CN109538458A - 一种太阳能水泵调节装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能水泵调节装置，包括电源供电单元、电压检测单元、微控制单元、驱动单元和负载。本发明通过设置电压检测单元检测电源供电单元供给负载的电源电压，当检测到电源电压低于最小有效功率电压时，微控制单元使用8位的MCU芯片，根据电压差值，通过PI调节器使用PI算法，调节驱动单元中运行的占空比，从而调节所述负载的实际输出功率，使所述负载的功率始终为有效功率，保证了因环境因素导致电源供电单元不能提供足够电能时，使负载的功率仍然为有效功率，从而保证了负载的工作状态的稳定。

Description

一种太阳能水泵调节装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及水泵设备控制技术领域，具体地，涉及一种太阳能水泵调节装置，还涉及了一种基于所述太阳能水泵调节装置的控制方法。

背景技术

太阳能水泵装置是近几年来迅速发展起来的光机电一体化系统，它涉及到太阳能的转化利用、直流无刷水泵的控制以及驱动。由于太阳能水泵装置采用的能源环保不污染，以及目前直流无刷电机控制的技术，使太阳能水泵具有环保节能、低噪音、高可靠性、高功率密度等较多优点而被广泛运用。

在使用太阳能水泵的过程中，必然涉及到太阳能水泵的控制，由于目前的太阳能水泵装置是采用太阳能供电，而太阳能会由于环境因素导致太阳能不能为太阳能水泵装置提供持续有效的电能，使太阳能水泵装置的功率保持在有效功率，这样导致了太阳能水泵装置因电能供应不足导致其发生工作效率不高和工作不稳定的问题，同时存在太阳能利用率不高的问题。因此，实有必要设计一种太阳能水泵调节装置，解决现有技术中的缺陷。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种太阳能水泵调节装置，本发明通过设置电压检测单元检测电源供电单元供给负载的电源电压，使检测到电源电压低于最小有效功率电压时，微控制单元使用8位的MCU芯片，根据电压差值，通过PI调节器使用PI算法，调节驱动单元中运行的占空比，从而调节负载的实际输出功率，使负载为有效工作效率，保证了因环境因素导致电源供电单元不能提供足够电能时，使负载的功率仍然为有效功率，保证了负载的工作状态的稳定。

该发明提供以下技术方案，一种太阳能水泵调节装置，包括电源供电单元、电压检测单元、微控制单元、驱动单元和负载，其中：

所述电源供电单元分别与所述电压检测单元和所述驱动单元电连接，所述电源供电单元用于提供电能给所述负载；

所述电压检测单元分别与所述电源供电单元和所述微控制单元电连接，所述电压检测单元用于采集所述电源供电单元供给所述负载的电源电压，并传至所述微控制单元；

所述微控制单元与所述驱动单元电连接，所述微控制单元用于控制所述驱动单元输出不同大小的驱动功率；

所述驱动单元包括多个开关控制晶体管，多个所述开关控制晶体管均与所述负载电连接，所述驱动单元用于输出电能至所述负载。

较佳地，所述微控制单元包括8位的MCU芯片和PI调节器，所述PI调节器电连接于所述MCU芯片。

较佳地，所述电压检测单元包括第一采样电阻和第二采样电阻，所述第一采样电阻和所述第二采样电阻串联连接，所述第二采样电阻的一端接地，所述第一采样电阻和所述第二采样电阻的公共连接端与所述微控制单元电连接。

进一步地，所述驱动单元包括供电连接端、上桥臂电路和下桥臂电路；所述供电连接端一端与所述电源供电单元电连接，另一端与所述上桥臂电路电连接，所述上桥臂电路还分别与所述微控制单元和所述下桥臂电路电连接，所述下桥臂电路还分别与所述微控制单元和所述负载电连接。

较佳地，所述开关控制晶体管的数量为六个，其中三个所述开关控制晶体管设置于所述上桥臂电路中，另外三个所述开关控制晶体管设置于所述下桥臂电路中。

较佳地，所述开关控制晶体管为MOS管，所述上桥臂电路中的三个开关控制晶体管的漏极均与所述供电连接端电连接，所述上桥臂电路中的三个开关控制晶体管的栅极均与所述微控制单元电连接，所述上桥臂电路中的三个开关控制晶体管的源极都与所述负载电连接；所述下桥臂电路中的三个开关控制晶体管的源极分别与所述上桥臂电路中的三个开关控制晶体管的源极电连接，所述下桥臂电路中的三个开关控制晶体管的栅极均与所述微控制单元电连接，所述下桥臂电路中的三个开关控制晶体管的漏极均与所述负载电连接。

进一步地，所述电源供电单元包括太阳能电池板，所述太阳能电池板用于将太阳能转化为电能，并将电能供给所述负载；所述负载为太阳能水泵。

基于上述的太阳能水泵调节装置的控制方法，本发明还涉及一种太阳能水泵调节装置的控制方法，该方法包括：

步骤S1：所述微控制单元上设定有电压初始值，所述电压初始值包括电源电压、欠压保护电压、过压保护电压、有效功率预设电压和最小有效功率电压，所述欠压保护电压小于所述过压保护电压；

步骤S2：所述电压检测单元采集所述电源电压；

步骤S3：所述微控制单元判断所述电源电压是否处于所述欠压保护电压和所述过压保护电压之间；若所述电源电压不处于所述欠压保护电压和所述过压保护电压之间，则转步骤S2；若所述电源电压处于所述欠压保护电压和所述过压保护电压之间，则转步骤S4；

步骤S4：所述微控制单元判断所述电源电压是否不小于所述有效功率预设电压，若所述电源电压不小于所述有效功率预设电压，则所述负载的功率为有效功率；若所述电源电压是小于所述有效功率预设电压，则转步骤S5；

步骤S5：所述微控制单元计算所述电源电压与所述有效功率预设电压的电压差值，所述8位的MCU芯片通过所述PI调节器采用PI算法，调节所述驱动单元的占空比，从而调整所述负载的实际输出功率，进而使所述负载为有效功率。

较佳地，在所述步骤S5中，所述PI调节器通过所述电压差值，减小所述驱动单元的占空比，进而使所述负载的功率为有效功率。

本发明的有益效果为：本发明通过设置电压检测单元检测电源供电单元供给负载的电源电压，当检测到电源电压低于最小有效功率电压时，微控制单元使用8位的MCU芯片，根据电压差值，通过PI调节器使用PI算法，调节驱动单元中运行的占空比，从而增大驱动单元输出的驱动功率，进而增大负载的实际输出功率，保证了因环境因素导致电源供电单元不能提供足够电能时，使负载的功率仍然为有效功率，保证了负载的工作状态的稳定。

附图说明

图1为本发明所述太阳能水泵调节装置的电路框图；

图2为本发明所述太阳能水泵调节装置的驱动单元的电路结构图；

图3为本发明所述太阳能水泵调节装置运行的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的，技术方案及技术效果更加清楚明白，下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。应理解，此处所描述的具体实施例，仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，本发明中所述太阳能水泵本身具有一个有效工作电压范围段，该有效工作电压范围段为最小有效功率Prmin和最大有效功率Prmax之间，在该有效工作电压范围段，所述太阳能水泵的功率为有效功率，此时，所述太阳能水泵输送液体的效率高；进一步地，所述最小有效功率Prmin和所述最大有效功率Prmax分别对应所述太阳能水泵的最小有效功率电压Urmin和最大有效功率电压Urmax，即需要满足供给所述太阳能水泵上的电压不小于所述最小有效功率电压Urmin且不大于所述最大有效功率电压Urmax时，所述太阳能水泵的功率为有效功率，此外还需要说明的是，所述微控制单元300控制所述驱动单元400输出不同大小的驱动功率，此驱动功率为经所述驱动单元40后，加载至所述负载上的功率。

参照图1至图3，一种太阳能水泵调节装置，包括电源供电单元100、电压检测单元200、微控制单元300、驱动单元400和负载500，其中：

所述电源供电单元100分别与所述电压检测单元200和所述驱动单元400电连接，所述电源供电单元100用于提供电能给所述负载500；

所述电压检测单元200分别与所述电源供电单元100和所述微控制单元300电连接，所述电压检测单元200用于采集所述电源供电单元100供给所述负载500的电源电压，并传至所述微控制单元300；

所述微控制单元300与所述驱动单元400电连接，所述微控制单元300用于控制所述驱动单元400输出不同大小的驱动功率；

所述负载500分别与所述微控制单元300和所述驱动单元400电连接，用于将所述驱动单元400提供的电能转化为机械能；

较佳地，所述微控制单元300包括8位的MCU芯片和PI调节器，所述PI调节器电连接于所述MCU芯片，此外，所述MCU芯片的供电来源为一3.3V～5V的外接电源，需要说明的是，所述外接电源与所述8位的MCU芯片的连接方式为本领域技术人员所熟知并能够掌握，本发明中将不再具体描述，本实施例中，所述微控制单元的型号优选地为MC9S08AC60。

参照图2，所述电压检测单元包括第一采样电阻Rg1和第二采样电阻Rg2，所述第一采样电阻Rg1和所述第二采样电阻Rg2串联连接，所述第二采样电阻Rg2的一端接地，所述第一采样电阻Rg1和所述第二采样电阻Rg2的公共连接端与所述微控制单元电连接，所述微控制单元300通过所述第一采样电阻Rg1和所述第二采样电阻Rg2可以采样所述电源供电单元供给所述负载的电源电压U1。

参照图2，所述驱动单元400还包括供电连接端Us、上桥臂电路410和下桥臂电路420；所述供电连接端Us一端与所述电源供电单元100电连接，另一端与所述上桥臂电路410电连接，所述上桥臂电路410还分别与所述微控制单元300和所述下桥臂电路420电连接，所述下桥臂电路420还分别与所述微控制单元300和所述负载500电连接，进一步地，所述上桥臂电路410有三个开关控制晶体管，分别为：第一开关控制MOS管Q1、第二开关控制MOS管Q2和第三开关控制MOS管Q3；所述下桥臂电路420中有三个开关控制晶体管，分别为：第四开关控制MOS管Q4、第五开关控制MOS管Q5和第六开关控制MOS管Q6；进一步地，所述第一开关控制MOS管Q1、所述第二开关控制MOS管Q2和所述第三开关控制MOS管Q3的漏极均与所述供电连接端Us电连接，所述第一开关控制MOS管Q1、所述第二开关控制MOS管Q2和所述第三开关控制MOS管Q3的栅极均与所述微控制单元300电连接，所述第一开关控制MOS管Q1、所述第二开关控制MOS管Q2和所述第三开关控制MOS管Q3的源极均与所述负载500电连接；所述第四开关控制MOS管Q4、所述第五开关控制MOS管Q5和所述第六开关控制MOS管Q6的源极分别与所述第一开关控制MOS管Q1、所述第二开关控制MOS管Q2和所述第三开关控制MOS管Q3的源极电连接，所述第四开关控制MOS管Q4、所述第五开关控制MOS管Q5和所述第六开关控制MOS管Q6的栅极均与所述微控制单元300电连接，所述第四开关控制MOS管Q4、所述第五开关控制MOS管Q5和所述第六开关控制MOS管Q6的漏极均与所述负载500电连接。

进一步地，所述电源供电单元100包括太阳能电池板，所述太阳能电池板用于将太阳能转化为电能，并将电能供给所述负载500。

本发明通过设置电压检测单元200检测电源供电单元100供给所述负载500的电源电压U1，使检测到电源电压U1低于最小有效功率电压时，所述微控制单元300使用8位的MCU芯片，根据电压差值ΔU，通过所述PI调节器使用PI算法，调节所述驱动单元400的占空比，从而调节所述负载500的实际输出功率，使所述负载500一直为有效工作效率工作，保证了因环境因素导致电源供电单元100不能提供足够电能时，使所述负载500的功率仍然为有效功率，保证了所述负载500的工作状态的稳定。

具体地，基于上述所述太阳能水泵调节装置，本发明还涉及一种太阳能水泵调节装置的调节方法，该方法具体包括如下步骤，参照图3，首先在步骤601中，所述微控制单元300上设定有电压初始值，所述电压初始值包括电源电压U1、欠压保护电压Umin、过压保护电压Umax、有效功率预设电压Uref和最小有效功率电压Urmin，所述欠压保护电压Umin小于所述过压保护电压Umax，转步骤602；

需要说明的是，本发明中所述欠压保护电压Umin为所述负载500的欠压保护电压，所述过压保护电压Umax为所述负载500的过压保护电压，所述欠压保护电压Umin小于所述过压保护电压Umax有效功率预设电压，当给所述负载500提供的电压处于所述欠压保护电压Umin所述过压保护电压Umax之间时，所述负载能够正常工作，但此时所述负载的功率并非有效功率；所述有效功率预设电压Uref为所述负载500的有效功率预设电压，即为只有当给所述负载500提供的电压大于所述有效功率预设电压Uref时，所述负载500的功率为有效功率。

在步骤602中，所述电压检测单元包括第一采样电阻Rg1和第二采样电阻Rg2，所述第一采样电阻Rg1和所述第二采样电阻Rg2串联连接，所述第二采样电阻Rg2的一端接地，所述第一采样电阻Rg1和所述第二采样电阻Rg2的公共连接端与所述微控制单元电连接，所述微控制单元300通过所述第一采样电阻Rg1和所述第二采样电阻Rg2可以采样所述电源供电单元供给所述负载的电源电压U1，转步骤603；

在步骤603中，所述微控制单元300判断所述电源电压U1是否处于所述欠压保护电压Umin和所述过压保护电压Umax之间；此步骤中，存在两种结果，一种结果为所述电源电压U1不处于所述欠压保护电压Umin和所述过压保护电压Umax之间，此时所述负载500不可以正常工作，则转步骤602；另一种结果为所述电源电压U1处于所述欠压保护电压Umin和所述过压保护电压Umax之间，此时所述负载500可以正常工作，则转步骤604；

在步骤604中，所述微控制单元300判断所述电源电压U1是否不小于所述有效功率预设电压Uref，此步骤中，也存在两种结果，一种结果为所述电源电压U1不小于所述有效功率预设电压Uref，则此时所述负载500的功率为有效功率；另一种结果为所述电源电压U1是小于所述有效功率预设电压Uref，则转步骤605；

在步骤605中，所述所述微控制单元300计算所述电源电压U1与所述有效功率预设电压Uref的电压差值ΔU，所述8位的MCU芯片通过所述PI调节器采用PI算法，调节所述驱动单元400运行的占空比，从而调节所述负载500的实际输出功率，进而使所述负载500的实际输出功率为有效功率。

在步骤605中，需要说明的是，PI调节器是一种线性控制器，其能够根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，具体地，在步骤605中，所述8位控制MCU通过所述PI调节器，利用PI算法，将所述有效功率预设电压Uref设为给定值，将所述电源电压U1设为实际输出值，将所述电源电压U1与所述有效功率预设电压Uref的电压差值ΔU设为控制偏差，将所述驱动单元400运行的占空比设为被控对象，将电压差值ΔU的比例和积分通过线性组合构成控制量，通过该控制量控制所述驱动单元400运行的占空比，从而使即使所述电源供电单元100提供的电压不足时，通过对所述驱动单元400运行的占空比的调节，使所述负载500的功率仍然为有效功率；

基于上述的太阳能水泵调节装置的控制方法，本发明还涉及一种太阳能水泵调节装置的控制方法，该方法包括：

步骤S1：所述微控制单元300上设定有电压初始值，所述电压初始值包括电源电压U1、欠压保护电压Umin、过压保护电压Umax、有效功率预设电压Uref和最小有效功率电压Urmin，所述欠压保护电压Umin小于所述过压保护电压Umax；

步骤S2：所述电压检测单元200采集所述电源电压U1；

步骤S3：所述微控制单元300判断所述电源电压U1是否处于所述欠压保护电压Umin和所述过压保护电压Umax之间；若所述电源电压U1不处于所述欠压保护电压Umin和所述过压保护电压Umax之间，则转步骤S2；若所述电源电压U1不处于所述欠压保护电压Umin和所述过压保护电压Umax之间，则转步骤S4；

步骤S4：所述微控制单元300判断所述电源电压U1是否不小于所述有效功率预设电压Uref，若所述电源电压U1不小于所述有效功率预设电压Uref，则所述负载500的功率为有效功率；若所述电源电压U1是小于所述有效功率预设电压Uref，则转步骤S5；

步骤S5：所述微控制单元300计算所述电源电压U1与所述有效功率预设电压Uref的电压差值ΔU，所述8位的MCU芯片通过所述PI调节器采用PI算法，调节所述驱动单元400的占空比，从而调整所述负载500的实际输出功率，进而使所述负载500为有效功率。

较佳地，在所述步骤S5中，所述PI调节器通过所述电压差值ΔU，减小所述驱动单元400的占空比，进而使所述负载500的功率为有效功率，这里需要说明，当所述电源供电单元100提供的电能大于所述太阳能水泵的最大有有效功率Prmax时，则需要通过增大所述驱动单元400的占空比，来使所述负载500的实际输出功率为有效功率。

此外，需要注意的是，当所述微控制单元300通过调节所述驱动单元400的占空比，使所述太阳能水泵的工作效率为最小有效功率Prmin，但是所述电源电压U1仍然无法大于有效功率预设电压Uref时，所述微控制单元300将会自动下调所述有效功率预设电压Uref，此时，所述太阳能水泵只能正常工作，所述太阳能水泵的功率并不是有效功率；当所述电源供电单元100提供的电源电压U1小于所述欠压保护电压Umin时，此时负载停止工作。

本发明中所述太阳能水泵的电机为无刷直流电机，无刷直流电机的导通的方式一般为三三导通式或者两两导通式；以两两导通式为例，两两导通式指的是任意时刻所述驱动单元400中只有两个开关控制晶体管同时导通；接下来以两两导通式来分析所述驱动单元400的工作过程，电机转动前，所述微控制单元会分别发送六路PWM信号至所述第一开关控制MOS管Q1、所述第二开关控制MOS管Q2、所述第三开关控制MOS管Q3、所述第四开关控制MOS管Q4、所述第五开关控制MOS管Q5和所述第六开关控制MOS管Q6，六路PWM信号分别为：PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5和PWM6；六路PWM信号分别控制所述驱动单元400中的六个开关控制晶体管实现其有序的导通和截止，才能让电机转动，所述驱动单元400中的6个MOS管导通的顺序为：Q1和Q6、Q2和Q6、Q2和Q4、Q3和Q4、Q3和Q5、Q1和Q5，按照上述顺序实现6个开关控制晶体管的有序导通和截止后，所述太阳能水泵由于电流的有序转换，产生了正向和反向的旋转磁场，使所述负载600完成正转。

其中，步骤S1的工作过程与步骤601的相同，步骤S2的工作过程与步骤602的相同，步骤S3的工作过程与步骤603的相同，步骤S4的工作过程与步骤604的相同，步骤S5的工作过程与步骤605的相同，步骤S6的工作过程与步骤606的相同。

本发明通过设置电压检测单元检测电源供电单元供给负载的电源电压，使检测到电源电压低于最小有效功率电压时，微控制单元使用8位的MCU芯片，根据电压差值，通过PI调节器使用PI算法，调节驱动单元中运行的占空比，从而调节负载的实际输出功率，使负载一直为有效工作效率工作，保证了因环境因素导致电源供电单元不能提供足够电能时，使负载的功率仍然为有效功率，保证了负载的工作状态的稳定。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其架构形式能够灵活多变，可以派生系列产品。只是做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种太阳能水泵调节装置，其特征在于，包括电源供电单元、电压检测单元、微控制单元、驱动单元和负载，其中：

所述电源供电单元分别与所述电压检测单元和所述驱动单元电连接，所述电源供电单元用于提供电能给所述负载；

所述电压检测单元分别与所述电源供电单元和所述微控制单元电连接，所述电压检测单元用于采集所述电源供电单元供给所述负载的电源电压，并传至所述微控制单元；

所述微控制单元与所述驱动单元电连接，所述微控制单元用于控制所述驱动单元输出不同大小的驱动功率；

所述驱动单元包括多个开关控制晶体管，多个所述开关控制晶体管均与所述负载电连接，所述驱动单元用于输出电能至所述负载。

2.如权利要求1所述的太阳能水泵调节装置，其特征在于，所述微控制单元包括8位的MCU芯片和PI调节器，所述PI调节器电连接于所述MCU芯片。

3.如权利要求1所述的太阳能水泵调节装置，其特征在于，所述电压检测单元包括第一采样电阻和第二采样电阻，所述第一采样电阻和所述第二采样电阻串联连接，所述第二采样电阻的一端接地，所述第一采样电阻和所述第二采样电阻的公共连接端与所述微控制单元电连接。

4.如权利要求3所述的太阳能水泵调节装置，其特征在于，所述驱动单元包括供电连接端、上桥臂电路和下桥臂电路；所述供电连接端一端与所述电源供电单元电连接，另一端与所述上桥臂电路电连接，所述上桥臂电路还分别与所述微控制单元和所述下桥臂电路电连接，所述下桥臂电路还分别与所述微控制单元和所述负载电连接。

5.如权利要求4所述的太阳能水泵调节装置，其特征在于，所述开关控制晶体管的数量为六个，其中三个所述开关控制晶体管设置于所述上桥臂电路中，另外三个所述开关控制晶体管设置于所述下桥臂电路中。

6.如权利要求5所述的太阳能水泵调节装置，其特征在于，所述开关控制晶体管为MOS管，所述上桥臂电路中的三个开关控制晶体管的漏极均与所述供电连接端电连接，所述上桥臂电路中的三个开关控制晶体管的栅极均与所述微控制单元电连接，所述上桥臂电路中的三个开关控制晶体管的源极都与所述负载电连接；所述下桥臂电路中的三个开关控制晶体管的源极分别与所述上桥臂电路中的三个开关控制晶体管的源极电连接，所述下桥臂电路中的三个开关控制晶体管的栅极均与所述微控制单元电连接，所述下桥臂电路中的三个开关控制晶体管的漏极均与所述负载电连接。

7.如权利要求1所述的太阳能水泵调节装置，其特征在于，所述电源供电单元包括太阳能电池板，所述太阳能电池板用于将太阳能转化为电能，并将电能供给所述负载；所述负载为太阳能水泵。

8.一种太阳能水泵调节装置的控制方法，其特征在于，根据权利要求1-7任意一项所述的太阳能水泵调节装置，该方法包括：

步骤S1：所述微控制单元上设定有电压初始值，所述电压初始值包括电源电压、欠压保护电压、过压保护电压、有效功率预设电压和最小有效功率电压，所述欠压保护电压小于所述过压保护电压；

步骤S2：所述电压检测单元采集所述电源电压；

步骤S3：所述微控制单元判断所述电源电压是否处于所述欠压保护电压和所述过压保护电压之间；若所述电源电压不处于所述欠压保护电压和所述过压保护电压之间，则转步骤S2；若所述电源电压处于所述欠压保护电压和所述过压保护电压之间，则转步骤S4；

步骤S4：所述微控制单元判断所述电源电压是否不小于所述有效功率预设电压，若所述电源电压不小于所述有效功率预设电压，则所述负载的功率为有效功率；若所述电源电压是小于所述有效功率预设电压，则转步骤S5；

步骤S5：所述微控制单元计算所述电源电压与所述有效功率预设电压的电压差值，所述8位的MCU芯片通过所述PI调节器采用PI算法，调节所述驱动单元的占空比，从而调整所述负载的实际输出功率，进而使所述负载为有效功率。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述PI调节器通过所述电压差值，减小所述驱动单元的占空比，进而使所述负载的功率为有效功率。