金愛娟，鄭天翔，唐新雯，紀(jì)晨燁，李文龍

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

基于LabVIEW與DSP的光伏水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金愛娟，鄭天翔，唐新雯，紀(jì)晨燁，李文龍

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

針對以往光伏水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中控制器的高效性和監(jiān)測方法的可靠性較低，無法滿足工作性能需要的問題。文中以光伏水泵為研究對象，基于虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW 和數(shù)字控制芯片DSP，設(shè)計(jì)了采用Z源逆變器控制的系統(tǒng)硬件電路，并通過LabVIEW的電機(jī)模擬仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，實(shí)現(xiàn)了從信號采集到反饋控制以及系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測等多項(xiàng)功能，降低了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

LabVIEW；Z源逆變器；光伏水泵

目前國內(nèi)光伏水泵系統(tǒng)大多工作于偏遠(yuǎn)地區(qū)，環(huán)境因素對系統(tǒng)性能影響較大，且少有全面的系統(tǒng)安全性和可靠性檢測的環(huán)節(jié)。自動化控制系統(tǒng)在提高生產(chǎn)工作效率上具有顯著的優(yōu)勢。通過用計(jì)算機(jī)軟件與硬件相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測管理，已成為一種有效的技術(shù)手段。不但體現(xiàn)在節(jié)約勞動成本，加強(qiáng)設(shè)施系統(tǒng)在安全性可靠性上，同時也可提高環(huán)境耐受程度，使系統(tǒng)體積減小、維護(hù)成本降低。本文提出了在LabVIEW平臺上設(shè)計(jì)并模擬Z源逆變器光伏水泵的控制系統(tǒng)，利用Z源逆變器結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活等特點(diǎn)，在較大范圍內(nèi)對水泵驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。選用了DSP數(shù)字芯片控制，取代傳統(tǒng)的控制方法，提高系統(tǒng)的控制精度，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

1 控制系統(tǒng)的工作原理

光伏水泵系統(tǒng)控制芯片采用TMS320F2812型DSP。DSP芯片通過采樣電路收集主電路中光伏電池的輸出電壓UPV、IPV，Z源網(wǎng)絡(luò)中電感流IL、電容電壓UC，逆變器直流側(cè)電壓Ud、電流Id，逆變器交流側(cè)輸出相電壓Uab、線電流iA，異步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速v等參數(shù)。dsp芯片對收集的電路進(jìn)行處理，通過控制驅(qū)動電路，輸出控制信號控制開關(guān)管Q0～Q6的導(dǎo)通狀態(tài)和占空比，實(shí)現(xiàn)對光伏水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

光伏水泵控制系統(tǒng)需要檢測主電路中的多個電壓、電流值，并將檢測到的信號輸入控制芯片DSP2812，DSP2812生成驅(qū)動信號，控制主電路中的功率開關(guān)管。根據(jù)圖1可知，控制芯片DSP2812需要檢測的電路信號有：光伏電池板輸出電壓UPV、輸出電流IPV，用于光伏電池的MPPT控制；Z源逆變器中電感電流iL、電容電壓uC、逆變器直流側(cè)電壓ud和電流id，用于控制和調(diào)整逆變器直流側(cè)輸入電壓和電流；Z源逆變器交流側(cè)輸出電流IA、IB和輸出電壓UA和UB，用于控制異步電機(jī)調(diào)速；用速度傳感器檢測異步電機(jī)轉(zhuǎn)速V，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，用于電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中速度閉環(huán)輸入量。DSP2812檢測到上述輸入變量后，計(jì)算光伏陣列輸出的能量和負(fù)載水泵需要消耗的能量，控制光伏陣列輸出電壓和輸出電流使光伏陣列工作于最大功率點(diǎn)；根據(jù)Z源逆變器電容電壓和電感電流，以及逆變器直流側(cè)參考電壓控制Z源逆變器直通占空比，確保逆變器直流側(cè)電壓符合要求；通過檢測異步電機(jī)輸入電流電壓、輸出轉(zhuǎn)速計(jì)算輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)負(fù)載水泵揚(yáng)程和提水要求，確定負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，通過開關(guān)管Q1～Q6控制逆變器開關(guān)導(dǎo)通，反饋控制逆變器輸出的交流電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。

圖2 水泵監(jiān)測系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)采樣電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用電路主要作用是采集系統(tǒng)主電路中電流、電壓等參數(shù)信號，傳輸至DSP控制芯片，作為系統(tǒng)算法的參數(shù)輸入，實(shí)現(xiàn)控制功能。

2.1 交流電壓采樣電路

交流電壓采集電路采集Z源逆變器交流側(cè)輸出電壓信號，并將模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換器模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

2.2 交流電流采樣電路

電流采樣原理和電壓采樣有所類似，只是電流互感器傳輸?shù)男盘柺请娏髦?，需要進(jìn)行電流電壓變換才能進(jìn)一步傳送給后面的運(yùn)放電路進(jìn)行處理，在此通過一個精密電阻將電流信號的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號的變化，取精密電阻阻值10 Ω，進(jìn)行衰減調(diào)理真有效值轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換。

2.3 直流側(cè)信號采集電路

直流側(cè)電壓電流采集電路采用的是霍爾傳感器檢測直流變量，選取了LEM公司的LV28-P用于直流側(cè)電壓檢測器件，采用LV28-NP作為直流側(cè)電流檢測器件。

圖3 A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路

2.4 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換電路

光伏水泵系統(tǒng)中需要對采集到的模擬量和輸出的數(shù)字進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，需要用到A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換模塊。本設(shè)計(jì)用到了MAX186串行A/D轉(zhuǎn)換芯片，兩種轉(zhuǎn)換模塊電路如圖3所示。

3 LabVIEW系統(tǒng)監(jiān)測界面設(shè)計(jì)

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，是一款虛擬儀器軟件開發(fā)工具。電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)是基于LabVIEW平臺開發(fā)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測水泵系統(tǒng)中電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)室條件下，分析電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)將LabVIEW與DSP電機(jī)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)處理模塊相結(jié)合，可快速構(gòu)建電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)?？梢栽趯?shí)驗(yàn)室條件下，實(shí)時監(jiān)測光伏水泵系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，分析系統(tǒng)性能。DSP與LabVIEW之間通過CAN總線進(jìn)行通信。

圖4 虛擬儀器構(gòu)成框圖

基于LabVIEW的電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的前面板主要包括參數(shù)設(shè)置模塊、顯示模塊和控制模塊：

(1)顯示模塊。主要顯示定子磁鏈軌跡、 三相電流采樣值、電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，通過顯示模塊可實(shí)時觀察電機(jī)的眾多參數(shù)，分析電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；(2)參數(shù)設(shè)置模塊。通過控制頻率給定控制電機(jī)轉(zhuǎn)速給定，并調(diào)節(jié)電流反饋環(huán)和轉(zhuǎn)速反饋環(huán)P、I參數(shù)，實(shí)時控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；(3)控制模塊。主要作用是控制電機(jī)的啟動和停止，提供數(shù)據(jù)保存的功能。

電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LabVIEW程序主要提供前面板的具體實(shí)現(xiàn)，同時提供過流保護(hù)功能如圖5(a)所示；顯示模塊中包括轉(zhuǎn)速測量模塊如圖5(b)所示；定子電流和磁鏈軌跡測量如圖5(c)所示。

圖5 LabVIEW監(jiān)測控制模塊

過流保護(hù)模塊檢測電流值，當(dāng)電流值超過額定值時，過流保護(hù)模塊動作，提供保護(hù)功能；轉(zhuǎn)速測量模塊讀取轉(zhuǎn)速傳感器數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理后顯示在前面板；定子電流和磁鏈軌跡模塊采集電機(jī)定子電流和電壓信號，顯示定子電流，并且根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出電機(jī)磁鏈軌跡。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)置期望轉(zhuǎn)速為600 r/min，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠跟隨給定，當(dāng)在A點(diǎn)出，通過調(diào)整直流電機(jī)輸出突加轉(zhuǎn)矩負(fù)載，此時電機(jī)轉(zhuǎn)速會快速下降。如圖6所示，在Z源升壓FOC控制算法干預(yù)下，電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠迅速恢復(fù)給定值，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠跟隨參考轉(zhuǎn)速給定值。

圖6 基于Z源升壓控制的系統(tǒng)輸出波形

改變電機(jī)期望轉(zhuǎn)速給定，期望轉(zhuǎn)速由330 r/min上升到770 r/min，檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。由圖7可知，實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)給定轉(zhuǎn)速的變化而變化，且存在一定延時。

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨給定波形

因此，在基于Z源逆變器光伏水泵系統(tǒng)中采用Z源升壓FOC控制，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，系統(tǒng)能夠在較短時間內(nèi)跟隨給定值，確保速度恒定如圖6所示；當(dāng)改變系統(tǒng)轉(zhuǎn)速給定值時，電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠跟隨給定的改變?nèi)鐖D7所示。

5 結(jié)束語

研究并設(shè)計(jì)了光伏水泵控制系統(tǒng)的軟硬件部分。首先分析了光伏水泵系統(tǒng)的Z源逆變工作原理和控制結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)室條件下，搭建了系統(tǒng)的硬件平臺，采用直流電機(jī)作為負(fù)載代替水泵負(fù)載，采用可變直流電源代替光伏陣列，對Z源逆變器和電機(jī)系統(tǒng)控制算法進(jìn)行測試，根據(jù)需要對硬件進(jìn)行相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)和性能檢驗(yàn)，完成了對系統(tǒng)從信號采集、調(diào)速控制以及在LabVIEW軟件平臺上的在線監(jiān)控。

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Design of Control System for Photovoltaic Pump Based on LabVIEW and DSP

JIN Aijuan，ZHENG Tianxiang，TANG Xinwen，JI Chenye，LI Wenlong

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

In a conventional design of photovoltaic pump system, the controlling and monitoring methods have problems of low efficiency and reliability, thus failing to meet the demands of working performance. In this paper, with the photovoltaic pump as research object, a hardware circuit is designed with Z-source inverter control strategy based on virtual instrument LabVIEW and digital control chip DSP. Simulation of motor on LabVIEW shows the practicability of system design. Functions of signal acquisition, feedback control and real-time monitoring have been achieved for better stability and operating efficiency of system.

LabVIEW; z-source inverter; photovoltaic pump

2016- 04- 06

金愛娟(1972-)，女，博士，副教授。研究方向：綜合控制等。鄭天翔(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子非線性及控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.031

TP277；TM 46

A

1007-7820(2017)05-113-04