本實(shí)用新型涉及一種利用太陽(yáng)能供電的水泵電機(jī)控制系統(tǒng)，屬太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)在市場(chǎng)應(yīng)用和研發(fā)生產(chǎn)上得到了廣泛關(guān)注。太陽(yáng)能水泵系統(tǒng)作為一種集合多種學(xué)科高技術(shù)一體的系統(tǒng)，在解決缺少地區(qū)的生活用水、農(nóng)田灌溉等不同場(chǎng)合有著很大的實(shí)際意義。太陽(yáng)能水泵技術(shù)既能實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，又能促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和改善生態(tài)環(huán)境。

通常，太陽(yáng)能水泵系統(tǒng)由太陽(yáng)能變換和水泵電機(jī)控制組成，采取相應(yīng)的控制方法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的最大功率輸出，控制系統(tǒng)控制水泵電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)從深井、江河等水源取水，用水居民生活或者工業(yè)生產(chǎn)。由于太陽(yáng)能輸出電壓隨外界環(huán)境溫度，光照強(qiáng)度等氣象因素影響不斷變化，現(xiàn)有大多采用通用控制器的太陽(yáng)能水泵控制系統(tǒng)，能源利用率和系統(tǒng)穩(wěn)定性等效果都不理想。因此，如何使太陽(yáng)能組件的輸出功率能隨時(shí)保持在當(dāng)前環(huán)境下的最大值，采取相應(yīng)的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，是一項(xiàng)值得深入研究的課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用太陽(yáng)能供電的水泵電機(jī)控制系統(tǒng)，提高太陽(yáng)能利用率和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：一種利用太陽(yáng)能供電的水泵電機(jī)控制系統(tǒng)包括太陽(yáng)能組件、DC-DC升壓模塊、DC-AC逆變模塊、負(fù)載水泵電機(jī)、PWM控制電路、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、電源單元、光伏UI采樣電路、CPU控制單元和水位檢測(cè)電路。

整個(gè)水泵控制系統(tǒng)由太陽(yáng)能組件提供電源供給，太陽(yáng)能組件輸出端連接電源單元，另一端輸出連至DC-DC升壓模塊；電源單元為PWM控制電路、DC-AC逆變模塊和CPU控制單元提供相應(yīng)的直流電源供給；DC-DC升壓模塊輸出端與DC-AC逆變模塊的輸入端相連；DC-AC逆變模塊輸出端接著負(fù)載水泵電機(jī)；電壓檢測(cè)電路和電流檢測(cè)電路用于采集DC-DC升壓模塊的輸出電壓、電流，將其輸入到PWM控制電路中；光伏UI采樣電路的輸入端與太陽(yáng)能組件輸出端相連，輸出端連接CPU控制單元；水位檢測(cè)電路將檢測(cè)水位信號(hào)送至CPU控制單元中；CPU控制單元的輸出端與DC-AC逆變模塊相連。

所述DC-DC升壓模塊采用全橋式整流濾波輸出的推挽電路，包括輸入穩(wěn)壓電容C1，高頻變壓器，高壓功率開(kāi)關(guān)管，，整流二極管、、、，輸出濾波電感L，濾波電容C2；DC-DC升壓模塊用于將所述太陽(yáng)能組件輸出的直流電壓48V升壓到350V穩(wěn)定輸出。

所述PWM控制電路包括電流型控制芯片SG3525、外圍電阻電容電路以及以芯片LM358、光敏耦合器組成的電壓控制器；芯片LM358的2、3引腳輸入端是2.5V的電壓小信號(hào)，芯片LM358的輸出端1通過(guò)電阻R5連至光敏耦合器中發(fā)光二極管的陰極；光敏耦合器中發(fā)光二極管的陽(yáng)極接+12V工作電壓，光敏耦合器中受光三極管的集電極通過(guò)電阻R22接入控制芯片SG3525的引腳2，受光三極管的發(fā)射極接地，基極未引出；所述電流檢測(cè)電路采集的電流信號(hào)通過(guò)電阻R20接入控制芯片SG3525的引腳1，引腳5、6、7分別外接電容C8、電阻R33和電阻R30，決定SG3525的鋸齒波頻率，引腳12直接接地，引腳8、16分別通過(guò)C12、C7旁路電容接地，引腳13、15接+12V工作電壓，引腳11和引腳14是PWM控制電路的PWM輸出口，輸出PWM控制信號(hào)接入DC-DC升壓模塊中。

所述DC-AC逆變模塊是以電壓型智能功率模塊IPM配備必要的外圍硬件電路組成，所述DC-DC升壓模塊輸出的350V穩(wěn)定高壓接入DC-AC逆變模塊，作為其直流輸入電源；所述CPU控制單元輸出的6路PWM信號(hào)接入DC-AC逆變模塊，直接驅(qū)動(dòng)智能功率模塊IPM內(nèi)部的IGBT功率管，輸出相應(yīng)的交流電接入所述的負(fù)載水泵電機(jī)。

所述CPU控制單元采用16位微控制器芯片SPMC75F系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，集成了高性能的內(nèi)核單元、串行接口、可編程I/O端口等常見(jiàn)功能模塊，抗干擾能力強(qiáng)，適用于電機(jī)控制應(yīng)用，工作電壓為4.5V~5.5V，運(yùn)算速度為0~24MHz；CPU控制單元的輸入信號(hào)是所述光伏UI采樣電路收集的電壓電流信號(hào)和所述水位檢測(cè)電路采集的水位信號(hào)，輸出相應(yīng)的PWM控制信號(hào)接至DC-AC逆變模塊。

所述電壓檢測(cè)電路是由光耦OP1A、光耦OP1B、運(yùn)放A1A、運(yùn)放A1B以及必要的電阻電容組成；電壓信號(hào)SP端經(jīng)電阻R61接入光耦OP1A中發(fā)光二極管的陽(yáng)極，電壓信號(hào)SN端經(jīng)電阻R62接入光耦OP1A中發(fā)光二極管的陰極，光耦OP1A中受光三極管的集電極接工作電壓+12V，發(fā)射極經(jīng)電阻R63接地；運(yùn)放A1A的正端3與光耦OP1A中受光三極管的發(fā)射極相連，負(fù)端2經(jīng)電阻R65接入光耦OP1B受光三極管的發(fā)射極，運(yùn)放A1A的輸出端接入光耦OP1B中發(fā)光二極管的陽(yáng)極；光耦OP1B中發(fā)光二極管的陰極經(jīng)電阻R64接地，受光三極管的集電極接工作電壓+12V，受光三極管的發(fā)射極經(jīng)電阻R66接地；運(yùn)放A1B的正端5經(jīng)電阻R67與光耦OP1B中發(fā)光二極管的陰極相連，負(fù)端6與運(yùn)放A1B的輸出端7短接，輸出端7輸出所檢測(cè)的電壓信號(hào)送至所述PWM控制電路中。

所述電流檢測(cè)電路是利用霍爾電流傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，輸出接一運(yùn)放和相應(yīng)的電阻電容后產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號(hào)送至所述PWM控制電路中。

所述電流檢測(cè)電路由霍爾電流傳感器、運(yùn)算放大器和相應(yīng)電阻電容構(gòu)成；霍爾電流傳感器輸出經(jīng)電阻R42與運(yùn)算放大器的正端3連接，運(yùn)算放大器的負(fù)端2與輸出端1短接形成負(fù)反饋，運(yùn)算放大器的輸出端1經(jīng)電阻R44電容C42輸出采集的電流信號(hào)Id，送至所述PWM控制電路中。

所述光伏UI采樣電路由所述電壓檢測(cè)電路和所述電流檢測(cè)電路組成，用來(lái)采集所述太陽(yáng)能組件的輸出電壓和輸出電流，輸入到所述CPU控制單元中，用于計(jì)算出所述太陽(yáng)能組件的輸出功率，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制。

所述電源單元是由主控制芯片UC3844構(gòu)成的多路輸出直流電源，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)所需的5路直流電源5V、15V、+12Vl、+12V2和-12V2輸出；其中，所述電源單元的輸入是由所述太陽(yáng)能組件提供；所述電源單元的5V輸出給所述CPU控制單元供電，15V輸出給所述DC-AC逆變模塊供電，12V1給所述電源單元內(nèi)部的主控芯片UC3844供電，+12V2和-12V2輸出給其他芯片供電。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型采用16位微控制器芯片SPMC75F系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的CPU控制單元，以電壓型智能功率模塊IPM構(gòu)成DC-AC逆變模塊、由主控制芯片UC3844構(gòu)成的多路輸出直流電源單元和采用全橋式整流濾波輸出的DC-DC升壓模塊，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行；本實(shí)用新型公開(kāi)了一種利用太陽(yáng)能供電的水泵電機(jī)控制系統(tǒng)，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境條件，具有較高的能源利用率和良好的穩(wěn)定性能；同時(shí)本實(shí)用新型提供的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有通用性，可滿足多種應(yīng)用電機(jī)的變壓變頻控制，系統(tǒng)成本低、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性強(qiáng)，有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型中DC-DC升壓模塊的電路原理圖；

圖3是本實(shí)用新型中PWM控制電路的電路原理圖；

圖4是本實(shí)用新型中電壓檢測(cè)電路的電路原理圖；

圖5是本實(shí)用新型中電流檢測(cè)電路的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)照附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，一種利用太陽(yáng)能供電的水泵電機(jī)控制系統(tǒng)，包括太陽(yáng)能組件、DC-DC升壓模塊、DC-AC逆變模塊、負(fù)載水泵電機(jī)、PWM控制電路、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、電源單元、光伏UI采樣電路、CPU控制單元以及水位檢測(cè)電路。

整個(gè)水泵電機(jī)控制系統(tǒng)的能源供應(yīng)由太陽(yáng)能組件提供，其輸出功率的大小與環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度等氣象因素有關(guān)，太陽(yáng)能組件輸出的直流低電壓48V（輸入電壓范圍40~50V）接入到DC-DC升壓模塊，另一路引入到電源單元中，滿足系統(tǒng)內(nèi)部需要的多路直流電源輸出。DC-DC升壓模塊的主電路選擇推挽電路，負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能組件的直流電壓穩(wěn)定升壓到350V；PWM控制電路通過(guò)電壓檢測(cè)電路和電流檢測(cè)電路采樣DC-DC升壓模塊的輸出電壓電流信號(hào)，反饋給PWM控制電路中的控制芯片SG3525產(chǎn)生兩路互補(bǔ)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用來(lái)控制DC-DC升壓模塊的高壓功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，使輸出電壓穩(wěn)定在350V。光伏UI采樣電路用于實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能組件的最大功率跟蹤，即 MPPT 控制部分，通過(guò)光伏UI采樣電路采集太陽(yáng)能組件輸出的電壓電流信號(hào)，送至CPU主控單元，結(jié)合相應(yīng)的MPPT 控制算法完成太陽(yáng)能組件的最大功率點(diǎn)跟蹤控制；DC-AC逆變模塊的功能是基于電壓空間矢量（SVPWM）調(diào)制技術(shù)將DC-DC升壓模塊輸出的直流高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樽儔鹤冾l的交流電，CPU主控單元中的SVPWM波形發(fā)生器產(chǎn)生的6路PWM觸發(fā)脈沖信號(hào)，控制DC-AC逆變模塊中功率開(kāi)關(guān)管的占空比調(diào)節(jié)DC-AC逆變模塊的輸出電壓和頻率，從而控制水泵負(fù)載電機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速；系統(tǒng)負(fù)載是離心式水泵，采用三相交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵。水位檢測(cè)電路用于防止水位下降水泵無(wú)法抽水造成電機(jī)空轉(zhuǎn)損壞，將采集到的水位信號(hào)送至CPU主控單元中，控制脈沖信號(hào)輸出從而實(shí)現(xiàn)水泵系統(tǒng)的保護(hù)功能。

如圖2所示，所述DC-DC升壓模塊采用全橋式整流濾波輸出的推挽電路，包括輸入穩(wěn)壓電容C1，高頻變壓器，高壓功率開(kāi)關(guān)管，，整流二極管、、、，輸出濾波電感L，濾波電容C2；高頻變壓器中，高壓功率開(kāi)關(guān)管，由驅(qū)動(dòng)電路以PWM方式激勵(lì)控制通斷，在功率開(kāi)關(guān)管和的漏極產(chǎn)生周期性的方波信號(hào)，即在高頻變壓器次級(jí)輸出周期性的方波信號(hào)，經(jīng)全橋式整流濾波電路后輸出穩(wěn)定的350V直流高電壓。 整個(gè)升壓模塊只需2個(gè)功率管實(shí)現(xiàn)，損耗低效率高，大大減小了系統(tǒng)體積和成本。

如圖3所示，所述PWM控制電路包括電流型控制芯片SG3525、外圍電阻電容電路以及以芯片LM358、光敏耦合器組成；芯片LM358的2、3引腳輸入端是2.5V的電壓小信號(hào)，芯片LM358的輸出端1通過(guò)電阻R5連至光敏耦合器中發(fā)光二極管的陰極；光敏耦合器中發(fā)光二極管的陽(yáng)極接+12V工作電壓，光敏耦合器中受光三極管的集電極通過(guò)電阻R22接入控制芯片SG3525的引腳2，受光三極管的發(fā)射極接地，基極未引出；所述電流檢測(cè)電路采集的電流信號(hào)通過(guò)電阻R20接入控制芯片SG3525的引腳1，引腳5、6、7分別外接電容C8、電阻R33和電阻R30，決定SG3525的鋸齒波頻率，引腳12直接接地，引腳8、16分別通過(guò)C12、C7旁路電容接地，引腳13、15接+12V工作電壓，引腳11和引腳14是PWM控制電路的PWM輸出口，輸出PWM控制信號(hào)接入DC-DC升壓模塊中。

經(jīng)由電壓檢測(cè)電路得到電壓誤差信號(hào)，送入PWM控制電路中控制芯片SG3525的引腳2作為控制器給定信號(hào)；將電流檢測(cè)電路采樣得到的輸出電流信號(hào)，送至SG3525的引腳1作為反饋信號(hào)，兩者比較產(chǎn)生誤差信號(hào)，送至控制芯片SG3525振蕩器中產(chǎn)生兩路互補(bǔ)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)運(yùn)放放大后分別送至 DC-DC升壓模塊中的高壓功率開(kāi)關(guān)管，柵極，控制兩功率管的開(kāi)通關(guān)斷。當(dāng)DC-DC升壓模塊輸出電壓升高時(shí)，PWM控制電路將控制PWM脈沖信號(hào)輸出為正的時(shí)間變長(zhǎng)，使得功率管的導(dǎo)通時(shí)間變短，從而使DC-DC升壓模塊輸出電壓穩(wěn)定，反之亦然。

如圖4所示，所述電壓檢測(cè)電路是由光耦OP1A、光耦OP1B、運(yùn)放A1A、運(yùn)放A1B以及必要的電阻電容組成；電壓信號(hào)SP端經(jīng)電阻R61接入光耦OP1A中發(fā)光二極管的陽(yáng)極，電壓信號(hào)SN端經(jīng)電阻R62接入光耦OP1A中發(fā)光二極管的陰極，光耦OP1A中受光三極管的集電極接工作電壓+12V、發(fā)射極經(jīng)電阻R63接地；運(yùn)放A1A的正端3與光耦OP1A中受光三極管的發(fā)射極相連，負(fù)端2經(jīng)電阻R65接入光耦OP1B受光三極管的發(fā)射極，運(yùn)放A1A的輸出端接入光耦OP1B中發(fā)光二極管的陽(yáng)極；光耦OP1B中發(fā)光二極管的陰極經(jīng)電阻R64接地，受光三極管的集電極接工作電壓+12V，受光三極管的發(fā)射極經(jīng)電阻R66接地；運(yùn)放A1B的正端5經(jīng)電阻R67與光耦OP1B中發(fā)光二極管的陰極相連，負(fù)端6與運(yùn)放A1B的輸出端7短接，輸出端7輸出所檢測(cè)的電壓信號(hào)送至所述PWM控制電路中。

如圖5所示，所述電流檢測(cè)電路包括霍爾電流傳感器、運(yùn)算放大器和相應(yīng)電阻電容；霍爾電流傳感器輸出經(jīng)電阻R42與運(yùn)算放大器的正端3連接，運(yùn)算放大器的負(fù)端2與輸出端1短接形成負(fù)反饋，運(yùn)算放大器的輸出端1經(jīng)電阻R44電容C42輸出采集的電流信號(hào)Id，送至所述PWM控制電路中。電流的檢測(cè)利用霍爾電流傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，精度高且有很好的動(dòng)態(tài)性能。

本實(shí)用新型提供的一種利用太陽(yáng)能供電的水泵電機(jī)控制系統(tǒng)，能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高能源利用率和良好的穩(wěn)定性能；同時(shí)該系統(tǒng)體積小、成本低且經(jīng)濟(jì)實(shí)用性強(qiáng)；結(jié)構(gòu)具有通用性，可滿足多種應(yīng)用電機(jī)的變壓變頻控制，有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

本實(shí)用新型中涉及的未說(shuō)明部分與現(xiàn)有技術(shù)相同或采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。