【正文】 等深入 掌握和了解，確定了光伏充電器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 基于太陽能電池板充電系統(tǒng)控制工作原理 系統(tǒng)總體框圖 圖 系統(tǒng)總體框圖 該系統(tǒng)中鉛酸電池用于給負(fù)載供電，超級(jí)電容主要是提供電機(jī)啟動(dòng)時(shí)所需的大電流，和吸收電機(jī)制動(dòng)時(shí)的反饋能量。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 系統(tǒng)工作原理 整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分 之間協(xié)同工作需根據(jù)負(fù)載的工作狀態(tài)及光伏電池的能量輸出狀態(tài)來控制系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)兩個(gè) DCDC 變換器之間 的單片機(jī)相互通信，根據(jù)對(duì)方控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)來控制自身的工作狀態(tài)，相互之間協(xié)調(diào)有序運(yùn)行。 Buck 變換器單片機(jī)控制電路檢測(cè)電容充電狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到 buck 變換器對(duì)電容充電完成時(shí)，斷開 buck 變換器與光伏電池的連接，準(zhǔn)備進(jìn)入系統(tǒng)下一狀態(tài) —— 光伏電池通過 boost 變換器給鉛酸電池充電。 ②電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)： 電機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要較大的啟動(dòng)電流，由超級(jí)電容供給。 ④電機(jī) 制動(dòng)： 電機(jī)制動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的反饋電流，此時(shí)超級(jí)電容與電機(jī)連接，用來吸收這部分能量。 系統(tǒng)工作模式 由繼電器控制連接框圖可知，要想系統(tǒng)正常有序運(yùn)行，必須合理、準(zhǔn)確控制各個(gè)繼電器的狀態(tài)及系統(tǒng)中各個(gè)模塊的工作模式。 下面先分析系統(tǒng)處于充電狀態(tài)下的模式轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時(shí)，充電的對(duì)象有超級(jí)電容和鉛酸電池，變換器由 buck 變換器和 boost 變換器兩種，由于 buck 變換器只能用來給超級(jí)電容充電，而 boost 變換器可用來給超級(jí)電容和鉛酸電池充電，系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時(shí)，工作模式有 3 種。 圖 能量流向圖 該工作模式下， boost 變換器工作于恒流模式，單片機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)鉛酸電池的充電狀態(tài)。模式之間相互轉(zhuǎn)換時(shí)，必須十分注意此順序，轉(zhuǎn)換到該模式時(shí)，軟件控制中，也需檢測(cè)輸入電壓和超級(jí)電容的電壓，來判斷是否可以進(jìn)行該模式轉(zhuǎn)換。 Mode4：電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)，光伏電池、超級(jí)電容及鉛酸電池一同給負(fù)載供電的工作模式。 Mode5：電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行，光伏電池和鉛酸電池給負(fù)載供電的工作模式。 Mode6：超級(jí)電容吸收電機(jī)制動(dòng)時(shí)能量回饋模式。參見繼電器控制連接框圖繪制表格表明各個(gè)工作模式下繼電器的狀態(tài)如下： 表 各工作模式下繼電器狀態(tài)表 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 SW7 Mode1 OFF ON 觸點(diǎn) 2 觸點(diǎn) 4 OFF OFF 觸點(diǎn) 6 Mode2 ON OFF 觸點(diǎn) 1 觸點(diǎn) 4 OFF OFF 觸點(diǎn) 5 Mode3 ON OFF 觸點(diǎn) 2 觸點(diǎn) 3 OFF OFF 觸點(diǎn) 6 Mode4 ON OFF 觸點(diǎn) 1 觸點(diǎn) 4 ON ON 觸點(diǎn) 5 Mode5 ON OFF 觸點(diǎn) 1 觸點(diǎn) 4 ON OFF 觸點(diǎn) 5 Mode6 OFF OFF 觸點(diǎn) 2 觸點(diǎn) 4 OFF ON 觸點(diǎn) 5 Mode7 OFF OFF 觸點(diǎn) 2 觸點(diǎn) 4 OFF OFF 觸點(diǎn) 5 表 表明了系統(tǒng)在各種工作模式下時(shí)，各繼電器的開端狀 態(tài)或觸點(diǎn)連接狀態(tài)，由表可清楚看出系統(tǒng)在不同模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)繼電器狀態(tài)的變化，由于系統(tǒng)在模式轉(zhuǎn)換過程中各個(gè)模塊之間連接順序不是隨意的，繼電器切換的過程還需要根據(jù)繼電器連接框圖確定具體的切換順序。下面分析負(fù)載處于不同的工作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的工作模式以及相應(yīng)模式的切換。超級(jí)電容的電壓達(dá)到 boost 變換器輸出電壓上限時(shí)，停止充電，系統(tǒng)切換到停止模式。 分析各工作模式下繼電器狀態(tài)表可知： 由 Mode7 到 Mode1 的轉(zhuǎn)換只有 SW2， SW7 的狀態(tài)發(fā)生了變化。 該轉(zhuǎn)換過程 SW3， SW4， SW7 狀態(tài)發(fā)生變化。 該轉(zhuǎn)換過程 SW1， SW3 的狀態(tài)發(fā)生變化。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 負(fù)載啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行以及制動(dòng)停止： 圖 負(fù)載啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行以及制動(dòng)停止所有可能模式轉(zhuǎn)換圖 電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)時(shí)需要較大的啟動(dòng)電流，此時(shí)工作于 Model4，由鉛酸電池，超級(jí)電容，光伏電池經(jīng) boost 變換器同時(shí)給負(fù)載供電，超級(jí)電容主要是為了提供電機(jī)啟動(dòng)所需的電流。 （ 1）系統(tǒng)啟動(dòng)到 Model4，即由停止模式進(jìn)入電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)模式，此切換過程即由Model7 切換到 Model4， SW1， SW3， SW5， SW6 狀態(tài)發(fā)生變化，操作步驟： ① 合上 SW1 ② SW3 接觸點(diǎn) 1 ③ 閉合 SW6， SW5 （ 2） Model4 轉(zhuǎn)換到 Model5，即電機(jī)啟動(dòng)模 式進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行模式，此時(shí)切除超級(jí)電容對(duì)負(fù)載的供電。操作步驟：斷開 SW6。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 第 3 章 系統(tǒng)控制硬件設(shè)計(jì) 各組成模塊介紹 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理 通過太陽能電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)稱為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)?？刂破髫?fù)責(zé)保護(hù)蓄電池，防止出現(xiàn)過充或過放電狀態(tài)，即在蓄電池達(dá)到一定的放電深度時(shí)，控制器將自動(dòng)切斷負(fù)載，當(dāng)蓄電池達(dá)到過充電狀態(tài)時(shí)，控制器將自動(dòng)切斷充電電路。光伏電池在系統(tǒng)中作為能量輸入源。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 單片機(jī) 本課題中單片機(jī)采用的是飛思卡爾的 8位單片機(jī) MC9S08SG16,是低成本，高性能的HCS08系列的成員，提供多種模塊，內(nèi)存大小和封裝類型 [5]。 其引腳分布圖如下 : 圖 MC9S08SG16 引腳分布圖 [錯(cuò)誤 !未定義書簽。 通信模塊 圖 單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信模塊電路圖 [7] 串口模塊可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信，單片機(jī)可將采集處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)顯示，方便程序的運(yùn)行調(diào)試。 開關(guān)量輸入隔離模塊 圖 開關(guān)量輸入隔離模塊電路圖 引入開關(guān)量是為了方便對(duì)系統(tǒng)電路的控制，這里采樣 TLP5214 芯片將輸入開關(guān)量信號(hào)與單片機(jī)信號(hào)進(jìn)行隔離，是 為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 輸入、輸出出電壓采樣電路如下： 圖 輸入電壓，輸出電壓采樣模塊電路圖 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 TL494 輸出 PWM 控制 圖 驅(qū)動(dòng)信號(hào) PWM 控制電路 圖 PWM 控制電路， 單片機(jī)通過 TL494死區(qū)控制調(diào) 節(jié)占空比，調(diào)節(jié)輸出電壓電流。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 第 4 章 系統(tǒng)軟件控制方法分析 軟件編程環(huán)境介紹 本課題設(shè)計(jì)采用的是飛思卡爾的一款 8 位的單片機(jī)，型號(hào)為 MC9S08SG16。無需擔(dān)心主機(jī)至主機(jī)的不兼容。兩個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)需要相互配合來完成相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 Buck 變換器單片機(jī)控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì)流程： 圖 buck 控制器總體流程框圖 [10] 模式轉(zhuǎn)換具體流程 圖如下 ： 圖 buck 控制器流程框圖 1[11] 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 檢測(cè) buck 開關(guān)，模式轉(zhuǎn)換具體流程 圖如下 ： 圖 buck 控制器流程框圖 2 檢測(cè) boost 開關(guān)，模式轉(zhuǎn)換具體流程 圖如下 ： 圖 buck 變換器流程框圖 3 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 以上整體流程圖為 buck 變換器控制的流程圖，系統(tǒng)啟動(dòng)之后，開始檢測(cè)負(fù)載開關(guān)控制量，當(dāng)檢測(cè)到負(fù)載開關(guān)閉合，并且處于停止模式，則進(jìn)入負(fù)載電機(jī)啟動(dòng)模式。接下來 buck 控制器檢測(cè)其控制開關(guān)量的狀態(tài)，若閉合，則代表下一步進(jìn)入充電狀態(tài)。 Mode2到 Mode3的轉(zhuǎn)換條件是 boost變換器控制開關(guān)量閉合，當(dāng)前工作模式為 Mode2同時(shí) Mode2 中光伏電池通過 boost 變換器對(duì)鉛酸電池的充電結(jié)束。 Mode3 到 Mode7 的轉(zhuǎn)換條件是當(dāng)前工作模式為 Mode3，同時(shí) boost 變換器控制開關(guān)量斷開。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 Mode6 到 Mode7 的轉(zhuǎn)換條件是當(dāng)前工作模式為 Mode6，同時(shí)電機(jī)負(fù)載控制開關(guān)量斷開。 while(1) { Check_Mode_Conversion_Flag()。 break。 break。 default: break。amp。 mode = 1。amp。 } else if(boost_sw == ON amp。 boost_charge_battery_full == 1) { 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 Mode2_Mode3()。 boost_charge_cap_full == 1) { Mode3_Mode7()。 mode = 7。SW3 = 2。 Send_Mode_to_boost(7)。 } } } else { if(mode == 7) { Send_Mode_to_boost(4)。 Mode4_Mode5()。例如：在 Mode5 下負(fù)載開關(guān)斷開時(shí)，進(jìn)行 Mode5 到 Mode6 的轉(zhuǎn)換。 繼電器操作步驟為： ①閉合 SW6 ②斷開 SW5 ③斷開 SW1 ④ SW3 接觸點(diǎn) 2。 while(1) { if(boost_state == constant_voltage) Set_boost_constant_voltage()。 Send_Mode_to_buck(2)。 case 3: sw_to_mode3()。 case 4: boost_state = constant_voltage。 case 6: boost_state = constant_current。 case 7: sw_to_mode7()。 } } 開始時(shí)，單片機(jī)先完成系統(tǒng)時(shí)鐘， IO， ADC， PWM 功能模塊的初始化。主函20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 數(shù)中調(diào)用的子函數(shù)具體功能及操作見子程序分析。有些狀態(tài)可 有 buck 變換器單片機(jī)控制系統(tǒng)單獨(dú)完成轉(zhuǎn)換，有些狀態(tài)需與 boost 變換器單片機(jī)控制系統(tǒng)配合完成 。 ③接收來自 boost 控制器的模式數(shù)據(jù) 模式轉(zhuǎn)換過程中需要繼電器按照指定的順序進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，否則可能使系統(tǒng)進(jìn)入未可知的狀態(tài)，損壞電路。例如：if(Get_Mode_from_boost() == 2)該語句獲取 boost 發(fā)送的狀態(tài)并進(jìn)行判斷，部分模式轉(zhuǎn)換的條件是由 boost控制器檢測(cè)的。 ⑤檢測(cè)模式轉(zhuǎn)換標(biāo)志 該函數(shù)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前模式進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)，獲取模式轉(zhuǎn)換標(biāo)志參數(shù)作為模式轉(zhuǎn)20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 換的 條件。 break。 ②檢測(cè)光伏電池通過 boost 變換器給鉛酸電池充電是否完成 函數(shù)名： unsigned char Judge_boost_charge_battery(void) 該部分利用單片機(jī)內(nèi)部的 ADC 轉(zhuǎn)換模塊，充電電壓限制在 32v，代碼如下： unsigned char Judge_boost_charge_battery(void) { Get_boost_Voltage()。單片機(jī)內(nèi)部集成 ADC 模塊，采樣十分方便，簡(jiǎn)單。分析比較之后發(fā)現(xiàn)，只有轉(zhuǎn)換到 Mode7 的時(shí)候由 boost 控制器控制的繼電器狀態(tài)轉(zhuǎn)換有差異，其他狀態(tài)轉(zhuǎn)換繼電器狀態(tài)轉(zhuǎn)換都是一致。兩種狀態(tài)到 Mode7 的切換都可完成，而且與之前的操作相比，繼電器的狀態(tài)切換過程沒有任何區(qū)別。 Iout = Get_Iout()。 PWM(duty)。 表 電源經(jīng) buck 變換器給超級(jí)電容充電過程電壓電流的數(shù)據(jù) ,電源輸入電壓 Vin =15V。當(dāng)電容電壓達(dá)到 左右的時(shí)候充電電流開始下降，幾秒鐘之后電流下降到 ，充電電壓增加速度變慢，電流下降速度減慢，降壓板對(duì)超級(jí)電容的充電幾乎結(jié)束，當(dāng)電容電壓上升到 時(shí)，充電電流幾乎減到 0，此時(shí)PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)達(dá)最大占空比 96%，如圖 。由表 可以看出剛 開上電時(shí)，有 左右的沖擊電流。 本章小結(jié) 本章主要是對(duì)系統(tǒng)控制流程的分析，核心控制的代碼和一些關(guān)鍵子程序的分析，分別論述了 buck 控制器， boost 控制器的控制方式，同時(shí)對(duì)兩個(gè)控制器之間的協(xié)同工作做了分析。 if(duty limit_min_duty) { duty = limit_min_duty。 ⑥ boost 變換器恒流工作 函數(shù)名： Set_boost_constant_current() 此狀態(tài)通過單片機(jī)對(duì) TL494 死區(qū)的控制實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)采樣輸出電流，根據(jù)采樣電流與設(shè)定值電流值進(jìn)行比較調(diào)整控制量，調(diào)節(jié) MOSFET 驅(qū)動(dòng) PWM