基于PIC16F87單片機的新型光伏揚水系統的設計

【摘要】本論文研制一種新型的光伏揚水系統，該系統的驅動電機是采用直流無刷電機，系統選用MicroChip公司所生產的PIC16F877作為光伏水泵系統的主控芯片，對系統硬件和控制軟件進行設計，實現直流無刷電機的反電勢過零檢測，同時實現光伏陣列點的TMPPT跟蹤、系統無人監控和故障檢測等功能。

【關鍵詞】揚水系統;過零檢測;TMPPT跟蹤

1.引言

光伏水泵亦稱太陽能水泵，主要由水泵和光伏揚水逆變器組成。具體應用時，再根據日用水量和不同揚程量的需求配以相應功率的光伏陣列，統稱為光伏揚水系統。光伏水泵利用清潔無污染、取之不盡用之不竭的太陽能資源，日出而作，日落而歇，無需電網、無需柴油、無需人員看管，可與滲灌、噴灌、滴灌等灌溉設施配套應用。節水節能，可大幅降低使用化石能源電力的投入成本。是全球“能源問題”、“糧食問題”綜合系統解決方案的新能源、新技術應用產品。

本文設計了一種自動的新型的光伏揚水系統，該系統的驅動電機是采用直流無刷電機，系統選用MicroChip公司所生產的PIC16F877作為光伏水泵系統的主控芯片，對系統硬件和控制軟件進行設計，實現直流無刷電機的反電勢過零檢測，同時實現光伏陣列點的TMPPT跟蹤、系統無人監控和故障檢測等功能。

2.系統硬件設計

2.1 系統構成

光伏水泵系統的結構如圖1所示，系統主要包括四個部分：太陽電池陣列、控制器、電機和水泵。 系統利用光伏陣列將太陽能直接轉變成電能。經過DC/DC升壓后然后經過具有TMPPT功能的變頻器輸出三相交流電壓，從而驅動電機和水泵負載，完成向水塔儲水功能。

圖1 系統結構圖

2.2 系統總體結構及硬件構成

本文所設計的系統總體結構如圖2所示，光伏電池陣列的輸出端與Boost相接，單片機釆集光伏陣列母線的電壓值和電流值從而做出是否欠壓過流的判斷，采集到的數據如果符合條件，微控制器將根據MPPT算法改變電壓的增量移動方向從而調整PWM信號的占空比。通過調整占空比來驅動DC-DC電路的功率管導通，這一部分完成了最大功率點跟蹤控制。

三相逆變橋電路與最大功率點跟蹤控制的輸出端相連，IR2130組成功率驅動電路，單片機的PWM控制信號通過此驅動電路來控制六個開關管的導通與關斷，使UVW三相交替導通使電機運轉。電機運轉期間不斷地通過三相反電勢過零檢測電路檢測轉子位置，獲得準確的換相信息。所設計的系統保護功能包括打干保護、低日照保護和過流保護。我們知道，根據直流無刷電機的運行原理通過由6只功率管組成的三相六狀態電路的斷開與導通可以控制電機的運轉。而對光伏陣列最大功率點跟蹤而言，則是通過改變DC-DC的占空比D來實現的。

圖2 系統硬件結構框圖

圖3 系統主程序流程圖

3.軟件設計

在本光伏水泵系統中，選用單片機PIC16F877作為系統的主控芯片。系統的軟件部分包括主程序和中斷服務程序，主程序的任務主要是完成系統的初始化、A/D采樣、讀入用戶設置、電機轉速識別及轉速異常保護、PI調節、MPPT或CVT功能等功能。主程序流程圖如圖3所示。

4.總結

論文經過理論設計及硬件制作完成了樣機試制，該樣機的設計采用單片機PIC16F877作為系統的主控芯片。系統采用“虛擬中性點法”，從而解決了無位置傳感器的直流無刷電動機控制的關鍵問題即轉子位置檢測問題。本樣機利用單片機所擁有的豐富的I/O口和A/D采樣功能，采用調節PWM占空比調節電機的轉速以實現最大功率跟蹤功能。樣機還完善了對系統的各種保護功能，提供各種監控功能，這提高了光伏揚水系統的可靠性和靈活性。在實驗中，選用24V，30W的無位置傳感器直流無刷電機，通過實驗證明，直流無刷電機能夠自動切換到自同步運行狀態并實現了實現平穩的步進起動。通過實驗，測量了電子換向逆變器的各種電壓，電機運行性能良好。實驗結果表明，該試制樣機基本上達到設計目標，具有一定的應用價值。

參考文獻

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作者簡介：張鳳娟（1978—），女，山東菏澤人，無錫科技職業學院講師，主要從事光伏技術方面的研究。