【文章內(nèi)容簡介】 Mode6，此過程可能發(fā)生在系統(tǒng)啟動或穩(wěn)定運(yùn)行過程中。制動結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)入停止模式。（1）系統(tǒng)啟動到Model4，即由停止模式進(jìn)入電機(jī)負(fù)載啟動模式，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SW1②SW3接觸點(diǎn)1③閉合SW6，SW5（2）Model4轉(zhuǎn)換到Model5，即電機(jī)啟動模式進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行模式，此時(shí)切除超級電容對負(fù)載的供電。此過程僅SW6狀態(tài)發(fā)生變化，操作步驟：斷開SW6（3）Mode4轉(zhuǎn)換到Mode6，即電機(jī)啟動模式進(jìn)入制動模式，此時(shí)SW1，SW3，SW5狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟：①斷開SW5②斷開SW1③SW3接觸點(diǎn)2（4）Mode5轉(zhuǎn)換到Mode6，即電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行到制動模式，此時(shí)SW1，SW3，SW5，SW6狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟：①閉合SW6②斷開SW5③斷開SW1④SW3接觸點(diǎn)2（5）Mode6轉(zhuǎn)換到Mode7，即制動模式結(jié)束后轉(zhuǎn)換到停止模式，此時(shí)SW6的狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟：斷開SW6。以上是負(fù)載啟動到穩(wěn)定運(yùn)行以及制動停止，系統(tǒng)各種模式轉(zhuǎn)換的過程中需要進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的繼電器及其操作順序分析。 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的各種工作模式，各種工作模式下的控制狀態(tài)，以及不同狀態(tài)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的控制操作。通過本章的分析，可清楚各個(gè)模式間轉(zhuǎn)換的具體操作，方便后面軟件的設(shè)計(jì)。第3章 系統(tǒng)控制硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)供電采用光伏電池板，光伏電池板一種通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。光伏電池在系統(tǒng)中作為能量輸入源。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[[] MC9S08SG32 Microcontroller 數(shù)據(jù)手冊［K］,2012.]?？筛鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用選擇，這里選擇的是20Pin 封裝。該單片機(jī)包含模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、IIC總線、時(shí)鐘模塊MTIM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、脈寬調(diào)制模塊TPM等等[6]，完全滿足該課題的需求。其引腳分布圖如下: MC9S08SG16 引腳分布圖[6] DCDC變換電路不僅轉(zhuǎn)換效率很高，而且可通過對半導(dǎo)體開關(guān)通斷時(shí)間控制來控制輸出的電壓電流，可方便調(diào)節(jié)輸出功率，調(diào)節(jié)光伏電池的輸出供率，追蹤最大功率工作點(diǎn)[[] 王兆安,[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:119138.]。本課題采用的是buck和boost變換電路。單片機(jī)控制最小系統(tǒng)圖如下： 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖，最小系統(tǒng)是單片機(jī)工作的最小單元，也是單片機(jī)系統(tǒng)中最核心的部分，外部電路主要有晶振電路和復(fù)位電路，這里采用的晶振為8MHz，單片機(jī)內(nèi)部有鎖頻環(huán)，可提高系統(tǒng)工作頻率，實(shí)際應(yīng)用中利用單片機(jī)編程設(shè)置總線頻率為16MHz。這里復(fù)位電路為上電復(fù)位。 單片機(jī)BDM下載器連接圖，MC9S08SG16 單片機(jī)程序下載需用到BDM下載器，該下載器支持在線下載、單步調(diào)試和仿真，觀察全部寄存器和全局變量的數(shù)值。方便程序的運(yùn)行調(diào)試。 系統(tǒng)及單片機(jī)輔助供電模塊電路圖該部分為輔助電源模塊，芯片L7805為穩(wěn)壓輸出芯片，輸出電壓為5V，用來個(gè)單片機(jī)供電，LM317為線性穩(wěn)壓芯片這里設(shè)計(jì)輸出電壓為12V，用來給系統(tǒng)中運(yùn)算放大器及MOSFET 驅(qū)動電路相關(guān)芯片供電。 單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信模塊電路圖[[] [M].北京:高等教育出版社,2009:224265.]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。通信采用的是MAX232 芯片。該通信電路也可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與單片機(jī)之間的通行，由于該系統(tǒng)需要兩個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)同工作，該模塊可為兩者提供一個(gè)通信通道，完成數(shù)據(jù)的傳送與交換。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)同、有序工作。 開關(guān)量輸入隔離模塊電路圖引入開關(guān)量是為了方便對系統(tǒng)電路的控制，這里采樣TLP5214 芯片將輸入開關(guān)量信號與單片機(jī)信號進(jìn)行隔離，是為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。輸入電流采樣電路如下： 圖 輸入電流采樣電路圖[[] 康華光,陳大欽,[M].北京:高等教育出版社,2006.] 該電流采樣電路首先由LTC6101芯片進(jìn)行電流一級放大，再通過后面的運(yùn)算放大器進(jìn)行進(jìn)一步的電流放大。同時(shí)這里結(jié)點(diǎn)I_OUT2接PWM控制電路形成一個(gè)閉環(huán)以穩(wěn)定輸出電流。輸出電流采樣電路如下： 輸出電流采樣電路圖[9] 輸出電流采樣與輸入電流的采樣原理相同，只是放大的倍數(shù)不同。輸入、輸出出電壓采樣電路如下： 輸入電壓，輸出電壓采樣模塊電路圖 TL494輸出PWM控制 驅(qū)動信號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。其中buck變換器TL494電路通過比較器構(gòu)成一個(gè)電流環(huán)，使buck變換器工作于恒流模式，boost變換器有兩種工作模式，恒流模式和恒壓模式，恒壓由TL494電壓環(huán)實(shí)現(xiàn)，恒流由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。 主回路繼電器控制 主回路繼電器控制電路圖[[] 胡斌,吉玲,[M].:人民郵電出版社,2012.]單片機(jī)可通過控制端口電平來控制繼電器的通斷，來控制主回路的通斷。 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的原理框圖，單片機(jī)控制電路原理圖設(shè)計(jì)，主要包括最小系統(tǒng)圖，采樣電路圖，驅(qū)動信號產(chǎn)生及控制電路圖，繼電器控制電路等等。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)，型號為MC9S08SG16。該單片機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境采用的時(shí)CodeWarrior 這一款軟件，該軟件包括構(gòu)建平臺和應(yīng)用所必須的所有主要工具：IDE、編譯器、調(diào)試器、編輯器、鏈接器、匯編程序等。它是一個(gè)單一的開發(fā)環(huán)境，在所有所支持的工作站和個(gè)人電腦之間保持一致。在每個(gè)所支持的平臺上，性能及使用均是相同的。無需擔(dān)心主機(jī)至主機(jī)的不兼容。 該軟件的功能有項(xiàng)目管理器、文本編輯器、搜索引擎、源瀏覽器、構(gòu)建系統(tǒng)、源級別調(diào)試器、指令組模擬器等等。項(xiàng)目管理器可為軟件開發(fā)人員處理最高級別的文件管理；文本編輯器支持源代碼和其他文本文件的創(chuàng)建和處理；搜索引擎可查找特定的文字串以提到文字替換找到的文字；源瀏覽器可用來保存用于程序的符號數(shù)據(jù)庫；構(gòu)建系統(tǒng)使用編譯器從源代碼生成可重新定位的目標(biāo)代碼，并使用鏈接器從目標(biāo)代碼生成最后的可執(zhí)行圖像；源級別調(diào)試器提供高性能窗口的源級別調(diào)試器，配備最新的高效率增強(qiáng)型圖形性能；指令組模擬器用于jumpstarting應(yīng)用開發(fā)的集成指令組模擬器。 軟件控制總體流程分析Boost變換器和buck變換器上各有單片機(jī)控制系統(tǒng)，主要用來檢測系統(tǒng)中相關(guān)電壓電流信號，來控制系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。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。Buck變換器單片機(jī)控制系統(tǒng)向boost變換器單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，指示系統(tǒng)狀態(tài)的切換，boost接受到數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的繼電器狀態(tài)切換，同時(shí)boost變換器工作時(shí)，檢測系統(tǒng)的電壓電流數(shù)據(jù)，滿足狀態(tài)切換條件時(shí)，自身進(jìn)行相應(yīng)的繼電器狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時(shí)向buck變換器單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)信號，進(jìn)行相應(yīng)的繼電器狀態(tài)轉(zhuǎn)換，完成系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。繼電器SW2,SW5,SW6,SW7由buck變換器上單片機(jī)控制系統(tǒng)控制，SW1,SW3,SW4由boost變換器上單片機(jī)控制系統(tǒng)控制。狀態(tài)轉(zhuǎn)換器兩個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)同有序工作，完成系統(tǒng)工作模式的轉(zhuǎn)換。Buck變換器單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程： buck控制器總體流程框圖[[] 何欽銘,[M].第一版北京:高等教育出版社,2008:40208.]檢測負(fù)載開關(guān)，模式轉(zhuǎn)換具體流程： buck控制器流程框圖1[[] (第三版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.]檢測buck開關(guān)，模式轉(zhuǎn)換具體流程： buck控制器流程框圖2檢測boost開關(guān)，模式轉(zhuǎn)換具體流程： buck變換器流程框圖3以上整體流程圖為buck變換器控制的流程圖，系統(tǒng)啟動之后，開始檢測負(fù)載開關(guān)控制量，當(dāng)檢測到負(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)啟動模式。此處限制必須由停止模式進(jìn)入電機(jī)啟動模式，是為了避免系統(tǒng)的誤狀態(tài)切換。啟動電機(jī)之后一定時(shí)間，電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)切換到Mode5，掃描負(fù)載開關(guān)量，若開關(guān)斷開，需根據(jù)當(dāng)前工作模式進(jìn)行模式的轉(zhuǎn)換，同時(shí)把模式狀態(tài)位置為相應(yīng)的模式，指示系統(tǒng)的工作模式，控制系統(tǒng)的模式轉(zhuǎn)換。該控制流程圖對系統(tǒng)模式轉(zhuǎn)換的描述進(jìn)行了抽象的描述，實(shí)際上模式轉(zhuǎn)換的過程需與boost控制器配合完成，詳細(xì)的操作過程見核心控制程序分析部分。接下來buck控制器檢測其控制開關(guān)量的狀態(tài)，若閉合，則代表下一步進(jìn)入充電狀態(tài)。此時(shí)，檢測系統(tǒng)是否滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件?？偠灾?，系統(tǒng)控制的邏輯就是工作在一種模式下時(shí)，檢測是否向其他模式的轉(zhuǎn)換條件是否滿足，不滿足保持當(dāng)前的工作模式，同時(shí)繼續(xù)檢測模式轉(zhuǎn)換的條件，當(dāng)檢測到模式轉(zhuǎn)換的條件滿足時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的模式轉(zhuǎn)換操作。因此清楚各個(gè)模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)的條件至關(guān)重要。下面是各個(gè)模式之間的轉(zhuǎn)換條件：Mode7到Mode1的轉(zhuǎn)換條件是buck變換器控制開關(guān)量閉合，當(dāng)前工作模式為Mode7同時(shí)系統(tǒng)充電結(jié)束標(biāo)志為0即系統(tǒng)指示充電為完成。Mode1到Mode2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Mode1同時(shí)Mode1中光伏電池通過buck變換器對超級電容的充電結(jié)束。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)光伏電池通過boost變換器對超級電容的充電結(jié)束。Mode1到Mode7的轉(zhuǎn)換條件是當(dāng)前工作模式為Mode1，同時(shí)buck變換器控制開關(guān)量斷開。Mode2到Mode7的轉(zhuǎn)換條件是當(dāng)前工作模式為Mode2，同時(shí)boost變換器控制開關(guān)量斷開。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。Mode7到Mode4的轉(zhuǎn)換條件是當(dāng)前工作模式為Mode7，同時(shí)電機(jī)負(fù)載控制開關(guān)量閉合。Mode4到Mode6的轉(zhuǎn)換條件是當(dāng)前工作模式為Mode4，同時(shí)電機(jī)負(fù)載控制開關(guān)量斷開。Mode5到Mode6的轉(zhuǎn)換條件是當(dāng)前工作模式為Mode5，同時(shí)電機(jī)負(fù)載控制開關(guān)量斷開。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。 為方便流程的閱讀，系統(tǒng)整體控制中對模式轉(zhuǎn)換未進(jìn)行系統(tǒng)的描述，此部分需兩個(gè)控制器之間協(xié)同配合完成。具體的操作參見主程序分析。Boost變換器單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程: boost變換器系統(tǒng)控制流程圖[[] 秦友淑,[M].:華中科技大學(xué)出版社,2011.] 主程序分析 buck變換器單片機(jī)控制系統(tǒng)Buck控制器主程序：void main(void){ MCU_Init()。 while(1) { Check_Mode_Conversion_Flag()。 if(load_sw == OFF) { switch (mode) { case 4: Mode4_Mode6()。 Send_Mode_to_boost(6)。 if(Get_Mode_from_boost() == 6) mod