单功率光伏水泵驱动器学士学位

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1、扬州大学本科生毕业论文工学学士学位论文单功率光伏水泵驱动器毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印

2、刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、

3、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘要水资源和电力资源是制约发展中国家农村和偏远干旱地区发展的重要因素，而这些地区往往拥有丰富的太阳能资源，因此，发展光伏技术并将其用于水泵系统，合理地开发地下水资源，将给这些地区带来巨大生态和经济效益。本文在现有研究成果基础上，设计了一种基于永磁无刷直流电机的光伏水泵控制系统驱动器。该设计

4、选用一片无刷直流电机控制器UCC3626，三片IR2110驱动芯片和三相MOSFET逆变电路构成其控制驱动电路。并利用开关变换电路对阻抗的变换原理，使得负载的等效阻抗跟随太阳能电池的输出阻抗，使得太阳能电池与负载基本匹配，太阳能电池即工作在最大功率点处，实现最大功率点跟踪。对样机实验测试，控制器能够实现无刷直流电机的准确换相，电机起动平稳，带动水泵正常运行。最后通过实验研究，总结光伏水泵调速等相关问题，并对未来工作进行了展望关键词： 光伏水泵、无刷直流电机、逆变电路、最大功率点跟踪AbstractWater and electricity are important factors which

5、 dominate the development of rural and remote dry regions in developing countries. Statistically, there are abundant solar energy resources available in those regions. Therefore, developing solar based technologies, such as solar powered pumping systems to exploit groundwater, will bring enormous ec

6、ological and economical benefits to these regions.In this paper, based on the existing research results, design a kind of photovoltaic pump control system drives which based on permanent brushless dc motor .This design chooses a brushless dc motor controller, UCC3626 , three pieces of IR2110 drive c

7、hips and three-phase MOSFET inverter circuits constitute its control drive circuit. And by using switch to impedance transformation of commutation circuit principle, make the equivalent impedance load with solar cells, making the output impedance load of solar cells and basic matching, solar cells i

8、n the maximum power point that work in realizing the maximum power point tracking.The sample test, the controller can achieve brushless dc motor accurate commutation, motor starting smoothly, drive the pumps normal operation.The experimental research, summarizes problems related to solar pumps speed

9、 for future work, and prospectedKeywords：solar water , sensorless BLDC, Inverter circuits， MPPT目录摘要IIAbstractIII1. 绪论11.1背景资料11.2发展现状及前景11.3光伏水泵模型32、光伏水泵系统工作原理42.1光伏水泵基本结构与工作参数42.2无刷直流电机的工作原理52.2.1无刷直流电机的结构52.2.2 无刷直流电机工作原理62.2.3 无刷直流电机的数学模型73、光伏水泵系统的解决方案83.1基于感应电机的光伏水泵设计方案83.2基于无刷直流电机光伏水泵设计方案103.3比

10、较结果124、单级光伏水泵解决方案124.1 功率MOSFET驱动电路设计134.1.1 IR2110集成驱动电路134.1.2功率MOSFET逆变电路164.2光伏水泵控制电路的设计194.2.1 UCC3626的基本结构及原理194.3光伏水泵中永磁无刷直流电机的控制系统设计264.4 基于单片机的最大功率追踪284.4.1 MPPT算法流程图304.5系统整合315、结果与分析336、未来工作展望376.1总结376.2 今后工作展望377、致谢388、参考文献3941扬州大学本科生毕业论文1. 绪论1.1背景资料能源是人类社会生存和发展的物质基础，但随着能源紧张和保护生态环境等问题的日

11、益突出，大力开拓新能源和可再生能源已经成为全球各国共识。太阳能作为一种巨大的可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。因此太阳能既是现在能源的补充，又是未来能源结构的基础。开发利用太阳能的主要途径是光伏发电，它具有如下优点：无污染、无噪声，能源随处可得，地域限制比较少，无须人员值守，建设周期较短，规模设计自由度大等特点，这些优点都是常轨发电方式所不能比拟的。目前，开发利用太阳能已经成为世界上许多国家可持续发展的重要战略决策。光伏水泵系统是直接利用太阳能电池光生伏打效应发电，之后通过一系列电力电子、电机、水泵等控制及执行环节从地下水或者深井等水源中提水的系统，该系统是光

12、、机、电、控制技术等多学科交叉、结合的体现。随着太阳电池及电力电子技术的不断进步，全球光伏水泵的技术及应用也在突飞猛进的发展。我国西部偏远地区仍有上百万农牧民无电力供应，而且该地区气候干旱，土地荒漠化，草原退化情况越来越严重，采用光伏水泵系统合理地开发地下水资源，对于解决该地区的饮水和农业用水问题，改善生态环境，具有重要意义。1.2发展现状及前景目前我国光伏发电系统主要是直流系统,即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电,而蓄电池直接给负载供电,如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统.此类系统结构简单,成本低廉,但由于负载直流电压的不同(如12V、24V、

13、48V等),很难实现系统的标准化和兼容性,特别是民用电力,由于大多为交流负载,以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场.另外,光伏发电最终将实现并网运行,这就必须采用成熟的市场模式,今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流.70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮。开发利用太阳能成为各国制定可持续发展战略的重要内容。近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。包括太阳能在内的可再生能源在下世纪将会以前所未有的速度发展，逐步成为人类的基础能源之一。据预测，到下世

14、纪中叶，可再生能源在世界能源结构中将占到50%以上。当然和发达国家相比，我国的光伏产业还处于起步阶段，和美、日、德等发达国家相比还有很大差距。但随着政府对新能源利用的重视，新能源的推广和利用将会日渐受到注目和推崇，成为保障社会、经济可持续发展的关键。特别是2008年北京奥运会提出“绿色奥运”目标的实现，以及上海世博会大力使用新能源，极大推动了我国新能源的推广和利用。根据国家发展和改革委员会的消息，在未来5年中，中国将投资相当一大财政收入用于太阳能的开发、推广和利用。光伏发电作为一种具有广阔前景的绿色能源已成为国内外学术界和工业界研究的热点。国内外对于光伏水泵系统的研究也一直在进行，A.Hadj

15、 Arab、F.Chenlo等人在论文提出了一种在光伏水泵系统中计算失去负荷概率的估算方法，该方法简单易行，在阿尔及利亚等地广泛使用，并将其应用于离心泵。M.Abdolzadeh、M.Ameri提出为了利用光伏发电，并增加光伏水泵系统的效率，有必要保持太阳能电池的温度和硅晶片反射尽可能低。该研究的目的是调查其可能性，改善光伏水泵系统的性能。E.M. de S. Barbosa等人更是明确指出光伏太阳能技术的示范作用，并联系巴西现状-农村地区缺乏电力和供水，因而光伏水泵在该地有很好的应用。A.Hamidat也在论文中阐述在阿尔及利亚、撒哈拉等偏远地区光伏水泵的推广运用给当地提供饮用水和灌溉（大约

16、有60台光伏水泵已安装），对社会经济发展作出了贡献。Yasuro Haseo和Toru Fujisawa认为传统控制方法不合适运动的检测，研究了有效性的最大功率点跟踪算法：功耗比较法（PCM）和爬山法（HCM）。S. Yuvarajan 和Juline Shoeb研究了一种快速准确的最大功率点跟踪（MPPT）算法，它通过开路电压和短路电流的太阳能光电板实现。Weidong Xiao 和 William G. Dunford提出了一种改进的自适应爬山（MAHC）最大功率跟踪方法。Souhir Sallem等提出一种智能算法，通过模糊规则预测光伏组件一天的工作情况，及负载功率大小作出相应判断，并考

17、虑电池的安全性。我国好多学者、工程人员也对光伏水泵系统做了大量研究和尝试。合肥工业大学的佘世杰、苏建徽教授等人更是在早期就对光伏水泵做了很多细致而实用的研究；曹仁贤等人更是在实际工程中将其运用于我国偏远地区。在苏教授的博士论文里就详细的比较各种类型光伏水泵系统的结构、性能、特点，并在最大功率点跟踪上提出具有建设性的理论前瞻，更是提出光伏水泵系统的群控概念。何慧若教授在光伏水泵系统用CVT型最大功率跟踪器电压整定值的仿真研究中论述了环境温度变化对光伏水泵系统专用型最大功率跟踪器工作电压整定值的影响，应用仿真程序给出了当使用地区冬、夏季温差较大时型最大功率点跟踪器工作在不同恒定电压下系统扬水量的变

18、化。好多研究生也对光伏水泵系统进行了不同控制方案、算法、实际运用作了相当多的研究，如南京理工大学的刘苏龙在其硕士论文-直流无刷电机光伏水泵系统控制研究中给出一种实际运用，将硬件与软件结合起来，分析其性能，得出检测电路检测到的反电势过零点更加准确可靠，实现了对直流无刷电机的数字控制。通过“七五”-“十一五”计划，我国已在光伏水泵、独立运行逆变器、并网逆变器、通信用控制器、光伏系统专用测量设备等部件攻关上取得进展。目前，中国社会、经济的快速发展为光伏发电市场提供了非常好的发展空间和机遇，可以预测在今后市场和生态环境的共同要求下，我国的光伏产业将会有更大的发展。1.3光伏水泵模型光伏水泵亦称太阳能水

19、泵，近年来它愈来愈被人们确认是当今世界上阳光丰富地区，尤其是缺电无电的边远地区最具吸引力的供水手段，利用随处可取、取之不竭的太阳能实现高经济性和高可靠性的供水。水泵全自动地日出而作，日落而歇，无需人员看管，维护工作量可降至最低，是理想的集经济性、可靠性和环保效益为一体的绿色能源高技术产品 光伏水泵系统是近若干年来迅速发展起来的光机电一体化系统，它利用太阳电池发出的电力，通过最大功率点跟踪以及变换、控制等装置驱动直流、永磁、无刷、无位置传感器、定转子双塑封电机或高效异步电机或高速开关磁阻电机带动高效水泵，将水从地表深处提至地面供农田灌溉或人畜饮用。从设计到制造涉及电气、机械、电力电子、计算机、控

20、制等多个学科的近代技术，为发展现代农业、节能、环保等提供了极其良好的手段。本系统具有良好的长效经济性，特别是和常见的柴油机抽水相比较，具有压倒的经济性优势。发展这种新型环保节能产品无疑将会对发展产业、发展经济，特别是发展干旱地区的现代农业，带来巨大良好的经济效益和社会效益，它特别符合建设“资源节约型”及“环境友好型”社会的发展战略。光伏水泵利用太阳能，在无需任何外来能源的情况下可以机动灵活地用于农田灌溉、提供洁净人畜饮水、发展庭院经济、美化园区、构造彩色喷泉、为养鱼、养虾池增氧、海滨盐场供排水等。此外大量国际订货意向表明，这种高技术产品的国际市场前景令人十分鼓舞。光伏水泵系统作为一个刚刚崭露头

21、角的产业，十分符合我国可持续发展的战略。图 1.1 太阳能光伏阵列2、光伏水泵系统工作原理2.1光伏水泵基本结构与工作参数光伏水泵主要包括4部分：太阳电池阵列；具有MPPT功能的控制器；水泵电机负载；储水装置。光伏水泵基本结构如图2.1所示：图2. 1 光伏水泵基本结构框图光伏水泵种类很多，性能范围广泛。不管为何种类型的水泵，光伏阵列是不变的，它给水泵提供动力能源，但是光伏阵列的特性影响水泵的运行。按光伏水泵的放置方式划分：潜水泵、分离式水泵、漂浮式水泵。光伏水泵的工作参数从泵的特性来分共有6个基本量：流量，泵流量可分成体积流量和质量流量两种，用符号Q表示，其单位以、等表示。扬程，俗称水头，定

22、义为泵的叶轮传给单位重量液体的总重量，可以由泵进、出口断面上的单位总能量差值表示，以符号H表示，其单位为液柱（米，m）。功率：有效功率，泵内液体所获得的净功率（kW），可以根据流量和扬程计算得到：(2 - 1)其中，r为液体的材料系数。 轴功率，光伏水泵在一定流量、扬程下运行所需的外来功率，即由光伏阵列传给水泵轴上的功率。轴功率不可能全部传给液体，而要消耗一部分功率后，才为有效功率。其定义为(2 - 2)效率，有效功率与轴功率的比值为水泵的效率。光伏水泵效率标志着水泵传递能量的有效程度，它由水力效率、机械效率和容积效率三者的乘积而得。转速是指水泵内叶轮每分钟的转数。铭牌上标明的转速为额定转速，

23、当光伏阵列注入的能量改变后，水泵转速将改变，同时水泵工作性能也随之改变。允许吸上真空高度，表征水泵抽水性能的重要参数，由水泵级数和内压力所决定，是确定水泵安装扬程的主要参数。在以上6个参数中，流量、扬程、转速是基本参数，只要其中一个发生变化，其余参数都会按照一定的规律或多或少地发生变化。2.2无刷直流电机的工作原理2.2.1无刷直流电机的结构无刷直流电机（BLDC）是随着电子技术的发展而发展起来的一种新型直流电机，近年来，由于电子技术、计算机技术、传感器技术、电力电子技术、现代控制理论和新型永磁材料的发展，永磁无刷直流电机及其控制技术已有突破性进展，并日趋广泛地应用于航空航天、军事、工业等领域

24、。无刷直流电机可以被视为以电子换向电路来代替机械换向器的直流电动机。对于三相六拍式的无刷直流电机，转子旋转一圈，定子绕组需要换相六次，每个极下换相三次，此时的直流无刷电机相当于只有三个换向片的直流有刷电动机。如图2.2是典型的无刷直流电机结构示意图。图2.2典型的无刷直流电机结构示意图2.2.2 无刷直流电机工作原理无刷直流电机运行原理图如图2.3所示。该方式是典型的三相无刷直流电机两相导通六状态换相模式，即三相六拍式。转子每旋转过电角度，存在六个不同的通电状态。（1）通电状态一如图2.3a所示。转子处于与定子B相绕组轴线垂直的位置。根据转子位置传感器信号（或者反电势过零点判断信号）可以确定换

25、相逻辑，触发功率管V1、V4导通。此时A相绕组正向导通，B相绕组反向导通，定子磁动势Fa和转子磁动势Fr之间的夹角为电角度。定转子磁动势互相作用产生电磁转矩，使转子逆时针方向旋转。随着转子的转动，定转子磁动势之间的夹角逐渐减小至电角度，即转子磁动势到达图2.3b所示位置。（2）通电状态二如图2.3b所示。当转子处于与定子A相绕组组轴线垂直的位置时，转子位置信号（或者反电势过零点判断信号）中某一相发生跳变，从而改变了换相逻辑，触发功率管V1、V6导通。此时A相绕组正向导通，C相绕组反向导通，定子磁动势Fa和转子磁动势Fr之间的夹角重新为电角度。定转子磁动势互相作用继续使转子逆时针方向旋转，直至转

26、子磁动势到达图中虚线所示位置。图2. 2 无刷直流电机运行原理图（3）通电状态三如图2.3c所示。转子与定子C相绕组轴线垂直的位置。V3、V6导通，此时B相绕组正向导通，C相绕组反向导通。转子逆时针旋转， Fa和Fr之间的夹角由电角度逐渐减小至电角度。（4）通电状态四如图2.3d所示。转子与定子B相绕组轴线垂直的位置。V3、V2导通，B相绕组正向导通，A相绕组反向导通。转子逆时针旋转， Fa和Fr之间的夹角减小至电角度。（5）通电状态五如图2.3e所示。转子与定子A相绕组轴线垂直的位置。V5、V2导通，C相绕组正向导通，A相绕组反向导通。转子继续逆时针旋转。（6）通电状态六如图2.3f所示。转

27、子与定子C相绕组轴线垂直的位置。V5、V4导通，C相绕组正向导通，B相绕组反向导通。继续逆时针旋转，Fa和Fr之间的夹角减小至电角度。之后，重新回到通电状态一。如此周而复始，转子便连续旋转起来。无刷直流电机典型的反电势波形为梯形波，理想电流波形为方波，由直流电源和逆变器供电。无刷直流电机的最大特点是具有优良的调速和控制特性。其可进行快速调速，无换向火花、可靠性高，转速不受机械换向限制、可以高速运行，寿命长、噪声低。2.2.3 无刷直流电机的数学模型假定无数直流电机定子三相完全对称，三相绕组Y型接法，组电阻、电感参数完全相同；忽略齿槽、换相过程、定子绕组电枢反应的影响；电机气隙磁导均匀。磁路不饱

28、和，不计涡流损耗；电枢绕组间互感忽略的情况下，三相绕组的电压平衡方程式可以表示为：(2 - 3)式中为电机三相绕组的相电压（V）；为电机三相绕组的相电流（A）；为电机三相绕组的相反电动势（V）； 为电机每相绕组自感（H）；为电机绕组间的互感（H）；为电机绕组的电阻（）。在电机运行过程中，电磁转矩的表达式为：(2 - 4)式中，为转子角速度（rad/s）。电机的机械运动方程为：(2 - 5)在通电期间，无刷直流电机的带电导体处于相同的磁场下，Y型连接的各绕组的感应电动势为,两相绕组串联有：(2 - 6)式中为电机绕组感应线电动势（V）；为电机极对数；为电机极弧系数；为电机绕组每项串联的匝数；为为

29、电机每级磁通（Wb）；为电机转速（r/min）。3、光伏水泵系统的解决方案对比3.1基于感应电机的光伏水泵设计方案在较大功率(比如说，功率大于10KW或更大时)的光伏水泵系统中，驱动电机仍不乏采用三相交流异步电机者，其中异步电机通常采用湿式护套绕组，由于槽满率低的结构特点，其效率通常较同等功率的直流永磁无刷电机低得多，但是其构造相对简单，造价相对低廉，油浸电机不适于用在同时提供人畜饮水的供水系统中，因此还有一定需求。其驱动控制的核心是专用的变频与控制一体化电源，本质上是将变频技术与光伏阵列最大功率点跟踪技术及若干必要的运行保护措施集合在同一个控制器中，由中央控制器完成光伏水泵系统中所需的全部控

30、制功能，这样做的优点是系统稳定性好，结构紧凑，电机电压等级可按阵列配置自由优化选择，制造成本低，同时可以充分考虑到光伏水泵户外长时间无人值守、全自动运行等特点，在散热、防尘、防雷及各种专用的保护措施(如打干保护)等方面给予特殊考虑，较之“拼凑式”结构具有高得多的经济性和可靠性。 图3.1.，交流异步电机驱动之光伏水泵系统构成图3.2 光伏水泵系统结构示意图首先是选择主电路的拓扑结构。主电路拓扑结构是由光伏阵列电压等级决定，其选择首先要考虑光伏阵列和DC/AC功率变换之前是否采用DC/DC升压环节。对于异步电机驱动的光伏水泵系统，主电路拓扑结构主要两种：直接逆变拓扑结构和带前级升压变换的逆变拓扑

31、结构，如图3.3，图3.4所示。 图3.3 直接逆变拓扑结构图3.4带前级升压变换的逆变拓扑结构带前级升压变换的逆变拓扑结构电压输入范围宽，转换效率较低，适用于小功率应用场合；直接逆变拓扑结构的特点是转换效率高，电压输入范围窄，适用于大功率应用场合。这里选用光带前级升压变换的逆变拓扑结构的系统。伏水泵结构如图3.5所示。其中，动力电源可以是太阳电池或蓄电池；单元DCDC部分，采用高效高频变换电路，首先将直流电压(一般小于48V)升压至350V或520V(根据机泵电压等级)；后级变压变频(VVVF)部分完成机泵的变频驱动和输入电压的稳定控制。此外，最大功率跟踪、打干保护、电机过载、堵转、故障指示

32、等也均由该部分实现。图l中的DCDC与光伏工程中心研制的低压直流输入、高压交流输出一体化设计功率变换器。图3.5户用光伏水泵系统结构对于交流异步机光伏水泵的调速控制，其原理如图3.6所示。图3.6交流异步电机驱动的光伏水泵调速控制原理图其工作原理与直流无刷电机驱动的控制类似。由于用户电压会大范围的变化，因此在调速控制中需要进行SPWM的补偿运算，以保证交流异步电机在调速过程中的VIF比恒定，只有这样，系统才能稳定地工作。这里值得注意的是，直流母线电压的波动范围应受到控制，它必须能够保证VIF值恒定所需要的电压补偿，且能满足电机对电压波形畸变率的限制。3.2基于无刷直流电机光伏水泵设计方案直流电

33、动机以其机械特性好、调速范围宽、起动转矩大、运行效率高、控制简单等优点在运动控制系统中得到了广泛的应用，但是其电刷和换相器也带来了可靠性较低、需经常维护等弱点。近20多年来，随着大功率开关器件、模拟和数字集成电路、计算机技术、高性能磁性材料的快速发展，采用电子换相原理工作的无刷直流电动机也得到了相应快速的发展。它己从最初应用的宇航、军事设施领域迅速扩展到工业和民用领域，使用面日益广泛.目能小功率无刷直流电动机已大量用于计算机外围设备、办公室自动化和音响影视设备中，在一些电力传动系统中，其应用也愈来愈广泛。若干年来无刷直流电动机开始在光伏水泵系统中被用作驱动电机间，这是由于该种电机具有一般交流电

34、动机所不易达到的高效率，它可望在较大幅度上减少目前还相对昂贵的太阳电池的用量，具有显著的经济性。 图3.7 永磁无刷直流电机驱动系统无刷直流磁力驱动光伏水泵：无刷直流水泵采用了电子组件换向，无需使用碳刷换向，采用高性能耐磨陶瓷轴及陶瓷轴套，轴套通过注塑与磁铁连成整体也就避免了磨损，因此无刷直流磁力式水泵的寿命大大增强了。磁力隔离式水泵的定子部分和转子部分完全隔离，定子和电路板部分采用环氧树脂灌封，100%防水，转子部分采用永磁磁铁，水泵机身采用环保材料，噪音低，体积小，性能稳定。可以通过定子的绕线调节各种所需的参数，可以宽电压运行。 优点：寿命长，噪音低可达35dB以下，可用于热水循环。电机的

35、定子和电路板部分采用环氧树脂灌封并与转子完全隔离，可以水下安装而且完全防水，水泵的轴心采用高性能陶瓷轴，精度高，抗震性好。由图3.7可知，应用永磁直流无刷电机我们只要设计其控制电路、驱动电路、及MOSFET逆变电路。使此光伏水泵驱动器能够实现我们所要求的功能即可。下面是一款无刷直流电机驱动的评估板的应用。图3.8 永磁直流无刷电机的应用3.3比较结果异步电机亦即感应电机，结构简单可靠、价格低廉、相对质量轻、体积小、机械特性硬；但是转速调节复杂、启动性能较差。无刷直流电机既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点。无论应

36、用那种电机，其额定工作电压必须与太阳电池阵列的工作电压相匹配，即太阳电池阵列的工作电压必须大于电机额定工作电压，否则即使处于最大日照强度条件下，电机也不可能输出最大功率。对于交流异步电机驱动的光伏水泵而言，太阳电池阵列的工作电压如果小于电机的额定工作电压，不仅会增加电机的谐波电流，而且VIF比值也难保恒定。另外一方面，永磁直流无刷电机的效率较高，感应电机的效率相对较低。4、单级光伏水泵解决方案在光伏水泵系统中，太阳能电池板价格比较昂贵，提高太阳能光板的利用率，提高经济效益成为光伏水泵系统最主要的方面，也成为我们选择驱动电机的最根本的标准。而永磁无刷直流电机它的效率很高，能达到90%以上，而感应

37、电机的效率相对就低的多了，最高只能达到60%-70%。也正是由于该种电机具有一般交流电动机所不易达到的高效率，它可望在较大幅度上减少目前还相对昂贵的太阳电池的用量，具有显著的经济性，几年来无刷直流电动机开始在光伏水泵系统中被用作驱动电机。在本实验中也正是以提高效率这一点为依据选择使用永磁直流无刷电机。另外一方面，本实验的光伏水泵功率较小，这是选择永磁无刷直流电机的另一个原因。 4.1 功率MOSFET驱动电路设计4.1.1 IR2110集成驱动电路随着集成技术的高度发展,为了适应于MOSFET、IGBT驱动集成电路在电平转换、电机调速等功率驱动中的应用,美国IR公司推出了IR2110集成驱动电

38、路。该电路芯片体积小、集成度高、响应快、偏值电压高、驱动能力强、内设欠压封锁、成本低、易于调试。因为上管驱动采用外部自举电容上电,使得驱动电源数目大大少于其他IC芯片。对于典型的6管构成的三相桥式逆变器,采用3片IR2110驱动三个桥臂,仅需要1路15 V(电压可以选择)电源,这样大大减少了控制变压器体积和供电电源数目,同时性价比得到了大大提高。(1)IR2110内部结构IR2110内部结构如图4.1所示,其中包括:逻辑输入、电平转换、保护、上桥臂输出和下桥臂输出。逻辑输入端采用施密特触发电路,提高抗干扰能力。输入逻辑电路与TTL/CMOS电平兼容,其输入引脚阀值与电源V+成比例,为电源电压V

39、+的10%,各通道相对独立。由于逻辑信号均通过电平连接到各自的通道上,容许逻辑电路参考地(VSS)与功率电路参考地(COM)之间有-5和+5的偏移量,并且能屏蔽小于50 ns的脉冲,这样有较理想的抗噪声效果。输出用图腾柱结构,两个高压MOS管推挽驱动器的最大灌入或输出电流为2A。上桥臂通道可以承受500V的电压。当HIN=1、LIN=1时, HO=1, LO=1, MOSFET导通,当HIN=0, LIN=0时, HO=0, LO=0, MOSFET关断。其中SD输入可以用来闭锁这二路驱动。如果这二路驱动电压小于83 V,输出信号会因欠压而被片内封锁。其电平典型转换时间为Ton/Toff=12

40、0 ns/94 ns。图4.1 IR2110内部结构框图图 4.2 IR2110典型电路 (2)IR2110典型电路工作原理及自举元器件的选择IR2110典型电路接线如图4.2所示。其中V+采用5V15V电源,适应TTL或CMOS逻辑信号输入,Vcc为10 V20 V功率管门极驱动电源。由于V-可与COM连接,则VCC与V+可共用同一个典型值为+15 V的电源,但是,在实际应用中要根据自己设计的具体电路给予选择。图4.2中,C1为自举电容,VCC经D4、C1、负载、Q2给C1充电,以确保Q2关闭、Q1开通时,Q1管的栅极靠C1上足够的储能来驱动,从而实现自举式驱动。若负载阻抗较大,C1经负载降

41、压充电较慢,使得Q2关断、Q1开通,C1上的电压仍充电达不到自举电压83 V以上时,输出驱动信号会因欠压被逻辑封锁, Q1就无法正常工作。所以,要么选用小容量电容,以提高充电电压;要么为C1提供快速充电通路。由于每个Q1开关一次,C1就通过Q2开关充电一次,因此自举电容C1的充电还与输入信号HIN、LIN的PWM脉冲频率和脉冲宽度有关,当PWM工作频率过低时,若Q1导通脉宽较窄,自举电压83 V容易满足;反之无法实现自举。因此要合理设置PWM开关频率和占空比调节范围,通过实验C1的选择应考虑以下几点:1.C1的选择与PWM的频率有关,频率高,C1应该选择小一点的。2.C1的种类最好是钽电容,在

42、022f或更大一点(一般取047f且35 V)较好。2.尽量使自举回路上电不经过大阻抗负载,这样就要为C1充电提供快速充电通路。4.对于占空比调节较大的场合,特别是在高占空比时, Q2开通时间较短,C1应该选择小点的较好,否则,在有限的时间内无法达到自举电压。另外,通过实验还得出了这样一些结论。自举二极管也是一个非常重要的自举器件,它应能阻断直流干线上的高压,二极管承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。为了减少电荷损失,应选用漏电流小的快恢复二极管(高频),例如IN4148。有时IR2110 HIN和LIN端口输入的PWM波形,可是HO和LO没有输出,这可能是电源不匹配的缘故造成的,比如PWM的

43、幅值大约为33 V, V+一般选择5 V左右,这样用示波器测量,可能LO有输出,但是HO没有输出,这时应该将HO/LO分别与对应的CMOS管相连,而且应该是上下臂一起进行调整,最好是带负载,因为高端是靠自举电容,悬浮的,这时可能有波形输出。（3）输入、输出信号处理该驱动电路将从光纤输入的信号处理变为驱动信号输出，且当信号出现过流时输出一个阻断信号到系统的控制部分，由控制部分停止 PWM 信号的输出，关断 IGBT 管，如图 4.3所示。在大中功率场合下，开关管开通关断的 du/dt、di/dt 很高，很容易对控制电路等弱电信号造成干扰, 严重威胁功率逆变器的安全运行。 因此采用光纤连接器隔离主

44、电路和控制电路，光纤连接器实现 PWM 控制信号的远距离传输,延时小且可消除来自功率开关器件的干扰。图4.3输入/输出电路由图 4.3 可知, 光接收器接收到信号 （即有 PWM 信号到来）时为低电平，而与非门 U1 的另一端接+15 V 为高电平，通过与非门 U1 后为高电平，再通过异或门 U2、与门 U3 接收到信号，该信号接到 IR2110 的低通道输入端 LIN，用来驱动IR2110一端的 IGBT。异或门U6，与非门U5，电阻 R1和电容C3组成确认脉冲发生电路。 每当输入信号发生跳变时,异或门U6输出一个正脉冲, 其宽度由电容 C3和电阻 R1决定，并通过光纤发送器发出。 当IGB

45、T过流时，OVC为低电平，其低电位反馈到 U3 的输入端， 使 DRG 强置为高电平， 从而使IGBT 关断。 此时 SO 端也将出现低电平, 输出光纤将状态传送至系统控制部分, 由系统发出信号统一关断 IGBT 管4.1.2功率MOSFET逆变电路光伏水泵系统要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率,必须设法提高逆变器的效率。同时要求具有较高的可靠性.目前光伏发电系统主要用于边远地区,许多电站无人值守和维护,这就要求逆变器具有合理的电路结构,严格的元器件筛选,并要求逆变器具备各种保护功能,如输入直流极性接反保护,交流输出短路保护,过热、过载保护

46、等。还要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化,蓄电池虽然对太阳电池的电压具有重要作用,但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动,特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大,如12V蓄电池,其端电压可在10V16V之间变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作,并保证交流输出电压的稳定。 应用逆变器将直流电转化为交流电,若直流电压较低,则通过交流变压器升压,即得到标准交流电压和频率.对大容量的逆变器,由于直流母线电压较高,交流输出一般不需要变压器升压即能达到220V,在中、小容量的逆变器中,由于直流电压较低,如12V、24V,

47、就必须设计升压电路。 中、小容量逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种,推挽电路,将升压变压器的中性插头接于正电源,两只功率管交替工作,输出得到交流电力,由于功率晶体管共地边接,驱动及控制电路简单,另外由于变压器具有一定的漏感,可限制短路电流,因而提高了电路的可靠性.其缺点是变压器利用率低,带动感性负载的能力较差. 由于本设计容量较小，故选用MOSFET推挽电路。全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点,功率晶体管调节输出脉冲宽度,输出交流电压的有效值即随之改变.由于该电路具有续流回路,即使对感性负载,输出电压波形也不会畸变.该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地,因此必须采

48、用专门驱动电路或采用隔离电源.另外,为防止上、下桥臂发生共同导通,必须设计先关断后导通电路,即必须设置死区时间,其电路结构较复杂。由于本设计容量较小，故选用MOSFET推挽电路。相对于其它类型的开关元器件来说功率MOSFET的开关速度是非常快的。因为它是多数载流体器件，没有与关断时间相联系的存储时间。它的开通关断只和寄生电容的充放电有关，它的开关只是驱动这些非线性电容。因此，其开关时间强烈依赖驱动电路的输出特性，驱动电路就是通过这个阻抗给栅极充放电的。图 4.4 开关波形如图4.4所示为功率中，驱动电路给输入电容保持在UDD(保持不变)。充电到闽值电压UGs(oN)。MOSFET的开关过程示意

49、图。在开通延迟时间tdoNCis、充电到UGs(th)，没有漏极电流流过，漏极电压在开通上升时间t:中，驱动电路给输入电容Ciss输出电容CosS放电，漏极电压UDD下降，接近通态管压降UDs(oN)。漏极电流从零开始增大，接近最大值。在关断延迟时间tdoff中，输入电容Cis、通过栅极输入阻抗放电。漏极电源通过负载充电。由于UDS很低时输出电容Cos、很大，所以在关断开始时Uos上升很慢。在下降时间tf中，输出电容Cos，随着漏极电压的上升迅速下降，实际上几乎不需要漏极电源给Cos，充电，UDS快速上升到UDD(如果是感性负载，这个过程将延缓)。从功率MOSFET的开关过程可以看出，开通关断

50、时间与输入、输出电容有密切的关系。输入输出电容是漏源电压的非线性函数。如图4.4所示。图 4.5 输入输出电容与漏源的电压关系从图4.5可以看出，随着漏源电压的上升，输入、输出电容明显减少。在这里，给出MOSFET的最高工作频率的一个定性公式，不过此公式是在不考虑其它因素的情况下(如工作温度，开关损耗，主电路谐振方式等)的MOSFET的最高工作频率，借用此公式可计算出所选取的MOSFET最高工作频率。(4-1)可见，要提高器件的最高工作频率，也要求尽量减少器件的内部电容CGS(栅源电容)和CGD(栅漏电容或密勒电容)。其次要提高跨导gm和减少栅极下面的栅沟MOS电容CG。为此应该采取高迁移率、

51、高饱和速度材料以提高gm，尽量减少栅沟长度L以减少CGo。主功率管选取为避免由于主功率开关管存储时间不一致而造成主功率变压器磁通不平衡的现象，选择没有存储时间的MOSFET作为变换器的功率开关管，MOSFET具有导通压降低、开关速度快、易于控制等特点。另外，MOSFET的导通压降随温度的升高而增加，当原边一个半绕组承受电流较大，该绕组上的MOSFT温度将会更高些，导通压降增加，使得绕组电压下降，从而使这边伏秒数降低，达到磁通平衡。当然，这种方法只能定性的修正磁通不平衡。l)确定MOSFET电压等级由前面对推挽拓扑的分析可知，原边主功率开关管MOSFET承受的最大电压应力为两倍的输入电压值，本系

52、统直流输入电压为48V，故MOSFET承受最大96V电压应力，考虑到变压器漏感引起的电压尖峰，取一至两倍裕量，再参考市场上MOSFET的规格，选用耐压值为25OV的MOSFET。三相逆变桥由6个MOS开关管、6个快速恢复二极管构成，行成三路上下桥臂。Q2、Q3、Q4是上桥臂，Q5、Q6、Q7是下桥臂，6个快速恢复二极管分别并联在6个MOS开关管上。三个上桥臂MOS开关管漏极一起连至DC/DC电路输出端正极，三个下桥臂MOS开关管的源极一起连至DC/DC电路输出端负极。6个MOS开关管的栅极分别连至功率驱动电路的输出端HG1、HG2、HG3、LG1、LG2、LG3。三路上下桥臂的中间分别输出U、

53、V、W三根导线连接无刷直流电机（BLDCM），从而带动水泵。这里选用的MOS开关管是IRF150，主要是耐压值比较高；快速恢复二极管仍选用BYV26E型。在硬件PCB制版时，该部分电路比较难布线，这主要是因为该部分电路电流较大，同时考虑到散热性能，布线时，整个线路均加宽。并尽量偏于主控制单元、信号线部分，避免电磁干扰等问题。图 4.6 MOSFET逆变电路 4.2光伏水泵控制电路的设计本设计选用UCC3626集成控制芯片作为光伏水泵的控制电路。4.2.1 UCC3626的基本结构及原理UCC3626内含一个精密的三角波振荡器和比较器可提供电压控制或电流控制模式下的PWM控制，其外部时钟经由SY

54、NCH输入，该振荡器可方便地与一个外部时钟进行同步。此外，UC3626还设有一个QUAD选择端。以用于选择输出功率桥四象限或两象限斩波控制也就是决定高侧开关和低侧开关，同时，PWM控制或仅低侧开关PWM控制。UCC3626中的差动电流传感放大器和绝对值电路可为电动机的控制建立一个正确的电流并提供逐周的电流保护。另外，为实现速度控制，该器件还提供有精密测速电路。它的TACH_OUT速度信号是一个变占空比的频率输出信号，可直接用于数字速度控制，或经滤波后提供一个模拟速度反馈信号。而UCC3626中的COAST则可用于控制电机的启动和停止，BRAKE制动数字输入端可使器件进入制动模式。DIR_IN和

55、DIR_OUT为转向输入输出控制。UCC3626的内部结构框图如图4.7所示。其芯片的主要特点如下：可两象限或四象限运行控制：内部集成有积分绝对值电流放大电路：可逐周电流检测：具有精确的可变占空比转速信号输出；内含精密的三角波振荡器：具有转向输出功能。图 4.7 UCC3626的内部结构图图4.8 位置传感器与RC滤波器的连接电路 图4.9 60度位置传感器结构的连接电路UCC的三个位置传感器与RC低通滤波器的连接电路如图4.8所示。图中。三个霍尔位置传感器产生的位置信号，经上拉电阻和RC低通滤波后，可连接到UCC3626的HAUA、HALLB、HALLC信号输入端，并且滤波器应尽可能靠近UC

56、C3626，表4-l给出了UCC3626的换相逻辑真值表同时给出了六个输出(AHI、BHI、CHI、ALOW、BLOW、CLOVO随输入(BRAKE、DIR_lN、DIR_OUT、HAUA、HALLB和HALLC)的变化而改变的译码逻辑。UCC3626原设计用于1200C的位置传感器结构。如果需要用在60电动机位置传感器结构的场合，则可按图4.9 所示的方法将B相霍尔信号经反向后连接到HAUA端。（1）测速信号UCC3626的测速信号TACH_OUT来自内部精确的单稳态电路通常由HAUA、HALLB、LLC三个霍尔位置信号的上升沿或下降沿触，其频新(Hz)和电动机的极对数P、转速nrain)成

57、正比例关系：fr=pnl20单稳时间可由连接到R_TACH和CJACH脚的电容R和电容C决定：tos=RC测速信号TACH_OUT可用于微控制器的数字闭环速度控制。测速信号TACHOUT经过滤波后所得到的速度大小模拟信号。可用于模拟速度控制图4.10所示是一个简单的模拟速度控制电路连接方法图中的速度指令信号可连接到外面附加的运算放大器上。图4.10简单的模拟速度环控制电路表4-l 换相逻辑真值表制动BRAKE启停COAST方向DIR_N位置信号输入输出（高侧）输出（低侧）HALLAHALLBHALLCAHIBHICHIALOW BLOWCLOW0011011000100011001000010

58、011100100010010100101000010110011000010010010100001010101000000010100010000111000010000101000100001100010100001000011001000000100001110011100000000000000000（2） 两象限或四象限运行控制电动机一般有四个可能的工作象限。两象限控制时，电动机一般工作在I和象限(转矩和转速方向相同)。由于两象限工作的无刷直流电机控制器，除了摩擦力之外，没有使负载减速的能力。因此，这种方式仅限于要求不高的场合；需四象限控制则提供四个象限工作，这时的转矩和转速方向相

59、反。故可提高系统运动的快速性。UCC3626可通过QUAD端选择两象限和四象限控制。当QUAD为0时，为两象限控制，此时UCC3626只对功率开关的低侧进行PWM控制；而当QUAD为1时，为四象限控制，此时高侧开关和低侧开关同时进行PWM控制。图4.11给出了两象限和四象限控制时的主要电流信号波形。图 4.11两象限和四象限控制时信号波形（3）功率级设计UCC3626可为主电路功率级提供六个驱动信号。对于不需要制动功能但需要两或四象限控制的情况，可采用如图4.12(a)所示的电路。而在很多情况下，系统需要制动功能，这时可采用如图4.12(b)和图4.12(c)所示电路，该电路每个桥臂都需要串联

60、二极管，而且低侧续流二极管一定要接地，以避免制动电流流过下半桥。图4.12(c)所示电路适用于需要制动功能且为四象限控制的场合。附加的传感电阻可用来检查PWM的OFF电流。图 4.12主电路拓扑结构25电流检测电路UCC3626的电流检测电路包括一个固定增益为5的差动电流传感放大器和一个绝对值电路。其中电流传感信号需经低通滤波器去除尖峰信号放大器的输入阻抗平衡可取得最好的性能。如果传感器需要调整。可采用如图4.13所示的分压电路，该电路可用来维持阻抗匹配。在四象限控制时，电动机流过传感电阻的电路在续流期间，其电压极性可能会相反，采用绝对值放大器电路可解决这个问题。事实上，绝对值放大器的输出能重

61、现电动机电路。并可供保护电路和反馈环使用。图 4.12 电流检测分压电路4.3光伏水泵中永磁无刷直流电机的控制系统设计该设计采用的是基于无刷直流电机的光伏水泵驱动器。本文选用一片无刷直流电机控制器UCC3626，三片IR2110驱动芯片和三相MOSFET逆变电路构成其控制驱动电路。驱动电路如图4.14所示.基于UCC3626和IR21 10的175 V2 A两象限速度控制电路如图4.14所示。该电路通过三片IR2110与功率MOSFET相连。控制器的速度指令取自电位器R30，而Rll和C9可对TACHOUT速度反馈信号进行滤波和缓冲。放大器U5A可提供速度控制回路的小信号补偿。其输出可控制PW

62、M，并以积分电容C8和电阻RIO作为校正元件。图4.14 驱动电路原理图4.4 基于单片机的最大功率追踪为了使太阳能电池在任意的日照强度和温度下，都有最大的输出功率，首先要确定最大功率点在太阳能电池伏安特性曲线上的位置。如图4.15所示的太阳能电池阵列特性曲线，其拐点就是最大功率点位置。实现使太阳能电池始终工作在逼近最大功率点位置的过程，即为太阳能电池最大功率点跟踪。从理论上讲，利用开关变换电路对阻抗的变换原理，使得负载的等效阻抗跟随太阳能电池的输出阻抗，使得太阳能电池与负载基本匹配，太阳能电池即工作在最大功率点处，实现最大功率点跟踪。在实际应用中，可以通过调节负载两端的电压来实现太阳能电池的MPPT，其原理如图4.16。图中，实直线为负载电阻线；虚曲