實(shí)驗(yàn)

在完成以上設(shè)計(jì)并能夠通過管理平臺(tái)觀察各個(gè)參數(shù)和控制LED的亮度及系統(tǒng)的其他功能的實(shí)現(xiàn)后，再使用開路電壓為21.5 V、短路電流為0.57 A、最大功率為10 W太陽能電池板進(jìn)行實(shí)驗(yàn).在不同的時(shí)間段輸出電壓相同的情況下通過調(diào)試平臺(tái)觀察有MPPT和無MPPT 2種情況下各自的充電回路電流，并進(jìn)行功率比較實(shí)驗(yàn)，其數(shù)據(jù)如圖5所示.

圖5 有MPPT和無MPPT各自的充電回路電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖5中，很容易觀察到通過MPPT對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的提高.

4 結(jié)論

本研究采用嵌入式芯片控制的太陽能LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、效率高，且具有針對(duì)蓄電池過充、過放、輸出過流等異常情況的多種保護(hù)作用，并實(shí)現(xiàn)了太陽能電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤.本系統(tǒng)能夠?qū)Ω鱾€(gè)模塊的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，LED光源既能夠根據(jù)外界環(huán)境進(jìn)行智能調(diào)節(jié)亮度，也可以根據(jù)需要進(jìn)行人工調(diào)光.此外，系統(tǒng)還擴(kuò)展設(shè)計(jì)了5 V的USB電源接口，可方便地移植到其他設(shè)備中，具有一定的推廣價(jià)值.

［1］歐陽名三，余世杰，沈玉木梁.一種太陽能電池MPPT控制器實(shí)現(xiàn)及測(cè)試方法的研究［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2004，18(2):30 －34.

［2］王健，劉廷章，楊曉.基于太陽能驅(qū)動(dòng)的 LED照明系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化儀表.2008，52(12):5 －10.

［3］路曉，秦立軍.自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法在光伏MPPT中的應(yīng)用與仿真［J］.現(xiàn)代電力，2011，28(2):80 －84.

［4］王宜懷，吳瑾，蔣銀珍.嵌入式系統(tǒng)原理與實(shí)踐—ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

［5］王銳，周澤坤，張波.用于PWM控制DC-DC變換器的電流檢測(cè)電路［J］.電子與封裝，2006，6(7):28 －31.

Design and Implementation of Solar LED Lighting Driver System Based on Embedded Technique

HU Qing，ZHANG Kang，ZHUO Bixin，TANG Ziqian
(School of Electronic and Information Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China)

A new solar LED lighting driver system based on embedded technique is designed for efficient use of green power.It generates electricity by solar cells which are detected real-timely.Boost-Buck DC/DC converter is controlled by the PWM to realize the control of the maximum power point tracking(MPPT)charge and the intelligent management to the batteries.LED is adopted to improve the energy efficiency，working reliability，practicality and environment protection.

solar power;MPPT;embedded;LED-lighting;intelligent control

TM914.4

A

1004－5422(2014)01－0049－03

2013－11－13.

四川省教育廳科技應(yīng)用基金(11ZB278)資助項(xiàng)目.

胡 慶(1977—)，女，碩士，副教授，從事通信電路與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究.