基于PIC16F87单片机的新型光伏扬水系统的设计

【摘要】本论文研制一种新型的光伏扬水系统，该系统的驱动电机是采用直流无刷电机，系统选用MicroChip公司所生产的PIC16F877作为光伏水泵系统的主控芯片，对系统硬件和控制软件进行设计，实现直流无刷电机的反电势过零检测，同时实现光伏阵列点的TMPPT跟踪、系统无人监控和故障检测等功能。

【关键词】扬水系统;过零检测;TMPPT跟踪

1.引言

光伏水泵亦称太阳能水泵，主要由水泵和光伏扬水逆变器组成。具体应用时，再根据日用水量和不同扬程量的需求配以相应功率的光伏阵列，统称为光伏扬水系统。光伏水泵利用清洁无污染、取之不尽用之不竭的太阳能资源，日出而作，日落而歇，无需电网、无需柴油、无需人员看管，可与渗灌、喷灌、滴灌等灌溉设施配套应用。节水节能，可大幅降低使用化石能源电力的投入成本。是全球“能源问题”、“粮食问题”综合系统解决方案的新能源、新技术应用产品。

本文设计了一种自动的新型的光伏扬水系统，该系统的驱动电机是采用直流无刷电机，系统选用MicroChip公司所生产的PIC16F877作为光伏水泵系统的主控芯片，对系统硬件和控制软件进行设计，实现直流无刷电机的反电势过零检测，同时实现光伏阵列点的TMPPT跟踪、系统无人监控和故障检测等功能。

2.系统硬件设计

2.1 系统构成

光伏水泵系统的结构如图1所示，系统主要包括四个部分：太阳电池阵列、控制器、电机和水泵。 系统利用光伏阵列将太阳能直接转变成电能。经过DC/DC升压后然后经过具有TMPPT功能的变频器输出三相交流电压，从而驱动电机和水泵负载，完成向水塔储水功能。

图1 系统结构图

2.2 系统总体结构及硬件构成

本文所设计的系统总体结构如图2所示，光伏电池阵列的输出端与Boost相接，单片机集光伏阵列母线的电压值和电流值从而做出是否欠压过流的判断，采集到的数据如果符合条件，微控制器将根据MPPT算法改变电压的增量移动方向从而调整PWM信号的占空比。通过调整占空比来驱动DC-DC电路的功率管导通，这一部分完成了最大功率点跟踪控制。

三相逆变桥电路与最大功率点跟踪控制的输出端相连，IR2130组成功率驱动电路，单片机的PWM控制信号通过此驱动电路来控制六个开关管的导通与关断，使UVW三相交替导通使电机运转。电机运转期间不断地通过三相反电势过零检测电路检测转子位置，获得准确的换相信息。所设计的系统保护功能包括打干保护、低日照保护和过流保护。我们知道，根据直流无刷电机的运行原理通过由6只功率管组成的三相六状态电路的断开与导通可以控制电机的运转。而对光伏阵列最大功率点跟踪而言，则是通过改变DC-DC的占空比D来实现的。

图2 系统硬件结构框图

图3 系统主程序流程图

3.软件设计

在本光伏水泵系统中，选用单片机PIC16F877作为系统的主控芯片。系统的软件部分包括主程序和中断服务程序，主程序的任务主要是完成系统的初始化、A/D采样、读入用户设置、电机转速识别及转速异常保护、PI调节、MPPT或CVT功能等功能。主程序流程图如图3所示。

4.总结

论文经过理论设计及硬件制作完成了样机试制，该样机的设计采用单片机PIC16F877作为系统的主控芯片。系统采用“虚拟中性点法”，从而解决了无位置传感器的直流无刷电动机控制的关键问题即转子位置检测问题。本样机利用单片机所拥有的丰富的I/O口和A/D采样功能，采用调节PWM占空比调节电机的转速以实现最大功率跟踪功能。样机还完善了对系统的各种保护功能，提供各种监控功能，这提高了光伏扬水系统的可靠性和灵活性。在实验中，选用24V，30W的无位置传感器直流无刷电机，通过实验证明，直流无刷电机能够自动切换到自同步运行状态并实现了实现平稳的步进起动。通过实验，测量了电子换向逆变器的各种电压，电机运行性能良好。实验结果表明，该试制样机基本上达到设计目标，具有一定的应用价值。

参考文献

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[4] Hermann B， Karl H， Kopf E， Lehner G， Saupe G，A PV Water Pumping system with Progressive Cavity Pump[J].Photovoltaic Solar Energy Conference，2006.6.

作者简介：张凤娟（1978―），女，山东菏泽人，无锡科技职业学院讲师，主要从事光伏技术方面的研究。