LPC5536光伏MPPT控制方案的軟件實現和系統測試

在之前的文章中，我們對于恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案的系統總體架構（恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案，技術大咖們看過來！http://www.104case.com/article/202409/462954.htm）和硬件組成（打造智能光伏，從LPC5536開始！http://www.104case.com/article/202409/462955.htm），進行了詳細的介紹，本文將進一步分享該方案的軟件實現和系統性能測試，歡迎小伙伴們圍觀！

軟件方案介紹

該方案以LPC5536作為主控，系統的控制框圖如下圖所示，控制路徑中，使用光伏板作為系統的輸入，通過BOOST電路實現MPPT控制，輸出端接負載或者電池，消耗來自光伏板的功率。其中，MPPT/CC/CV控制算法的功能是將ADC采集的輸入/輸出電壓以及輸入/輸出電流數據經過計算轉換為PWM控制參數，最終實現系統控制的目標。此外，系統配置了人機交互模塊，可以通過按鍵和LCD進行參數配置和狀態監測等功能，也可以通過FreeMASTER上位機實現同樣的功能，并完成數據的實時跟蹤和采集。

下面，我們將軟件方案整體上分為以下幾個部分進行介紹：

● 基本控制環路

● 狀態機

● MPPT/CC/CV控制算法

● 人機交互界面（按鍵和LCD）

● FreeMASTER 上位機

01 基本控制環路

通過上一篇文章（打造智能光伏，從LPC5536開始！http://www.104case.com/article/202409/462955.htm）里的測試，最終把PWM控制頻率設定為50kHz，把它作為控制的基礎頻率。在LPC5536中，使用FlexPWM*模塊產生PWM波，同時，通過INPUTMUX*將ADC*的trigger input配置為所使用的FlexPWM，從而在每個PWM周期中產生一次ADC中斷，完成ADC數據的采集。CC/CV控制環路的控制頻率設定為5kHz，也就是每10個ADC采樣周期進行一次控制。MPPT的控制頻率設定為100Hz，如下圖所示。

*: 相關模塊的具體信息請參見LPC5536的Reference Manual以及相關的Application Note

02 狀態機

將MPPT的狀態分為5種，如圖所示，上電時MPPT處于MPPT_INIT狀態，進行相關參數的初始化。初始化完成后，進入MPPT_READY狀態，執行一定的延時以及用戶自定義操作。接著，進入MPPT_WORK狀態，并執行相關電壓/電流檢測，如果一切正常，打開DC/DC控制開關，正常運行控制程序，并持續運行在這一狀態。如果檢測到輸入端電壓過低，可能為光伏板沒有接入或者夜晚，進入MPPT_IDLE狀態，等待系統輸入，恢復正常后再重新進入MPPT_INIT狀態。

輸出端接電池時，如果檢測到輸出端電壓大于限制值或者輸出端電流降低到限制值，可能為電池已充滿，進入MPPT_IDLE狀態，等待電池電壓降低到一定的值再重新進入MPPT_INIT狀態。如果運行過程中檢測到過流/過壓事件，進入到MPPT_OFF狀態，關閉DC/DC控制開關，此時需要檢查電路問題，確認無誤之后可手動切換為MPPT_INIT狀態，重啟程序。

03 MPPT/CC/CV控制算法

MPPT控制算法以擾動觀察法作為基礎，具體流程可以參考系列的第一篇文章（恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案，技術大咖們看過來！http://www.104case.com/article/202409/462954.htm）。為了實現更快的MPPT跟蹤，使用了變步長的控制策略。根據輸入電壓以及PWM輸出的不同狀態建立了參數表，通過查表的方法控制擾動步長。

在實際應用中，MPPT只作為其中的一種工作模式，還可以根據需求切換為CC/CV模式，以滿足不同的應用場景。

輸出端接負載時，不同模式切換策略如下圖所示，其中，VCV是恒壓工作點，ICC是恒流工作點，不同顏色對應不同的工作狀態。實際正常運行時，電壓和電流都不會超過恒壓及恒流點太多，而當系統處于異常狀態時（電流或電壓過大），會通過上文介紹的狀態機觸發保護，在該圖中沒有體現該特征。在不同模式交界地帶，會存在模式反復切換的問題，通過在模式切換點和實際運行點之間加入一定的偏移即可避免這一問題。

輸出端接電池時（以鋰電池為對象），模式切換策略如下圖所示，與接負載時類似，只不過增加了涓流充電模式（TRICKLE）以及不充電模式（OFF）。其中，V1、V2、V3、V4為各模式切換的判斷點，與電池屬性密切相關。

對于鋰電池而言，存在合適的工作區域，當電壓過低或者過高時，即小于V1或者大于V4時，電池可能已經發生損壞，或者電池參數設置有問題，需要停止對電池進行充電。

同時，為了更好地對鋰電池進行充電，可以將電池充電分為三個階段：涓流充電（TRICKLE）、恒流快速充電（CC）以及恒壓充電（CV）。其中，V1是涓流充電的起始判斷點，V2是恒流充電的起始判斷點，V3是恒壓充電的起始判斷點，V4是電池電壓上限。在恒壓充電的過程中，充電電流會逐漸下降，當充電電流下降到設定值時，停止充電，并等待電池電壓下降到設定值時再重新進行充電。

04 人機交互界面（按鍵和LCD）

通過按鍵和LCD可以對整個系統進行設置。首先，可以選擇不同的模式，對應不同的應用需求，模式選擇界面，共有3種模式可供選擇：

同時，可以對系統的輸入輸出相關參數進行設置，在不同的模式下所設置的參數略有區別，參數設置界面如下所示：

人機交互模塊最重要的功能是對系統的運行狀態及各項指標進行顯示，如下圖所示。最頂層為系統名稱及軟硬件版本信息，左上部分顯示所處的工作模式以及狀態機運行狀態，右上部分顯示溫度，中間顯示各輸入輸出參數，左下角為PWM輸出，右下角為DC/DC運行效率。同時，也可以在此界面切換模式以及設置參數，長按相關的按鍵即可實現。

05 FreeMASTER上位機

該系統使用FreeMASTER搭建了上位機，并通過UART與MCU進行通訊。主界面如下圖所示，主體部分是該系統的介紹以及引導。

與LCD和按鍵組成的人機交互系統功能類似，可以使用FreeMASTER進行模式選擇、參數設置以及狀態監測。

另外，FreeMASTER能夠很方便的顯示數據波形并抓取波形進行分析，如下圖所示，點擊左側相關的數據即可顯示對應的波形，此時圖片上方顯示的是輸出電壓的波形，下方顯示的是輸出電流的波形：

系統測試

為了了解系統的實際性能，設計了相關實驗對系統進行測試。將測試分為兩組：一組測試輸出端接負載時的性能，一組測試輸出端接電池時的性能。 

01 電子負載測試

該測試中，輸出端連接電子負載，并設置為恒電阻模式，分別對MPPT/CC/CV模式進行測試，最終得到的測試結果如下圖所示：

▲ 直流電源輸出配置，對應為最大功率，達到最大功率前為恒壓輸出（電流逐漸增大），達到最大功率后為恒流輸出（電壓逐漸減小），可以通過追蹤直流電源的最大功率觀測MPPT性能。

▲共三種運行模式：MPPT最大功率點跟蹤、CC恒流、CV恒壓，MPPT為主運行模式，達到恒流/恒壓條件時轉換為相應的模式。

▲穩定后輸出電壓/電流峰峰值。

▲效率=輸出功率/輸入功率，數據由MPPT控制板采集。

02 電池充電測試

該測試中，輸出端連接24V鋰電池，分別對MPPT/CC/CV模式進行測試，最終得到的測試結果如下表所示：

▲ 直流電源輸出配置，對應為最大功率，達到最大功率前為恒壓輸出（電流逐漸增大），達到最大功率后為恒流輸出（電壓逐漸減小），可以通過追蹤直流電源的最大功率觀測MPPT性能。

▲ 共三種運行模式：MPPT最大功率點跟蹤、CC恒流、CV恒壓，MPPT為主運行模式，達到恒流/恒壓條件時轉換為相應的模式。

▲ MPPT以及CC模式下電池電壓逐漸升高，此處為電池電壓初始均值->電池電壓最終均值；CV模式下電池電壓變化較小，此處為電池電壓峰峰值。

▲ MPPT以及CC模式下充電電流變化較小，此處為充電電流峰峰值；CV模式下充電電流逐漸減小，此處為充電電流初始均值->充電電流最終均值。

▲ 效率=輸出功率/輸入功率，數據由MPPT控制板采集。

本文小結

本文介紹了恩智浦基于LPC5536光伏MPPT方案的軟件設計部分，并對系統相關性能進行了測試，希望能給大家帶來一些啟發。自此，整個系統的介紹就結束啦，感謝大家的持續關注。

系列文章：

恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案，技術大咖們看過來！http://www.104case.com/article/202409/462954.htm

打造智能光伏，從LPC5536開始！http://www.104case.com/article/202409/462955.htm