之前文章已經(jīng)介紹了系統(tǒng)的總體架構(gòu)和硬件組成： 智能光伏，從LPC5536開始！ 恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案，技術(shù)大咖們看過來！ 相信大家對(duì)該系統(tǒng)已經(jīng)有了一定的了解。這篇文章主要會(huì)介紹系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)，并對(duì)該系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試。

軟件方案介紹

該方案以LPC5536作為主控，系統(tǒng)的控制框圖如下圖所示，控制路徑中，使用光伏板作為系統(tǒng)的輸入，通過BOOST電路實(shí)現(xiàn)MPPT控制，輸出端接負(fù)載或者電池，消耗來自光伏板的功率。其中，MPPT/CC/CV控制算法的功能是將ADC采集的輸入/輸出電壓以及輸入/輸出電流數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算轉(zhuǎn)換為PWM控制參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的目標(biāo)。此外，系統(tǒng)配置了人機(jī)交互模塊，可以通過按鍵和LCD進(jìn)行參數(shù)配置和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，也可以通過FreeMASTER上位機(jī)實(shí)現(xiàn)同樣的功能，并完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)跟蹤和采集。

將軟件方案整體上分為以下幾個(gè)部分進(jìn)行介紹：

基本控制環(huán)路

狀態(tài)機(jī)

MPPT/CC/CV控制算法

人機(jī)交互界面（按鍵和LCD）

FreeMASTER 上位機(jī)

1.1 基本控制環(huán)路

通過上一篇文章里的測(cè)試，最終把PWM控制頻率設(shè)定為50kHz，把它作為控制的基礎(chǔ)頻率。在LPC5536中，使用FlexPWM*模塊產(chǎn)生PWM波，同時(shí)，通過INPUTMUX*將ADC*的trigger input配置為所使用的FlexPWM，從而在每個(gè)PWM周期中產(chǎn)生一次ADC中斷，完成ADC數(shù)據(jù)的采集。CC/CV控制環(huán)路的控制頻率設(shè)定為5kHz，也就是每10個(gè)ADC采樣周期進(jìn)行一次控制。MPPT的控制頻率設(shè)定為100Hz，如下圖所示。

*: 相關(guān)模塊的具體信息請(qǐng)參見LPC5536的Reference Manual以及相關(guān)的Application Note 1.2 狀態(tài)機(jī)

將MPPT的狀態(tài)分為5種，如圖所示，上電時(shí)MPPT處于MPPT_INIT狀態(tài)，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的初始化。初始化完成后，進(jìn)入MPPT_READY狀態(tài)，執(zhí)行一定的延時(shí)以及用戶自定義操作。接著，進(jìn)入MPPT_WORK狀態(tài)，并執(zhí)行相關(guān)電壓/電流檢測(cè)，如果一切正常，打開DC/DC控制開關(guān)，正常運(yùn)行控制程序，并持續(xù)運(yùn)行在這一狀態(tài)。如果檢測(cè)到輸入端電壓過低，可能為光伏板沒有接入或者夜晚，進(jìn)入MPPT_IDLE狀態(tài)，等待系統(tǒng)輸入，恢復(fù)正常后再重新進(jìn)入MPPT_INIT狀態(tài)。輸出端接電池時(shí)，如果檢測(cè)到輸出端電壓大于限制值或者輸出端電流降低到限制值，可能為電池已充滿，進(jìn)入MPPT_IDLE狀態(tài)，等待電池電壓降低到一定的值再重新進(jìn)入MPPT_INIT狀態(tài)。如果運(yùn)行過程中檢測(cè)到過流/過壓事件，進(jìn)入到MPPT_OFF狀態(tài)，關(guān)閉DC/DC控制開關(guān)，此時(shí)需要檢查電路問題，確認(rèn)無誤之后可手動(dòng)切換為MPPT_INIT狀態(tài)，重啟程序。

1.3 MPPT/CC/CV控制算法

MPPT控制算法以擾動(dòng)觀察法作為基礎(chǔ)，具體流程可以參考系列的第一篇文章。為了實(shí)現(xiàn)更快的MPPT跟蹤，使用了變步長(zhǎng)的控制策略。根據(jù)輸入電壓以及PWM輸出的不同狀態(tài)建立了參數(shù)表，通過查表的方法控制擾動(dòng)步長(zhǎng)。

在實(shí)際應(yīng)用中，MPPT只作為其中的一種工作模式，還可以根據(jù)需求切換為CC/CV模式，以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

輸出端接負(fù)載時(shí)，不同模式切換策略如下圖所示，其中，VCV是恒壓工作點(diǎn)，ICC是恒流工作點(diǎn)，不同顏色對(duì)應(yīng)不同的工作狀態(tài)。實(shí)際正常運(yùn)行時(shí)，電壓和電流都不會(huì)超過恒壓及恒流點(diǎn)太多，而當(dāng)系統(tǒng)處于異常狀態(tài)時(shí)（電流或電壓過大），會(huì)通過上文介紹的狀態(tài)機(jī)觸發(fā)保護(hù)，在該圖中沒有體現(xiàn)該特征。在不同模式交界地帶，會(huì)存在模式反復(fù)切換的問題，通過在模式切換點(diǎn)和實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)之間加入一定的偏移即可避免這一問題。

輸出端接電池時(shí)（以鋰電池為對(duì)象），模式切換策略如下圖所示，與接負(fù)載時(shí)類似，只不過增加了涓流充電模式（TRICKLE）以及不充電模式（OFF）。其中，V1, V2, V3, V4為各模式切換的判斷點(diǎn)，與電池屬性密切相關(guān)。

對(duì)于鋰電池而言，存在合適的工作區(qū)域，當(dāng)電壓過低或者過高時(shí)，即小于V1或者大于V4時(shí)，電池可能已經(jīng)發(fā)生損壞，或者電池參數(shù)設(shè)置有問題，需要停止對(duì)電池進(jìn)行充電。同時(shí)，為了更好地對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，可以將電池充電分為三個(gè)階段：涓流充電（TRICKLE）、恒流快速充電（CC）以及恒壓充電（CV）。其中，V1是涓流充電的起始判斷點(diǎn)，V2是恒流充電的起始判斷點(diǎn)，V3是恒壓充電的起始判斷點(diǎn)，V4是電池電壓上限。在恒壓充電的過程中，充電電流會(huì)逐漸下降，當(dāng)充電電流下降到設(shè)定值時(shí)，停止充電，并等待電池電壓下降到設(shè)定值時(shí)再重新進(jìn)行充電。

1.4人機(jī)交互界面（按鍵和LCD）

通過按鍵和LCD可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。首先，可以選擇不同的模式，對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用需求，模式選擇界面，共有3種模式可供選擇：

同時(shí)，可以對(duì)系統(tǒng)的輸入輸出相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在不同的模式下所設(shè)置的參數(shù)略有區(qū)別，參數(shù)設(shè)置界面如下所示：

人機(jī)交互模塊最重要的功能是對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行顯示，如下圖所示，最頂層為系統(tǒng)名稱及軟硬件版本信息，左上部分顯示所處的工作模式以及狀態(tài)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，右上部分顯示溫度，中間顯示各輸入輸出參數(shù)，左下角為PWM輸出，右下角為DC/DC運(yùn)行效率。同時(shí)，也可以在此界面切換模式以及設(shè)置參數(shù)，長(zhǎng)按相關(guān)的按鍵即可實(shí)現(xiàn):

1.5FreeMASTER上位機(jī)

該系統(tǒng)使用FreeMASTER搭建了上位機(jī)，并通過UART與MCU進(jìn)行通訊。主界面如下圖所示，主體部分是該系統(tǒng)的介紹以及引導(dǎo)：

與LCD和按鍵組成的人機(jī)交互系統(tǒng)功能類似，可以使用FreeMASTER進(jìn)行模式選擇、參數(shù)設(shè)置以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)：

另外，F(xiàn)reeMASTER能夠很方便的顯示數(shù)據(jù)波形并抓取波形進(jìn)行分析，如下圖所示，點(diǎn)擊左側(cè)相關(guān)的數(shù)據(jù)即可顯示對(duì)應(yīng)的波形，此時(shí)圖片上方顯示的是輸出電壓的波形，下方顯示的是輸出電流的波形：

系統(tǒng)測(cè)試

為了了解系統(tǒng)的實(shí)際性能，設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。將測(cè)試分為兩組：一組測(cè)試輸出端接負(fù)載時(shí)的性能，一組測(cè)試輸出端接電池時(shí)的性能。

2.1電子負(fù)載測(cè)試

該測(cè)試中，輸出端連接電子負(fù)載，并設(shè)置為恒電阻模式，分別對(duì)MPPT/CC/CV模式進(jìn)行測(cè)試，最終得到的測(cè)試結(jié)果如下圖所示：

1. 直流電源輸出配置，對(duì)應(yīng)為最大功率，達(dá)到最大功率前為恒壓輸出（電流逐漸增大），達(dá)到最大功率后為恒流輸出（電壓逐漸減?。?，可以通過追蹤直流電源的最大功率觀測(cè)MPPT性能

2. 共三種運(yùn)行模式：MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤，CC恒流，CV恒壓，MPPT為主運(yùn)行模式，達(dá)到恒流/恒壓條件時(shí)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模式

3. 穩(wěn)定后輸出電壓/電流峰峰值

4. 效率=輸出功率/輸入功率，數(shù)據(jù)由MPPT控制板采集

2.2電池充電測(cè)試

該測(cè)試中，輸出端連接24V鋰電池，分別對(duì)MPPT/CC/CV模式進(jìn)行測(cè)試，最終得到的測(cè)試結(jié)果如下表所示：

1. 直流電源輸出配置，對(duì)應(yīng)為最大功率，達(dá)到最大功率前為恒壓輸出（電流逐漸增大），達(dá)到最大功率后為恒流輸出（電壓逐漸減?。梢酝ㄟ^追蹤直流電源的最大功率觀測(cè)MPPT性能

2. 共三種運(yùn)行模式：MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤，CC恒流，CV恒壓，MPPT為主運(yùn)行模式，達(dá)到恒流/恒壓條件時(shí)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模式

3. MPPT以及CC模式下電池電壓逐漸升高，此處為電池電壓初始均值->電池電壓最終均值；CV模式下電池電壓變化較小，此處為電池電壓峰峰值

4. MPPT以及CC模式下充電電流變化較小，此處為充電電流峰峰值；CV模式下充電電流逐漸減小，此處為充電電流初始均值->充電電流最終均值

5. 效率=輸出功率/輸入功率，數(shù)據(jù)由MPPT控制板采集

小結(jié)

本文介紹了恩智浦基于LPC5536光伏MPPT方案的軟件設(shè)計(jì)部分，并對(duì)系統(tǒng)相關(guān)性能進(jìn)行了測(cè)試，希望能給大家?guī)硪恍﹩l(fā)。自此，整個(gè)系統(tǒng)的介紹就結(jié)束啦，感謝大家的持續(xù)關(guān)注。

恩智浦半導(dǎo)體NXP Semiconductors N.V.(納斯達(dá)克股票代碼：NXPI)是汽車、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)設(shè)備和通信基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)值得信賴的合作伙伴，致力于提供創(chuàng)新解決方案。