基于TMS320F2812实现MPPT控制系统的设计
引言
随着经济全球化进程的不断加速和工业经济的迅猛发展，能源问题已成为人类需要迫切解决的问题，大力发展新的可替代能源已成为当务之急。太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色能源，太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿性及维护性等其它常规能源所不具备的优点。光伏发电虽然具有以上的优势，但是实际应用中还存在很多的问题。光伏发电的主要缺点之一是太阳能电池阵列的光电转换效率太低。为了解决该问题，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，进行最大功率点跟踪(mppt)，使之始终工作在最大功率点附近。目前，光伏系统的最大功率点跟踪问题已成为学术界研究的热点。
高性能的数字信号处理芯片(dsp)的出现，使得一些先进的控制策略应用于光伏发电控制系统成为可能。本论文就是在此背景下，采用ti公司生产的tms320f2812进行控制，开展了太阳能发电系统的理论和试验研究，具有重要的现实意义。
1 光伏电池的特性
太阳能电池的输出特性是非线性的，它受到光照强度、环境温度等因素的影响。太阳能电池的等效电路如图1所示，图2是光伏电池在不同温度下的i-v、p-v特性，图3为光伏电池在不同日照强度下的i-v、p-v特性。
从图2可以看出，太阳能电池开路电压v0。主要受电池温度的影响；从图3可以看出，太阳能电池短路电流is。主要受日照强度的影响，而且在一定的温度和光照强度下，太阳能电池具有唯一的最大功率输出点。由于实际应用中不能保证其总是工作在最大功率点上，所以在应用中要用到mppt装置，以保证太阳能电池的输出功率在最大功率点的附近。
2 mppt基本原理
mppt的实现实质上是一个动态自寻优过程，通过对阵列当前输出电压与电流的检测，得到当前阵列输出功率，再与已被存储的前一时刻功率相比较，舍小取大，再检测，再比较，如此周而复始。mppt控制系统的dc-dc变换的主电路采用boost升压电路。图4为boost变换器的主电路，电路由开关管t、二极管d、电感l、电容c组成。工作的原理为在开关t导通时，二极管d反偏，太阳能电池阵列向电感l存储电能；当开关t断开时，二极管导通，由电感l和电池阵列共同向负载充电，同时还给电容c充电，电感两端的电压与输入电源的电压叠加，使输出端产生高于输入端的电压。boost电路输入输出的电压关系为： v0=vi／(1-d) (1)
当boost变换器工作在电流连续条件下时，从式(1)可以得到其变压比仅与占空比d有关而与负载无关，所以只要有合适的开路电压，通过改变．boost变换器的占空比d就能找到与太阳能电池最大功率点相对应的vi。
3 mppt控制的实现
3．1 控制算法
目前实现太阳能mppt常用的算法有扰动观察法(p&o)和电导增量法(inc)。前者的算法结构简单、检测参数少，应用较普遍，但在最大功率点附近，其波动较大；后者的算法波动较小，但较为复杂，跟踪过程需花费相当长的时间去执行a／d转换。
系统采用自适应扰动观察法，通过对扰动观察法的改进，引进一个变步长参数λ(k)来解决在最大功率点附近波动大的问题，其中λ(k)=ε|△p|式中ε是一个恒定的常数，自适应扰动观察法的程序流程图如图5所示。图中e决定了跟踪精度，λ(k)为占空比步长，决定功率变化的步长，η为扰动方向控制系数，取值为1。当|△p|
3．2 硬件实现
控制电路使用ti公司的tms320f2812 dsp作为主控制芯片，其快速的运算能力、丰富的外设资源能为整个控制系统提供一个良好的平台。dsp是整个控制系统的核心，它接受采样电路送来的模拟信号，按照控制算法对采样信号进行处理，然后产生所需要的pwm波形，经驱动放大后控制主电路功率开关管的通断，从而实现mppt。tms320f2812在时钟频率150mhz下，其时钟周期仅为6．67ns，8通道16位pwm脉宽调制，2×8通道12位a／d转换模块，一次a／d转换最快转换周期仅为200ns。tms320f2812 dsp芯片的这些特点能够满足mppt控制精度和速度的要求。
采用其中两路a／d转换输入通道作为太阳能电池的输出电流和电压的采集通道，经过mppt控制产生驱动pwm波形控制dc-dc开关管的导通时间，其控制的框图如图6所示。
3．3 软件实现
mppt的控制流程图如图5所示，其功能是在中断服务模块中完成的。在主程序中主要是完成对寄存器，定时器以及pwm的初始化，其流程图如7所示。
4 实验结果分析
为验证mppt系统的有效性，设计了mppt实验系统，并与无此装置下光伏电池的发电状态进行比较。实验系统的太阳能电池采用大禾科技有限公司的多晶硅电池组件dh-20，其性能参数为：开路电压voc=21．5v；短路电流isc=1．30a；标称功率pm=20w，蓄电池为24v／12ah铅酸蓄电池。实验结果见表1。由实验数据可知，接入mppt装置后，光伏电池的输出功率有了显著提高。
5 结论
提出了一种利用dsp控制的，以boost变换器为核心，以铅酸蓄电池为负载的mppl系统。详细分析了mppt的原理，并对该系统进行了实验研究。实验结果表明，采用tms320f2812 dsp芯片控制的mppt系统实现了光伏电池最大功率跟踪，电路结构简单、可靠性好、效率高，且具有针对蓄电池过充、过放、逆变输出过流等异常情况的多种保护作用，因而具有一定的实用价值。
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嵌入式Linux设计:硬件和驱动程序
基于TMS320F2812实现MPPT控制系统的设计
浅析传感器的定义及分类
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Xilinx FPGA助力智能化人群监控系统
SOLIDWORKS MCAD的内部ID不匹配问题
关于采用TVS管ESD原理的技术解析
Intel将整合处理器 推节能芯片应对AMD
恩捷股份再次加大在锂电隔膜的布局
联发科强调，事实上台湾有关部门并没有禁止联发科向中兴通讯供应芯片
Magic Leap已选择AT＆T作为其美国消费者的独家无线分销商
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5G的三大应用场景
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空芯电感计算公式
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高性能的数字信号处理芯片(dsp)的出现，使得一些先进的控制策略应用于光伏发电控制系统成为可能。本论文就是在此背景下，采用ti公司生产的tms320f2812进行控制，开展了太阳能发电系统的理论和试验研究，具有重要的现实意义。
1 光伏电池的特性
太阳能电池的输出特性是非线性的，它受到光照强度、环境温度等因素的影响。太阳能电池的等效电路如图1所示，图2是光伏电池在不同温度下的i-v、p-v特性，图3为光伏电池在不同日照强度下的i-v、p-v特性。
从图2可以看出，太阳能电池开路电压v0。主要受电池温度的影响；从图3可以看出，太阳能电池短路电流is。主要受日照强度的影响，而且在一定的温度和光照强度下，太阳能电池具有唯一的最大功率输出点。由于实际应用中不能保证其总是工作在最大功率点上，所以在应用中要用到mppt装置，以保证太阳能电池的输出功率在最大功率点的附近。
2 mppt基本原理
mppt的实现实质上是一个动态自寻优过程，通过对阵列当前输出电压与电流的检测，得到当前阵列输出功率，再与已被存储的前一时刻功率相比较，舍小取大，再检测，再比较，如此周而复始。mppt控制系统的dc-dc变换的主电路采用boost升压电路。图4为boost变换器的主电路，电路由开关管t、二极管d、电感l、电容c组成。工作的原理为在开关t导通时，二极管d反偏，太阳能电池阵列向电感l存储电能；当开关t断开时，二极管导通，由电感l和电池阵列共同向负载充电，同时还给电容c充电，电感两端的电压与输入电源的电压叠加，使输出端产生高于输入端的电压。boost电路输入输出的电压关系为： v0=vi／(1-d) (1)
当boost变换器工作在电流连续条件下时，从式(1)可以得到其变压比仅与占空比d有关而与负载无关，所以只要有合适的开路电压，通过改变．boost变换器的占空比d就能找到与太阳能电池最大功率点相对应的vi。
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3．1 控制算法
目前实现太阳能mppt常用的算法有扰动观察法(p&o)和电导增量法(inc)。前者的算法结构简单、检测参数少，应用较普遍，但在最大功率点附近，其波动较大；后者的算法波动较小，但较为复杂，跟踪过程需花费相当长的时间去执行a／d转换。
系统采用自适应扰动观察法，通过对扰动观察法的改进，引进一个变步长参数λ(k)来解决在最大功率点附近波动大的问题，其中λ(k)=ε|△p|式中ε是一个恒定的常数，自适应扰动观察法的程序流程图如图5所示。图中e决定了跟踪精度，λ(k)为占空比步长，决定功率变化的步长，η为扰动方向控制系数，取值为1。当|△p|
3．2 硬件实现
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采用其中两路a／d转换输入通道作为太阳能电池的输出电流和电压的采集通道，经过mppt控制产生驱动pwm波形控制dc-dc开关管的导通时间，其控制的框图如图6所示。
3．3 软件实现
mppt的控制流程图如图5所示，其功能是在中断服务模块中完成的。在主程序中主要是完成对寄存器，定时器以及pwm的初始化，其流程图如7所示。
4 实验结果分析
为验证mppt系统的有效性，设计了mppt实验系统，并与无此装置下光伏电池的发电状态进行比较。实验系统的太阳能电池采用大禾科技有限公司的多晶硅电池组件dh-20，其性能参数为：开路电压voc=21．5v；短路电流isc=1．30a；标称功率pm=20w，蓄电池为24v／12ah铅酸蓄电池。实验结果见表1。由实验数据可知，接入mppt装置后，光伏电池的输出功率有了显著提高。
5 结论
提出了一种利用dsp控制的，以boost变换器为核心，以铅酸蓄电池为负载的mppl系统。详细分析了mppt的原理，并对该系统进行了实验研究。实验结果表明，采用tms320f2812 dsp芯片控制的mppt系统实现了光伏电池最大功率跟踪，电路结构简单、可靠性好、效率高，且具有针对蓄电池过充、过放、逆变输出过流等异常情况的多种保护作用，因而具有一定的实用价值。
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