CN104485861A - 智能型直流无位置传感光伏水泵驱动控制器 - Google Patents

Abstract

一种智能型直流无位置传感光伏水泵驱动控制器，具有能实现电源管理和功能整合。系统具有智能特性，有非常完善、可靠的电源管理功能，具有优先、最大限度利用光伏电源，防止电源错位和极性接反保护功能。另一个特点是，整合了控制和保护功能，系统具有稳定、可靠、安全、高效的特点。系统选择高性能的32位嵌入式微控制器，担任系统的控制和管理，实现复杂的功能，并对直流无位置传感的光伏抽水系统进行全面管理和安全保护。

Description

智能型直流无位置传感光伏水泵驱动控制器

技术领域

本发明涉及驱动控制器领域，特别涉及一种智能型直流无位置传感光伏水泵驱动控制器。

背景技术

目前的光伏水泵驱动器一般使用单一的光伏电池板供电；且系统不配接蓄电池，不能最大限度的将白天多余的电能收集储存；在配接光伏和蓄电池双电源供电时，系统缺少对电源的完整、可靠管理；缺少对蓄电池进行充电的电路；缺少防止电源错节、极性反接的模块电路；缺乏对光伏电池最大输出功率的跟踪、管理的功能(MPPT)；缺乏对系统状态及大功率电路、器件等进行故障自检的功能。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种智能型直流无位置传感光伏水泵驱动控制器，具有能实现电源管理和功能整合。系统具有智能特性，有非常完善、可靠的电源管理功能，具有优先、最大限度利用光伏电源，防止电源错位和极性接反保护功能。另一个特点是，整合了几乎所控制和保护功能，系统具有稳定、可靠、安全、高效的特点。系统选择高性能的32位嵌入式微控制器，担任系统的控制和管理，实现复杂的功能，并对直流无位置传感的光伏抽水系统进行全面管理和安全保护。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种智能型直流无位置传感光伏水泵驱动控制器，

包括：辅助电源模块、防反接模块，电源管理模块、充电模块、微微控制器模块、驱动电路模块、水泵电机模块；辅助电源模块、防反接模块，电源管理模块、充电模块、驱动电路模块、分别与微控制器模块连接，水泵电机模块与驱动电路模块连接；

所述微控制器模块控制整个装置的正常运转，选用32位高性能嵌入式MCU控制芯片STM32F103VET；

该MCU有JTAG接口，支持在线调试，MCU实现对电路的几条支路电压、电流的A/DC变换，主电路的PWM输出、预充电控制、主继电器控制、充电电路的PWM输出与实时调整，充电电流的监测与工作保护，主电路扫描，蓄水池水满、井水抽干开关输入，电路输出功率计算功能；

水泵电机模块驱动主电路的驱动电路；

辅助电源模块：能将主电源输入电压转为12V、5V和3.3V的电压直流稳定电压供给系统的MCU、放大器、继电器、控制器、主电路的驱动芯片等。辅助电路是典型的单端反激开关稳压电源；

防反接模块：在铅酸蓄电池与光伏发电板的极性，或位置接反、接错时，防止电流倒灌烧毁电路的器件；

充电模块，在系统满足条件时，通过充电模块控制，将光伏板的电能充入铅酸蓄电池储存，使系统在夜晚、阴雨天也能继续抽水；

电源管理模块：对配接光伏和蓄电池双电源的系统进行全自动的电源管理，实现光伏电源和蓄电池双电源复杂的自动切换与组合；系统可以单独接光伏或蓄电池使用，也可以同时连接光伏和蓄电池两个电源，系统水泵电机驱动主电路的驱动电路，由MCP给出的PWM信号由U9放大后，直接驱动大功率桥的一个臂Q1、Q4的栅极G1和G4，还有与它一样的两个驱动电路，分别驱动主电路桥的另外两个臂Q2、Q6的栅极G3和G6，Q3、Q8的栅极G2和G5。通过自动检查识别电源，并优先使用光伏电源；

进一步的，本装置还包括系统的防雷击电路，插座J1的1、2端是电源的连接端(图1中的p+和B+端)，若将雷击浪涌电压引入系统控制板，GDT1、GDT2、R126、R125可以将浪涌吸收，以保护整个系统电路的安全。GDT1、GDT2是放电管，R126是保险丝、R125是压敏元件，当电源的正极瞬时电压超过某安全值范围，将击穿导电，将浪涌电压限制在安全范围内。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明系统采用光伏和蓄电池双电源系统，使系统在阴天、雨天、夜晚、早晨或傍晚太阳光照不足或无光照时也能自动抽水；本发明能实现双电源管理和功能整合。系统具有智能特性，有非常完善、可靠的电源管理功能，具有优先、最大限度利用光伏电源，防止电源错位和极性接反保护功能。另一个特点是，整合了几乎所控制和保护功能，系统具有稳定、可靠、安全、高效的特点。系统选择高性能的32位嵌入式微控制器，担任系统的控制和管理，实现复杂的功能，并对直流无位置传感的光伏抽水系统进行全面管理和安全保护。

附图说明

图1智能型直流无位置传感光伏水泵驱动控制器电路框图

图2电源管理电路图

图3辅助电源电路

图4充电电路

图5系统防雷击电路图

图6水泵电机驱动主电路

图7水泵电机驱动主电路的驱动电路

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明方案做进一步详细描述，

如图1所示：

本发明的工作原理为：

1.电源管理功能。系统具有智能特性，对配接光伏和蓄电池双电源的系统进行全自动的电源管理，实现光伏电源和蓄电池双电源复杂的自动切换与组合。系统可以单独接光伏或蓄电池使用，也可以同时连接光伏和蓄电池两个电源，系统通过自动检查识别电源，并优先使用光伏电源。

系统符合抽水条件时，①可以优先利用光伏电源，运行在一边驱动水泵抽水、一边给蓄电池充电的状态(阳光非常充足)；②可以单独运行在光伏电源驱动水泵抽水的状态(阳光充足)；③可以工作在蓄电池和光伏同时给水泵供电的状态(阳光不足，如阴天、雨天、早晨或傍晚太阳光照不足时)。

在不满足抽水条件，水泵不抽水时，充电电路控制光伏板给蓄电池充电储能；也可以接其他合适的直流电源给蓄电池充电。

如图1所示，是“智能型直流无位置传感光伏水泵驱动控制器电路框图”，开关K2是系统功能选择开关，系统有三个功能可供选择：“光伏”、“蓄电池”和“自动”。当K2选择“光伏”时，由光伏电源给水泵供电，给蓄电池充电。K2选择“蓄电池”时，系统由蓄电池给水泵供电。K2选择“自动”时，系统优先选择光伏电源给水泵供电，给蓄电池充电。根据光伏的光照条件，自动管理和使用电源，如上所述。

如图2是实现电源防反接功能的电路原理图。防反接电路有三个部分，J1和J2是光伏和蓄电池两个电源的控制和防反接保护关键元件，在充电模块也有防反接电路，确保任意一个电源位置接错、极性接反时，不至于烧损主电路和充电模块的元器件。

系统设计成光伏和蓄电池双电源系统，系统优先使用光伏电源驱动水泵抽水和给蓄电池充电，保证最大限度的利用太阳能，使系统在阴天、雨天、夜晚、早晨或傍晚太阳光照不足或无光照时也能自动抽水。如图1所示，P+是光伏电源正极，B+是蓄电池正极，系统配置两个电源。当系统在P+、B+和地之间连上电源，可以任意连接一个、或两个电源，若两个电源(光伏与铅酸蓄电池)位置接错、或一个电源极性接错，都不会影响D5、D6阳极的输出，哪一个一个电源的电压高[]就将通过开关K1给辅助电路供电，有正常的电压输出，MCU能上电复位，系统运行程序，通过传感电路加入正常的检测信号能对电路进行控制和管理。

通过TV1、TV2可以检测判断光伏与铅酸蓄电池是否接错位置或接错极性。当检测电源连接完全正确，则通过功能主开关K2的选择，启动不同的控制策略，并通过传感器状态判断水箱是否水满、井里是否有水、主电路是否有故障存在，决定是启动水泵抽水、给蓄电池充电、边抽水边充电，或由两个电源共同给水泵供电，或者关断主电路，并给出故障报警、LED灯光显示电路状态。系统设计有防反接电路，能确保光伏、蓄电池和充电电路，在任何情况下：包括任意一个电源或两个电源的位置接错，任意一个电源或两个电源的极性接反时，都能自动判断并保护控制系统和主电路不会出现烧损，并由微控制器给出相应的报错指示信号。

如图3所示，是系统的辅助电源电路，整个系统的控制电路由辅助电源供电。图中U2、U4、U5、U7、Q13、T1及其他电路共同完成电源变换。主电源输入的电压通过图1中的D5、D6供给图3的L2，辅助电源电路能将主电源输入电压转为12V、5V和3.3V的电压直流稳定电压供给系统的MCU、放大器、继电器、控制器、主电路的驱动芯片等。辅助电源是典型的单端反激开关稳压电源电路。

如果两个电源(光伏与铅酸蓄电池)的极性都接反，则辅助电源供电电路的D5、D6将因为反偏而不能导通，无法得电，整个系统都无法启动，这也是一种保护策略。

图2中Q11、J6、Q12、J7、U1、U2、Q9、Q14、U6、D1、R8、Q10、Q16、U7、D2、R9共同完成对主电源的控制并实现防反接功能。MCU通过控制管Q11控制继电器J6实现开、关控制光伏电源(图1中的P+，图2中的V1+)。MCU通过控制管Q12控制继电器J7实现开、关控制铅酸蓄电池电源(图1中的B+，图2中的V2+)。Q9、Q14、U6、D1、R8与Q10、Q16、U7、D2、R9是两个预充电电路，其作用是在主继电器J6、J7动作前，给继电器后面的电容充电，使继电器的动合触头两端电压差减小，避免过大的冲击电流烧蚀继电器的触点，延长继电器的寿命。U6、U7是光电隔离器。U1、U2是电流检测芯片。

充电功能模块。原理框图如图1所示，具体由图4所示电路实现由光伏给铅酸蓄电池充电控制。

图4中U25、Q15、D36、L5组成基本的Buck降压开关电路，将光伏的电压降低后给铅酸蓄电池充电，由MCU通过控制Buck电路的PWM波的脉宽调节实现对充电电流大小的调整与控制。图4中U25是Q15的驱动电路。U26是电流检测芯片，Q18、U24、D47是充电模块的防反接电路。在铅酸蓄电池与光伏发电板的极性、位置接错时，防止电流倒灌烧毁电源或开关电路的器件。

MPPT功能。系统无论是在驱动水泵抽水、还是给蓄电池充电的状态，都启动光伏输出功率自动跟踪功能，始终保持光伏发电板输出功率为最大，系统能最大限度的利用光伏板发出的电能。

MPPT(最大功率跟踪)功能的实现有多种方案，比如硬件方案、软件方案，端压控制、电压扰动、电导检测法等。本发明系统是采用软件电压扰动功率跟踪法。

如图1所示，系统通过微控制器实时监测主电路运行状态和蓄电池的功率，通过调整水泵的抽水流量或充电电流，以跟踪光伏的输出功率，确保其输出为最大功率，最大限度的提高光伏发电组件的利用率。

系统保护功能。系统具有过压、过流、欠压保护功能；具有蓄水池水满、井水打干保护功能；具有防冲击、防雷击保护功能。

如图1电路框图中，通过TV1、TV2、TI1、TI2、TI3、TI1传感电路，对相应支路的电压、电流取样，实时监测光伏发电组件、蓄电池、水泵和充电电路的电压、电流，通过MCU对这些量进行运算、比较，可以判断电源的连接位置、连接极性是否正确，对应支路的电压是否过压、欠压；对应支路的电流是否过流。从而实现对电源连接位置、连接极性的保护，实现对电路的过压、欠压和过流保护功能。

如图5所示，是系统的防雷击电路，插座J1的1、2端是电源的连接端(图1中的p+和B+端)，若将雷击浪涌电压引入系统控制板，GDT1、GDT2、R126、R125可以将浪涌吸收，以保护整个系统电路的安全。GDT1、GDT2是放电管，R126是保险丝、R125是压敏元件，当电源的正极瞬时电压超过某安全值范围，将击穿导电，将浪涌电压限制在安全范围内。

故障自检功能。在上电时，微控制器自动运行自检程序，扫描周边电路，对主电路的功率器件进行检测、诊断，及时发现电路系统是否有短路、开路故障。根据检测结果，判断系统是否启动后续的程序，确保电路不会在有故障的情况下驱动运行大功率电路，避免造成功率器件烧损。

如图1所示，在系统上电时，微控制器发出控制信号，对电路中的关键器件进行扫描以测试判断其状态，确保电路在无故障情况下才能启动运行。否则关闭启动信号，避免功率器件烧损，扩大故障范围。

如图6所示，是水泵电机驱动主电路，MCU可以在上电后，对主电路给出瞬间的驱动信号，让管子导通工作，同时监测电流，通过对电流大小的比对，判断主电路是否正常。由此方法实现对电路故障的自检功能。由C15、C16、Q1、Q2、Q3、Q6、Q7、Q8组成三桥控制电路，对直流无刷、无位置传感三相六拍直流水泵电机进行驱动，包括启动、加速、同步锁控等全部过程。图中功率管的外围元件是尖脉冲吸收电路，对功率器件实现保护。图中的R123，R124也是浪涌吸收电路，进一步保护功率主电路。

如图7所示，是水泵电机驱动主电路的驱动电路，由MCP给出的PWM信号由U9放大后，直接驱动大功率桥的一个臂Q1、Q4的栅极G1和G4，还有与它一样的两个驱动电路，分别驱动主电路桥的另外两个臂Q2、Q6的栅极G3和G6，Q3、Q8的栅极G2和G5。

继电器防反接电路。一般的电路都没有防反接功能，有防反接功能的极少数产品常采用场效应管做控制元件，在低压大电流的情况下，功耗较大，这使系统的安全可靠性受到威胁，也使系统的效率降低了，本发明专利采用低压大电流专用继电器实现对光伏电源和铅酸蓄电池双电源的开关控制和预防极性接反、位子接错的功能，大大的降低了触点的功耗，彻底解决了系统因温升带来的安全和可靠性降低的隐患，也提高了系统的效率。

系统具有高可靠性。为确保系统的可靠性和安全性，系统在软件程序中启用了加密，设计了看门狗功能。系统设计了完善的看门狗功能，看门狗能有效预防系统程序跑飞，特别是在条件恶劣、噪声、干扰大的运行环境，能有效提高系统抗干扰的能力，大大的提高系统的运行可靠性。必要的时候还可以利用硬件和系统软件双重看门狗，使系统更加可靠。

加密功能。系统启用了功能强大、性能优越的嵌入式系统的加密功能，对芯片内的软件进行保护，能有效的保护产品开发和生产者的知识产权，提高了抄板、仿造的门槛。

系统选用32位高性能嵌入式MCU控制芯片STM32F103VET。

该MCU有JTAG接口，支持在线调试，实用调试非常方便。MCU主要实现了对电路的几条支路电压、电流的A/DC变换，主电路的PWM输出、预充电控制、主继电器控制、充电电路的PWM输出与实时调整，充电电流的监测与工作保护，主电路扫描，蓄水池水满、井水抽干开关输入，电路输出功率计算等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种智能型直流无位置传感光伏水泵驱动控制器，其特征在于，包括：辅助电源模块、防反接模块，电源管理模块、充电模块、微微控制器模块、驱动电路模块、水泵电机模块；辅助电源模块、防反接模块，电源管理模块、充电模块、驱动电路模块、分别与微控制器模块连接，水泵电机模块与驱动电路模块连接；

所述微控制器模块控制整个装置的正常运转，选用32位高性能嵌入式MCU控制芯片STM32F103VET；

该MCU有JTAG接口，支持在线调试，MCU实现对电路的几条支路电压、电流的A/DC变换，主电路的PWM输出、预充电控制、主继电器控制、充电电路的PWM输出与实时调整，充电电流的监测与工作保护，主电路扫描，蓄水池水满、井水抽干开关输入，电路输出功率计算功能；

水泵电机模块驱动主电路的驱动电路；

辅助电源模块：能将主电源输入电压转为12V、5V和3.3V的电压直流稳定电压供给系统的MCU、放大器、继电器、控制器、主电路的驱动芯片，辅助电路是典型的单端反激开关稳压电源；

防反接模块：在铅酸蓄电池与光伏发电板的极性，或位置接反、接错时，防止电流倒灌烧毁电路的器件；

充电模块，在系统满足条件时，通过充电模块控制，将光伏板的电能充入铅酸蓄电池储存，使系统在夜晚、阴雨天也能继续抽水；

电源管理模块：对配接光伏和蓄电池双电源的系统进行全自动的电源管理，实现光伏电源和蓄电池双电源复杂的自动切换与组合；系统可以单独接光伏或蓄电池使用，也可以同时连接光伏和蓄电池两个电源，通过自动检查识别电源，并优先使用光伏电源。

2.根据权利要求1所述的智能型直流无位置传感光伏水泵驱动控制器，其特征在于，还包括系统的防雷击电路，插座J1的1、2端与电源的p+和B+端连接，若将雷击浪涌电压引入系统控制板，GDT1、GDT2、R126、R125可以将浪涌吸收，以保护整个系统电路的安全，GDT1、GDT2是放电管，R126是保险丝、R125是压敏元件，当电源的正极瞬时电压超过某安全值范围，将击穿导电，将浪涌电压限制在安全范围内。

3.根据权利要求1所述的智能型直流无位置传感光伏水泵驱动控制器，其特征在于，水泵电机模块包括水泵电机驱动主电路及水泵电机驱动主电路的驱动电路。

4.根据权利要求3所述的智能型直流无位置传感光伏水泵驱动控制器，其特征在于，水泵电机驱动主电路，MCU可以在上电后，对主电路给出瞬间的驱动信号，让管子导通工作，同时监测电流，通过对电流大小的比对，判断主电路是否正常，由此方法实现对电路故障的自检功能，由C15、C16、Q1、Q2、Q3、Q6、Q7、Q8组成三桥控制电路，对直流无刷、无位置传感三相六拍直流水泵电机进行驱动，包括启动、加速、同步锁控的全部过程，功率管的外围元件是尖脉冲吸收电路，对功率器件实现保护，R123，R124也是浪涌吸收电路，进一步保护功率主电路。

5.根据权利要求3所述的智能型直流无位置传感光伏水泵驱动控制器，其特征在于，水泵电机驱动主电路的驱动电路，由MCP给出的PWM信号由U9放大后，直接驱动大功率桥的一个臂Q1、Q4的栅极G1和G4，还有与它一样的两个驱动电路，分别驱动主电路桥的另外两个臂Q2、Q6的栅极G3和G6，Q3、Q8的栅极G2和G5。