光伏发电led控制系统设计与分析_毕业论文(编辑修改稿)

光伏发电led控制系统设计与分析_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

案绘制如下整机系统框图。 如图 21。 首先太阳能电压输入整机系统，由 BUCK 变换电路实现 2537V/18V 的 直流变换，再由充电控制电路实现对蓄电池的充电控制和过电保护。 功率驱动模块输入电压为 18V，通过 SA7527A 控制实现功率自适应调整。 系统整体由 PIC16C7116/P单片机控制，其负责提供系统的 PWM 控制信号、各个模块的片选信号以及显示工作状态等功能。 图 21 整机系统框图 预期目标与系统指标 设计预期目标 (1)实现太阳能输入电压自适应匹配； (2)实现铅蓄电池的智能充电和充放电保护； (3)设计出外接负载可变的 LED 驱动电路 ； (4)实现系统能随外界光强变化达到整机工作的智能控制。 系统设计指标 (1)DCDC 变换电压 (前 /后 )： 25V~37V/18V； (2)驱动功率范围： 0~； (3)LED 驱动能力：输出电压 20V，电压波动 2V，输出电流 320mA，电流波动20mA。 (4)光强弱信息采样率： 40次 /分； 5．抗干扰能力： 1~20s。 PIC16F716 单片机控制 光强采样 充电控制和保护 太阳能电压输入 铅蓄电池 状态指示 LED 驱动电路 DCDC变换 第三章 电源电路的研究与设计 5 第三章 电源电路的研究与设计 主电路的设计 太阳能输入具有电压宽，电流小等特点，为了能保证输入电压和蓄电池充电电压的匹配， DCDC 主电路采用 BUCK 电路实 现。 电路参数计算 （ 1）占空比 D 计算 由设计指标可以确定 VMAX=37V 为最大电压， VMIN=25V 为最小输入电压，占空比 D 可以根据电路输入电压和输出电压之间比例关系确定。 m a x m in 18 0 .7 225oUVD    （ 31） m in m a x 18 0 .4 937oUVD    （ 32） 18 0 .536onomnomUVD    （ 33） （ 2）电感 L和电容 C计算 m a x ( m i n) m a x m i n( ) ( ) on oL L sU U T U U DLHi i f    (34) 电容耐压值：由于最大输出电压为 37V，则电容耐压值应大于 37V。 设计电路设计要留有一定的设计裕量，这里取电容规格 120uf/50V。 （ 3）开关管 Q 的选取 该电路的输入电压是 25V~37V，则开关管耐压值为 37V，电流的最大值为： 2 0 . 2 5 2 . 2 5Q p o LI I i A A      （ 35） 开关管的频率为 f = 250KHz ， 这里采用额定工作值是 150V/ 6A 的 MOSFET 管MTD6N15T4G。 电路设计 主电路的系统函数 Gvd(s)为： 221/() 1 / /zv d in oosG s U s Q s  （ 36） 第三章 电源电路的研究与设计 6 其中， e1(1 R / )osrLC R   （ 37） e1( / R )o srQ L R C  （ 38） e1RzsrC  （ 39） 取 R=， Resr =50mΩ，因为 L=， C=120uF，可求得 ω 0=25000rad/s， f0=ω 0/2π=， Q=，ω z=1000000rad/s， fz=ω z/2π≈。 传递函数具体参数为： 221 / 1000000( ) 36 1 / ( 25000) / 25000vd sGs ss    （ 310） 主电路设计如图 31。 图 31 电源电路主电路 反馈电路的设计 由于 BUCK 电路只能对固定的输入电压，起到直流变换作用，由于太阳能电压稳定性变化较大，单纯的 BUCK 电路，输出电压会随着出入电压的变化而变化，并不能起到稳定输出电压的作用，因此需要加入闭环反馈校正。 PID 控制器（比例 积分 微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。 它的应用领域相当广泛，主要适用于时不变的线性系统。 PID 控制器常常作为反馈元件在工业控制中出现，它的工作过程可以分为：（ 1）收集反馈信息数据；（ 2）与设定基准值进行比较，并且用差值计算下一刻的输入 值。 其目的就是可以让系统的输出固定或者维持在某个值。 PID 调节器自身的特点可以第三章 电源电路的研究与设计 7 概括为：为了使系统更加准确和稳定，根据历史数据和差别的出现率来纠正系统下一刻的输入值。 一个 PID 反馈回路可以让系统的输出维持在设定值，可以证明在输出变化迅速的情况下，其他控制可能会导致系统有稳定的误差。 电路参数计算 根据设计指标，电源电路应具有 2537V/18V 电压变换功能。 反馈校正装置则根据输入电压的变化，自动稳定输出电压和电流。 为后接模块提供稳定的电压和电流。 闭环反馈原理如图 32。 +V i nQ fCfLRDU oAH ( s )V r e f+G c ( s )脉 宽调 制 图 32 闭环反馈原理 图 采样值输出电压和基准电压值的差值传送到误差放大器，经过 PID控制器、PWM调制控制开关管的工作，从而维持输出电压稳定在预定值，还在一定范围内有去除小干扰的功能。 设 PWM 的载波幅度为 1，那么开环系统函数为： F(s)=Gvd(s)*H(s)*Gc(s)。 补偿环节 GZ(s)的设计采用 K因子法， GC(s)采用 PID调节器。 12( ) (1 / ) (1 / )() (1 / ) (1 / )b c z zcppG s s sGs K s s s   （ 311） 其中 ： 1 2 1 222 , , 2cc c z z p p cff f KK           （ 312） 1 2 121 1 1, , , ,1 ( 1 3 ) 3 3 1 ( 1 2 ) 2 1123323c z z pbpKG R C C R C C R R R CCCRCC        （ 313） 第三章 电源电路的研究与设计 8 硬件电路图如图 33。 图 33 补偿回路 fC 的大小与系统的响应速度快慢有关， fC 的值越大，系统响应速度就会越快；但是为了抑制开关频率而产生的的干扰， fC应该取较小值。 因此 fC要综合考虑，取 fC=。 本设计选取基准参考电压 Vref 为 9V，那么由 Gb = 1/(Gvd(fc)*H(fc))可得 Gb 值为 ；补偿系统函数： H(s)取值 1/2。 当 fC为 时， Gvd(s)的相位为148176。 ，此处取相位裕度为 60176。 所以 6 0 1 8 0 ( 9 0 ) ( 1 4 8 ) 1 1 8b             （ 314） 由公式 2 ( a r c t a n ( ) a r c t a n (1 / ) )b K K  （ 315） 得 K=。 根据式 312 确定零极点值，结果为：  c=948280，  z1=  z2=， p1= p2=。 取 Rbias=1KΩ， R1=1KΩ ,以上元件的具体参数可以通过公式求得：C1=， C2=， C3=， R2=， R3=。 电路设计 根据上节参数设计反馈系统电路图，如图 34。 电源电路的设计 电源电路整机采用 BUCK 主电路和反恐控制电路实现。 主电路实现可变输入电压下的电压变换，在输 入电压发生变化的情况下，反馈回路自动校正输出电压 第三章 电源电路的研究与设计 9 图 34 反馈系统电路 和电流，使电压输出稳定在 18V，电流输出稳定在 2A，电路如图 35。 图 35 电源模块电路 主电路通过开关管、电容、电感实现降压变换，将输入电压变换至 18V 左右，补偿电路采用两个 1KΩ的电阻实现， PID 控制器的基准电压为 9V，由蓄电池通过分压得到，控制开关管的 PWM 信号由 PIC16C7116/P 单片机产生。 第四章 充电电路的设计 10 第四章 充电电路的设计 充电电路原理概述 UC3906DW 介绍 充电电路基于 UC3906DW 设 计实现。 图 41 为芯片 UC3906DW 内部结构，作为专用电源管理芯片，其内部集成限流电路和控制电路。 由于芯片驱动管脚输出电流可以大于 25mA，因此能够驱动外接的开关管，从而控制电路的输出电压和电路， 电池的 充电状态 可以通过内部 检测比较器 来检测。 图 41 UC3906DW内部结构 6GFM200特性分析 6GFM200 是 GS(M)系列 高性能电池，它同时也是 经 ISO9001 认证的 高可靠性电池，按照额定电压分类，则可以分为 6V 和 12V 两种 ， 个钟型号的 容量从10Ah200Ah 不等。 其应 用分布广泛 ， 例如可应用于 应急照明 领域 、 光伏发电存储 系统、通信 信息 系统 领域 、 应急 UPS 系统 、 航空工业领域 等。 6GFM200 蓄电池 还具有使用 寿命长 、 自放电低 、 安全 系数高、绿色环保等特点。 其电池特性如表 41，恒定功率放电时刻表如表 42。 第四章 充电电路的设计 11 表 41 电池主要特性表 容量 (25℃ ) 20HR 200Ah 10HR 190Ah 5HR 164Ah 1HR 110Ah 内阻 (完全充电状态 ) (25℃ ) 不同温度下蓄 电池的容量 40℃ 109% 25℃ 100% 0℃ 88% 15℃ 76% 容量保存率 (25℃ ) 储存期 3个月 92% 充电特性 (25℃ ) 循环 ,不大于 40A 浮充 ,不大于 40A 表 42 恒定功率放电时刻表 终止电压 (伏 /单体 ) 30M 40M 50M 60M 2H 3H 5H 8H 10H 20H 316 260 226 206 125 334 276 238 216 129 348 288 248 222 132 364 298 258 224 134 376 302 262 228 135 408 308 268 234 136 充电原理 传统的充电器由于充电电流不稳定，有时候甚至充电电流很太，容易损坏电池。 当充电电路检测到电池的电 压或放电电流小于放电设定值的时候 ,充电器通过控制比较器调节电路，使之变为充电状态；而且，该比较器还能在驱动器截止时输出 25~30mA 的充电小电流，因此，短时间的电池反接或者是充电电路短路，产生的电流也非常小，不足以损坏蓄电池。 能够提供精准的内部基准电压是 UC3906DW 最大的特点，而且其可以根据外界环境温度的改变发生变化。 由于蓄电池的电压特性也随温度变化，如其 4 mV/℃的负温度特性，而且温度过高或者过低都会大大影响其工作特性，温度过高时（高于 46℃），蓄电池就可能会由于过充电而发生损坏，同样在温度很低的 情况下，例如在地狱 0℃时，就可能引起不能完全充电的现象，对于铅蓄电池而言，其工第四章 充电电路的设计 12 作温度在 25℃左右。 然而因为 UC3906DW 的温度特性与蓄电池一致，可以弥补蓄电池对环境温度比较敏感这一缺陷。 功耗对一个电路设计也是非常重要的，UC3906DW 的工总电流为 1. 7mA，可大大减小系统自身带来的损耗，以最低的开销实现温度参数的精确检测。 UC3906DW 对温度特性的补偿可以使蓄电池工作温度范围变得更宽，甚至能达到 0 ~ 70℃ 之大，大大提高了充电电路对环境温度的适应性。 基于 UC3906DW 搭建的充电电路，有三种工 作状态，分别是大电流恒流充电、低电压恒压浮充和高电压过充电。 刚开始蓄电池电量低，充电电路以较大值的电流对电池进行充电，同时对电池电压进行不间断检测。 当电池电量充到了总量的 90%左右时，即电池电压达到预定转换电压。