基于STM32的MPPT光伏控制器設計

摘要：文章設計了一種光伏控制器，采用STM32F103RBT6單片機作為控制單元，采用降壓式Buck變換電路作為控制主電路。控制器通過采集光伏板的輸出電壓和電流，計算輸出功率，通過擾動觀察算法保持充電功率的最大值，實現了最大功率點跟蹤技術（Maximum Power Point Tracking，MPPT），提高光伏轉換效率。文章加入溫度檢測，實現溫度補償，動態調整控制程序充放電閾值，防止蓄電池過充過放，提高蓄電池利用率。

關鍵詞：光伏；MPPT；控制器；STM32

中圖分類號：TM615;TP273" 文獻標志碼：A

0 引言

太陽能是綠色、可再生能源。光伏發電有著資源豐富、發電過程清潔低碳、便于布局、建設快捷等優勢。光伏發電系統主要包含光伏電池板、蓄電池、光伏控制器、交流逆變器、逐日跟蹤控制系統等設備。光伏控制器是該系統的重要樞紐，有效控制蓄電池的充電和放電過程，其控制策略的優劣直接影響蓄電池的使用壽命和發電系統的效率。

1 系統功能介紹

MPPT光伏控制器由核心板、DC-DC Buck轉換電路［1］、液晶屏、按鍵、溫度傳感器等組成。控制器采用意法半導體的嵌入式處理器STM32F103RBT6作為核心板控制單元。核心板采集光伏發電板的電壓電流、蓄電池的電壓等，經數據分析，調節DC-DC Buck電路的脈寬，實現光伏發電板的最大功率。核心板采集DS18B20溫度傳感器的溫度輸出信號，實現溫度補償功能。控制器采用外部按鍵設計，支持用戶參數配置，包含電池額定電壓選擇、電池類型選擇、充放電閾值設置等?？刂破鞑捎靡壕猎O計，支持運行參數的顯示，包含充電電流、電池電壓、溫度數據等。系統總體設計框如圖1所示。

2 電路設計

2.1 電源電路設計

光伏控制器的供電來自VCC12+蓄電池。根據系統各部件供電要求，控制器設計DC-DC降壓電路產生5 V、3.3 V電壓，設計升壓電路產生18 V電壓?？刂破鞑捎肵L1509-5.0芯片設計12 VDC轉5 V降壓電路，如圖2所示?？刂破鞑捎肁MS1117-3.3芯片設計5 VDC轉3.3 V降壓電路。采用MC34063芯片設計12 VDC轉18 V升壓電路，如圖3所示。

2.2 核心板

控制器采用STM32F103RBT6作為核心單元。處理器的引腳分配如下：設計KEY1、KEY2識別外部按鍵，設計24C256_SDA、24C256_SCL作為FM24C256存儲器的通信I2C接口，設計SWDIO、SWCLK作為STM32的SWD調試口，設計D1、D2控制IR2104的脈寬調制（Pluse Width Modulation，PWM）和使能，設計RXD3、TXD3作為程序固件升級，設計18B20_DQ采集外部溫度，設計A0、A1采集太陽能板的電壓電流，設計A2采集電池電壓，設計DB0-DB7作為液晶屏的數據連接，設計RS、RW、E分別實現液晶屏的數據/命令、讀寫、使能控制信號。處理器引腳分配如圖4所示。

2.3 太陽能板輸出電壓和電流檢測

控制器采用ACS712電流傳感器檢測光伏板的輸出電流，將檢測的直流轉換成比例的電壓。IP+和IP-是該控制器的接線端子，電流從IP+流向IP-。VIOUT為電流傳感器的電壓輸出（標記A1）。利用電阻R10和R13實現Vp的分壓（標記A0），分別送入STM32的ADC采樣，進而獲取光伏板的輸出電流和電壓。太陽能板電壓電流檢測如圖5所示。

2.4 DC-DC半橋BUCK電路設計和蓄電池電壓檢測

DC-DC半橋BUCK電路采用IR2104芯片進行驅動控制，根據PMW調整MOS的導通和關閉，實現對電池的充電管理。STM32的控制信號D1接入IR2104的IN，實現PWM控制。STM32另一個控制信號D2接入SD，實現使能控制。1N5819是自舉二極管，C24、C26、C27是濾波電容，IR2104的HO和LO分別控制上下2個MOS管，實現輪流工作，對12 V蓄電池進行充電。蓄電池電壓檢測電路設計電阻R16、R17分壓方式（標記A2），將蓄電池電壓接入STM32，啟動ADC采樣獲取蓄電池電壓。DC-DC半橋BUCK電路設計如圖6所示。

2.5 按鍵和顯示電路設計

為實現程序上下翻頁功能，外部按鍵電路采用KEY1、KEY2檢測端口電平設計。當按鍵沒有按下時，對應的電平處于高電平；當按鍵按下時，對應的電平被拉低。設計按鍵電路中的R27、R33保護IO端口，設計電容C43、C44防止按鍵抖動。采用PC2004設計液晶顯示電路，其使能控制端口E、讀寫控制RW、數據命令控制RS，分別由STM32的PC8-PC10端口編程控制，數據DB0-DB7由PC0-PC7編程控制。顯示電路設計電阻R4、R5組成的分壓電路為VO用于調整屏幕對比度。按鍵和液晶顯示如圖7所示。

3 充電控制程序設計

3.1 主程序設計

采用集成開發環境Keil uVisionV5.27建立STM32嵌入式開發工程?？刂破髟谙到y上電后，初始化RCC、GPIO、ADC、TIM等片內資源，啟動ADC定時采樣并作數據處理，執行MPPT程序控制和液晶顯示等，如圖8所示。

3.2 最大功率點跟蹤MPPT程序設計

采用擾動觀察法的MPPT控制算法［2-3］。該算法通過對比干擾周期前后太陽能光伏板的輸出功率［1］，讀取ADC轉換結果得到對應的輸出電壓U和電流I，兩者相乘得到當前輸出功率Pn，將Pn與上一周期的輸出功率Po比較，如果Pn＞Po，則繼續增大PMW信號的占空比，否則減小占空比，擾動補償設置為2［1］。在更新PWM占空比后，保存新的輸出功率值，更新輸出PWM脈沖信號。

4 結果與分析

本次實驗以額定電壓為18.4 V、額定電流為5.75 A的光伏板作為光電轉換設備，對額定電壓為12 V、120 A膠體電池進行充放電管理。為了保證光伏板輸出始終在最大功率點運行，控制器實時監測光伏板的輸出電壓和電流，相乘得到功率值。MPPT程序控制BUCK電路調整PWM以保證光伏板輸出功率的最大值。在動態調整過程中，PWM是非常關鍵的調制參數。采用萬用表測試光伏板在占空比為10%～90%的PWM信號下的輸出電壓和電流值及對應的輸出功率，如表1所示。

如表1所示，在一定的光照條件下，當PWM等于60%，光伏板的最大輸出功率為100.44 W，輸出電壓為18.0 V，電流為5.58 A。使用手持光照度探測儀作為校準設備，同等光照強度下，MPPT光伏控制器的工作狀態的工作電壓為18.2 V，PWM為59%，功率為101 W，與測試數據基本一致，表明本設計基本實現最大功率點跟蹤。本文還測試了充放電閾值功能。本系統中，蓄電池過充保護電壓設置為14.4 V，蓄電池過放保護電壓設置為10.8 V，蓄電池浮充電壓設置為13.7 V，均能正確響應。另外，本控制器的溫度補償取值為30mV/℃，隨溫度上升或下降分別調高或調低閾值。

5 結語

本設計采用STM32F103RBT6嵌入式處理器作為光伏控制器的核心?？刂瞥绦蛲ㄟ^計算功率值，調整PWM脈沖信號的占空比，控制降壓變換BUCK電路的開啟和關斷。該光伏控制器通過MPPT的擾動觀察法實現光伏板的最大功率點追蹤，提高了光伏發電系統的充電效率［4］。在充電管理程序中，通過增加溫度補償功能，動態調整充放電的閾值電壓，提高蓄電效率，保護電池并延長電池使用壽命［4］。

參考文獻

［1］胡雪花，李香服.基于MPPT的太陽能充電控制器設計與實現［J］.山東工業技術，2023（1）：27-33.

［2］李正，馬航.光伏發電MPPT恒壓跟蹤法優化研究［J］.河南科技，2020（29）：130-132.

［3］李虹飛.基于優化MPPT算法的快速高效光伏充電控制器設計［J］.山東農業大學學報，2021（2）：299-303.

［4］張漢年，周望瑋，徐開軍.基于PIC單片機的光伏控制器設計［J］.電子世界，2017（15）：133-134.

Design of MPPT photovoltaic controller based on STM32

Abstract： "This article designs a photovoltaic controller that uses the STM32F103RBT6 microcontroller as the control unit and a buck converter circuit as the main control circuit. The controller collects the output voltage and current of the photovoltaic panel， calculates the output power， and maintains the maximum charging power through disturbance observation algorithm， achieving Maximum Power Point Tracking （MPPT） technology and improving the photovoltaic conversion efficiency. This article also incorporates temperature detection to achieve temperature compensation， dynamically adjust the charging and discharging threshold of the control program， prevent overcharging and discharging of the battery， and improve battery utilization.

Key words： photovoltaic; MPPT; controller；STM32