CN106130434B - 一种利用太阳能供电的水泵电机控制*** - Google Patents

一种利用太阳能供电的水泵电机控制*** Download PDF

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Abstract

一种利用太阳能供电的水泵电机控制***，包括太阳能组件、DC‑DC升压模块、DC‑AC逆变模块、负载水泵电机、PWM控制电路、电压检测电路、电流检测电路、电源单元、光伏UI采样电路、CPU控制单元和水位检测电路。太阳能组件输出接入DC‑DC升压模块，电源单元为PWM控制电路、DC‑AC逆变模块和CPU控制单元提供直流电源供给；DC‑DC升压模连接DC‑AC逆变模块，DC‑AC逆变模块输出接负载水泵电机，电压检测电路和电流检测电路连接DC‑DC升压模块输出，检测信号送至PWM控制电路中；光伏UI采样电路输入接太阳能组件，输出接CPU控制单元；CPU控制单元的输出送至DC‑AC逆变模块；该***具有高能源利用率、强稳定性且***体积小、成本低；结构具有通用性，有很好的推广应用价值。

Description

一种利用太阳能供电的水泵电机控制***
技术领域
本发明涉及一种利用太阳能供电的水泵电机控制***，属太阳能应用技术领域。
背景技术
近年来，太阳能应用技术在市场应用和研发生产上得到了广泛关注。太阳能水泵***作为一种集合多种学科高技术一体的***，在解决缺少地区的生活用水、农田灌溉等不同场合有着很大的实际意义。太阳能水泵技术既能实现能源的可持续发展，又能促进当地的经济发展和改善生态环境。
通常，太阳能水泵***由太阳能变换和水泵电机控制组成，采取相应的控制方法实现太阳能电池的最大功率输出，控制***控制水泵电机工作，实现从深井、江河等水源取水，用水居民生活或者工业生产。由于太阳能输出电压随外界环境温度，光照强度等气象因素影响不断变化，现有大多采用通用控制器的太阳能水泵控制***，能源利用率和***稳定性等效果都不理想。因此，如何使太阳能组件的输出功率能随时保持在当前环境下的最大值，采取相应的控制策略来实现水泵***的高效稳定运行，是一项值得深入研究的课题。
发明内容
本发明的目的是，为了克服现有技术的不足，提供一种利用太阳能供电的水泵电机控制***，提高太阳能利用率和实现***稳定可靠运行。
实现本发明的技术方案如下：一种利用太阳能供电的水泵电机控制***包括太阳能组件、DC-DC升压模块、DC-AC逆变模块、负载水泵电机、PWM控制电路、电压检测电路、电流检测电路、电源单元、光伏UI采样电路、CPU控制单元和水位检测电路。
整个水泵控制***由太阳能组件提供电源供给，太阳能组件输出端连接电源单元，另一端输出连至DC-DC升压模块；电源单元为PWM控制电路、DC-AC逆变模块和CPU控制单元提供相应的直流电源供给；DC-DC升压模块输出端与DC-AC逆变模块的输入端相连；DC-AC逆变模块输出端接着负载水泵电机；电压检测电路和电流检测电路用于采集DC-DC升压模块的输出电压、电流，将其输入到PWM控制电路中；光伏UI采样电路的输入端与太阳能组件输出端相连，输出端连接CPU控制单元；水位检测电路将检测水位信号送至CPU控制单元中；CPU控制单元的输出端与DC-AC逆变模块相连。
所述DC-DC升压模块采用全桥式整流滤波输出的推挽电路，包括输入稳压电容C1，高频变压器，高压功率开关管，，整流二极管、、、，输出滤波电感L，滤波电容C2；DC-DC升压模块用于将所述太阳能组件输出的直流电压48V升压到350V稳定输出。
所述PWM控制电路包括电流型控制芯片SG3525、***电阻电容电路以及以芯片LM358、光敏耦合器组成的电压控制器；芯片LM358的2、3引脚输入端是2.5V的电压小信号，芯片LM358的输出端1通过电阻R5连至光敏耦合器中发光二极管的阴极；光敏耦合器中发光二极管的阳极接+12V工作电压，光敏耦合器中受光三极管的集电极通过电阻R22接入控制芯片SG3525的引脚2，受光三极管的发射极接地，基极未引出；所述电流检测电路采集的电流信号通过电阻R20接入控制芯片SG3525的引脚1，引脚5、6、7分别外接电容C8、电阻R33和电阻R30，决定SG3525的锯齿波频率，引脚12直接接地，引脚8、16分别通过C12、C7旁路电容接地，引脚13、15接+12V工作电压，引脚11和引脚14是PWM控制电路的PWM输出口，输出PWM控制信号接入DC-DC升压模块中。
所述DC-AC逆变模块是以电压型智能功率模块IPM配备必要的***硬件电路组成，所述DC-DC升压模块输出的350V稳定高压接入DC-AC逆变模块，作为其直流输入电源；所述CPU控制单元输出的6路PWM信号接入DC-AC逆变模块，直接驱动智能功率模块IPM内部的IGBT功率管，输出相应的交流电接入所述的负载水泵电机。
所述CPU控制单元采用16位微控制器芯片SPMC75F系列单片机实现，集成了高性能的内核单元、串行接口、可编程I/O端口等常见功能模块，抗干扰能力强，适用于电机控制应用，工作电压为4.5V~5.5V，运算速度为0~24MHz；CPU控制单元的输入信号是所述光伏UI采样电路收集的电压电流信号和所述水位检测电路采集的水位信号，输出相应的PWM控制信号接至DC-AC逆变模块。
所述电压检测电路是由光耦OP1A、光耦OP1B、运放A1A、运放A1B以及必要的电阻电容组成；电压信号SP端经电阻R61接入光耦OP1A中发光二极管的阳极，电压信号SN端经电阻R62接入光耦OP1A中发光二极管的阴极，光耦OP1A中受光三极管的集电极接工作电压+12V，发射极经电阻R63接地；运放A1A的正端3与光耦OP1A中受光三极管的发射极相连，负端2经电阻R65接入光耦OP1B受光三极管的发射极，运放A1A的输出端接入光耦OP1B中发光二极管的阳极；光耦OP1B中发光二极管的阴极经电阻R64接地，受光三极管的集电极接工作电压+12V，受光三极管的发射极经电阻R66接地；运放A1B的正端5经电阻R67与光耦OP1B中发光二极管的阴极相连，负端6与运放A1B的输出端7短接，输出端7输出所检测的电压信号送至所述PWM控制电路中。
所述电流检测电路是利用霍尔电流传感器来实现，输出接一运放和相应的电阻电容后产生相应的电流信号送至所述PWM控制电路中。
所述电流检测电路由霍尔电流传感器、运算放大器和相应电阻电容构成；霍尔电流传感器输出经电阻R42与运算放大器的正端3连接，运算放大器的负端2与输出端1短接形成负反馈，运算放大器的输出端1经电阻R44电容C42输出采集的电流信号Id，送至所述PWM控制电路中。
所述光伏UI采样电路由所述电压检测电路和所述电流检测电路组成，用来采集所述太阳能组件的输出电压和输出电流，输入到所述CPU控制单元中，用于计算出所述太阳能组件的输出功率，实现最大功率跟踪控制。
所述电源单元是由主控制芯片UC3844构成的多路输出直流电源，能够实现整个***所需的5路直流电源5V、15V、+12Vl、+12V2和-12V2输出；其中，所述电源单元的输入是由所述太阳能组件提供；所述电源单元的5V输出给所述CPU控制单元供电，15V输出给所述DC-AC逆变模块供电，12V1给所述电源单元内部的主控芯片UC3844供电，+12V2和-12V2输出给其他芯片供电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用16位微控制器芯片SPMC75F系列单片机实现的CPU控制单元，以电压型智能功率模块IPM构成DC-AC逆变模块、由主控制芯片UC3844构成的多路输出直流电源单元和采用全桥式整流滤波输出的DC-DC升压模块，实现了控制***的高效稳定运行；本发明公开了一种利用太阳能供电的水泵电机控制***，能够适应各种复杂环境条件，具有较高的能源利用率和良好的稳定性能；同时本发明提供的控制***结构具有通用性，可满足多种应用电机的变压变频控制，***成本低、经济实用性强，有很好的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明的***结构示意图；
图2是本发明中DC-DC升压模块的电路原理图；
图3是本发明中PWM控制电路的电路原理图；
图4是本发明中电压检测电路的电路原理图；
图5是本发明中电流检测电路的电路原理图。
具体实施方式
以下结合实施例对照附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种利用太阳能供电的水泵电机控制***，包括太阳能组件、DC-DC升压模块、DC-AC逆变模块、负载水泵电机、PWM控制电路、电压检测电路、电流检测电路、电源单元、光伏UI采样电路、CPU控制单元以及水位检测电路。
整个水泵电机控制***的能源供应由太阳能组件提供，其输出功率的大小与环境温度、光照强度等气象因素有关，太阳能组件输出的直流低电压48V（输入电压范围40~50V）接入到DC-DC升压模块，另一路引入到电源单元中，满足***内部需要的多路直流电源输出。DC-DC升压模块的主电路选择推挽电路，负责将太阳能组件的直流电压稳定升压到350V；PWM控制电路通过电压检测电路和电流检测电路采样DC-DC升压模块的输出电压电流信号，反馈给PWM控制电路中的控制芯片SG3525产生两路互补PWM驱动信号，用来控制DC-DC升压模块的高压功率开关管的导通时间，使输出电压稳定在350V。光伏UI采样电路用于实现太阳能组件的最大功率跟踪，即 MPPT 控制部分，通过光伏UI采样电路采集太阳能组件输出的电压电流信号，送至CPU主控单元，结合相应的MPPT 控制算法完成太阳能组件的最大功率点跟踪控制；DC-AC逆变模块的功能是基于电压空间矢量（SVPWM）调制技术将DC-DC升压模块输出的直流高电压转变为变压变频的交流电，CPU主控单元中的SVPWM波形发生器产生的6路PWM触发脉冲信号，控制DC-AC逆变模块中功率开关管的占空比调节DC-AC逆变模块的输出电压和频率，从而控制水泵负载电机的输出功率与转矩，以达到调节水泵电机转速；***负载是离心式水泵，采用三相交流异步电机驱动水泵。水位检测电路用于防止水位下降水泵无法抽水造成电机空转损坏，将采集到的水位信号送至CPU主控单元中，控制脉冲信号输出从而实现水泵***的保护功能。
如图2所示，所述DC-DC升压模块采用全桥式整流滤波输出的推挽电路，包括输入稳压电容C1，高频变压器，高压功率开关管，，整流二极管、、、，输出滤波电感L，滤波电容C2；高频变压器中，高压功率开关管，由驱动电路以PWM方式激励控制通断，在功率开关管和的漏极产生周期性的方波信号，即在高频变压器次级输出周期性的方波信号，经全桥式整流滤波电路后输出稳定的350V直流高电压。 整个升压模块只需2个功率管实现，损耗低效率高，大大减小了***体积和成本。
如图3所示，所述PWM控制电路包括电流型控制芯片SG3525、***电阻电容电路以及以芯片LM358、光敏耦合器组成；芯片LM358的2、3引脚输入端是2.5V的电压小信号，芯片LM358的输出端1通过电阻R5连至光敏耦合器中发光二极管的阴极；光敏耦合器中发光二极管的阳极接+12V工作电压，光敏耦合器中受光三极管的集电极通过电阻R22接入控制芯片SG3525的引脚2，受光三极管的发射极接地，基极未引出；所述电流检测电路采集的电流信号通过电阻R20接入控制芯片SG3525的引脚1，引脚5、6、7分别外接电容C8、电阻R33和电阻R30，决定SG3525的锯齿波频率，引脚12直接接地，引脚8、16分别通过C12、C7旁路电容接地，引脚13、15接+12V工作电压，引脚11和引脚14是PWM控制电路的PWM输出口，输出PWM控制信号接入DC-DC升压模块中。
经由电压检测电路得到电压误差信号，送入PWM控制电路中控制芯片SG3525的引脚2作为控制器给定信号；将电流检测电路采样得到的输出电流信号，送至SG3525的引脚1作为反馈信号，两者比较产生误差信号，送至控制芯片SG3525振荡器中产生两路互补PWM驱动信号，经运放放大后分别送至 DC-DC升压模块中的高压功率开关管，栅极，控制两功率管的开通关断。当DC-DC升压模块输出电压升高时，PWM控制电路将控制PWM脉冲信号输出为正的时间变长，使得功率管的导通时间变短，从而使DC-DC升压模块输出电压稳定，反之亦然。
如图4所示，所述电压检测电路是由光耦OP1A、光耦OP1B、运放A1A、运放A1B以及必要的电阻电容组成；电压信号SP端经电阻R61接入光耦OP1A中发光二极管的阳极，电压信号SN端经电阻R62接入光耦OP1A中发光二极管的阴极，光耦OP1A中受光三极管的集电极接工作电压+12V、发射极经电阻R63接地；运放A1A的正端3与光耦OP1A中受光三极管的发射极相连，负端2经电阻R65接入光耦OP1B受光三极管的发射极，运放A1A的输出端接入光耦OP1B中发光二极管的阳极；光耦OP1B中发光二极管的阴极经电阻R64接地，受光三极管的集电极接工作电压+12V，受光三极管的发射极经电阻R66接地；运放A1B的正端5经电阻R67与光耦OP1B中发光二极管的阴极相连，负端6与运放A1B的输出端7短接，输出端7输出所检测的电压信号送至所述PWM控制电路中。
如图5所示，所述电流检测电路包括霍尔电流传感器、运算放大器和相应电阻电容；霍尔电流传感器输出经电阻R42与运算放大器的正端3连接，运算放大器的负端2与输出端1短接形成负反馈，运算放大器的输出端1经电阻R44电容C42输出采集的电流信号Id，送至所述PWM控制电路中。电流的检测利用霍尔电流传感器来实现，精度高且有很好的动态性能。
本发明提供的一种利用太阳能供电的水泵电机控制***，能适应各种复杂环境条件，实现***的高能源利用率和良好的稳定性能；同时该***体积小、成本低且经济实用性强；结构具有通用性，可满足多种应用电机的变压变频控制，有很好的推广应用价值。
本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种利用太阳能供电的水泵电机控制***，其特征在于，所述***包括太阳能组件、DC-DC升压模块、DC-AC逆变模块、负载水泵电机、PWM控制电路、电压检测电路、电流检测电路、电源单元、光伏UI采样电路、CPU控制单元和水位检测电路；
所述太阳能组件输出端连接电源单元，另一端输出连至DC-DC升压模块；所述电源单元为PWM控制电路、DC-AC逆变模块和CPU控制单元提供相应的直流电源供给；所述DC-DC升压模块输出端与DC-AC逆变模块的输入端相连；所述DC-AC逆变模块输出端接着负载水泵电机；所述电压检测电路的输入端和电流检测电路的输入端都连接DC-DC升压模块的输出端，电压检测电路和电流检测电路的输出连入PWM控制电路中；所述光伏UI采样电路的输入端与太阳能组件输出端相连，输出端连接CPU控制单元；所述水位检测电路将检测水位信号送至CPU控制单元中；所述CPU控制单元的输出端与DC-AC逆变模块相连；
所述PWM控制电路包括电流型控制芯片SG3525、***电阻电容电路以及以芯片LM358、光敏耦合器组成的电压控制器；芯片LM358引脚2、引脚3的输入端是2.5V的电压小信号，芯片LM358的输出端1通过电阻R5连至光敏耦合器中发光二极管的阴极；光敏耦合器中发光二极管的阳极接+12V工作电压，光敏耦合器中受光三极管的集电极通过电阻R22接入控制芯片SG3525的引脚2，受光三极管的发射极接地，基极未引出；所述电流检测电路采集的电流信号通过电阻R20接入控制芯片SG3525的引脚1，引脚5、6、7分别外接电容C8、电阻R33和电阻R30的一端，决定SG3525的锯齿波频率；外接电容C8的另一脚接电阻R25与控制芯片SG3525的引脚1连接，电阻R33的另一脚接地，电阻R30的另一端与电容C13的一端连接，电容C13的另一端接地；引脚12直接接地，引脚8和引脚16分别通过旁路电容C12和旁路电容C7接地，引脚13、引脚15接+12V工作电压，引脚11和引脚14是PWM控制电路的PWM输出口，输出PWM控制信号接入DC-DC升压模块中。
2.根据权利要求1所述的一种利用太阳能供电的水泵电机控制***，其特征在于，所述电压检测电路是由光耦OP1A、光耦OP1B、运放A1A、运放A1B以及必要的电阻电容组成；电压信号SP端经电阻R61接入光耦OP1A中发光二极管的阳极，电压信号SN端经电阻R62接入光耦OP1A中发光二极管的阴极，光耦OP1A中受光三极管的集电极接工作电压+12V、发射极经电阻R63接地；运放A1A的正端与光耦OP1A中受光三极管的发射极相连，负端经电阻R65接入光耦OP1B受光三极管的发射极，运放A1A的输出端接入光耦OP1B中发光二极管的阳极；光耦OP1B中发光二极管的阴极经电阻R64接地，受光三极管的集电极接工作电压+12V，受光三极管的发射极经电阻R66接地；运放A1B的正端经电阻R67与光耦OP1B中发光二极管的阴极相连，负端与运放A1B的输出端短接，输出端输出的电压信号送至所述PWM控制电路中。
3.根据权利要求1所述的一种利用太阳能供电的水泵电机控制***，其特征在于，所述电流检测电路由霍尔电流传感器、运算放大器和相应电阻电容构成；霍尔电流传感器输出经电阻R42与运算放大器的正端连接，运算放大器的负端与输出端短接形成负反馈，运算放大器的输出端经电阻R44电容输出采集的电流信号Id，送至所述PWM控制电路中；电阻R44还与二极管D41的阳极和电容C42的一端连接，二极管D41的阴极与5V电压端连接，电容C42的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的一种利用太阳能供电的水泵电机控制***，其特征在于，所述电源单元是由主控制芯片UC3844构成的多路输出直流电源，能够实现整个***内部所需的五路直流电源5V、15V、+12Vl、+12V2和-12V2；其中，所述电源单元的输入是由所述太阳能组件提供；所述电源单元的5V输出给所述CPU控制单元供电，15V输出给所述DC-AC逆变模块供电，12V1给所述电源单元内部的主控芯片UC3844供电，+12V2和-12V2输出给其他芯片供电。
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