智能型直流無位置傳感光伏水泵驅動控制器的制造方法
【專利摘要】一種智能型直流無位置傳感光伏水泵驅動控制器，具有能實現(xiàn)電源管理和功能整合。系統(tǒng)具有智能特性，有非常完善、可靠的電源管理功能，具有優(yōu)先、最大限度利用光伏電源，防止電源錯位和極性接反保護功能。另一個特點是，整合了控制和保護功能，系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠、安全、高效的特點。系統(tǒng)選擇高性能的32位嵌入式微控制器，擔任系統(tǒng)的控制和管理，實現(xiàn)復雜的功能，并對直流無位置傳感的光伏抽水系統(tǒng)進行全面管理和安全保護。
【專利說明】智能型直流無位置傳感光伏水泵驅動控制器

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及驅動控制器領域，特別涉及一種智能型直流無位置傳感光伏水泵驅動控制器。

【背景技術】
[0002]目前的光伏水泵驅動器一般使用單一的光伏電池板供電；且系統(tǒng)不配接蓄電池，不能最大限度的將白天多余的電能收集儲存；在配接光伏和蓄電池雙電源供電時，系統(tǒng)缺少對電源的完整、可靠管理；缺少對蓄電池進行充電的電路；缺少防止電源錯節(jié)、極性反接的模塊電路；缺乏對光伏電池最大輸出功率的跟蹤、管理的功能(MPPT);缺乏對系統(tǒng)狀態(tài)及大功率電路、器件等進彳丁故障自檢的功能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明的目的在于提出一種智能型直流無位置傳感光伏水泵驅動控制器，具有能實現(xiàn)電源管理和功能整合。系統(tǒng)具有智能特性，有非常完善、可靠的電源管理功能，具有優(yōu)先、最大限度利用光伏電源，防止電源錯位和極性接反保護功能。另一個特點是，整合了幾乎所控制和保護功能，系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠、安全、高效的特點。系統(tǒng)選擇高性能的32位嵌入式微控制器，擔任系統(tǒng)的控制和管理，實現(xiàn)復雜的功能，并對直流無位置傳感的光伏抽水系統(tǒng)進行全面管理和安全保護。
[0004]為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案為:
[0005]一種智能型直流無位置傳感光伏水泵驅動控制器，
[0006]包括:輔助電源模塊、防反接模塊，電源管理模塊、充電模塊、微微控制器模塊、驅動電路模塊、水泵電機模塊；輔助電源模塊、防反接模塊，電源管理模塊、充電模塊、驅動電路模塊、分別與微控制器模塊連接，水泵電機模塊與驅動電路模塊連接；
[0007]所述微控制器模塊控制整個裝置的正常運轉，選用32位高性能嵌入式MCU控制芯片 STM32F103VET ；
[0008]該MCU有JTAG接口，支持在線調試，MCU實現(xiàn)對電路的幾條支路電壓、電流的A/DC變換，主電路的PWM輸出、預充電控制、主繼電器控制、充電電路的PWM輸出與實時調整，充電電流的監(jiān)測與工作保護，主電路掃描，蓄水池水滿、井水抽干開關輸入，電路輸出功率計算功能；
[0009]水泵電機模塊驅動主電路的驅動電路；
[0010]輔助電源模塊:能將主電源輸入電壓轉為12V、5V和3.3V的電壓直流穩(wěn)定電壓供給系統(tǒng)的MCU、放大器、繼電器、控制器、主電路的驅動芯片等。輔助電路是典型的單端反激開關穩(wěn)壓電源；
[0011]防反接模塊:在鉛酸蓄電池與光伏發(fā)電板的極性，或位置接反、接錯時，防止電流倒灌燒毀電路的器件；
[0012]充電模塊，在系統(tǒng)滿足條件時，通過充電模塊控制，將光伏板的電能充入鉛酸蓄電池儲存，使系統(tǒng)在夜晚、陰雨天也能繼續(xù)抽水；
[0013]電源管理模塊:對配接光伏和蓄電池雙電源的系統(tǒng)進行全自動的電源管理，實現(xiàn)光伏電源和蓄電池雙電源復雜的自動切換與組合；系統(tǒng)可以單獨接光伏或蓄電池使用，也可以同時連接光伏和蓄電池兩個電源，系統(tǒng)水泵電機驅動主電路的驅動電路，由MCP給出的PWM信號由U9放大后，直接驅動大功率橋的一個臂Ql、Q4的柵極Gl和G4，還有與它一樣的兩個驅動電路，分別驅動主電路橋的另外兩個臂Q2、Q6的柵極G3和G6，Q3、Q8的柵極G2和G5。通過自動檢查識別電源，并優(yōu)先使用光伏電源；
[0014]進一步的，本裝置還包括系統(tǒng)的防雷擊電路，插座Jl的1、2端是電源的連接端(圖1中的P+和B+端)，若將雷擊浪涌電壓引入系統(tǒng)控制板，⑶Tl、⑶T2、Rl 26、Rl 25可以將浪涌吸收，以保護整個系統(tǒng)電路的安全。⑶Tl、⑶T2是放電管，R126是保險絲、R125是壓敏元件，當電源的正極瞬時電壓超過某安全值范圍，將擊穿導電，將浪涌電壓限制在安全范圍內(nèi)。
[0015]相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明系統(tǒng)采用光伏和蓄電池雙電源系統(tǒng)，使系統(tǒng)在陰天、雨天、夜晚、早晨或傍晚太陽光照不足或無光照時也能自動抽水；本發(fā)明能實現(xiàn)雙電源管理和功能整合。系統(tǒng)具有智能特性，有非常完善、可靠的電源管理功能，具有優(yōu)先、最大限度利用光伏電源，防止電源錯位和極性接反保護功能。另一個特點是，整合了幾乎所控制和保護功能，系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠、安全、高效的特點。系統(tǒng)選擇高性能的32位嵌入式微控制器，擔任系統(tǒng)的控制和管理，實現(xiàn)復雜的功能，并對直流無位置傳感的光伏抽水系統(tǒng)進行全面管理和安全保護。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1智能型直流無位置傳感光伏水泵驅動控制器電路框圖
[0017]圖2電源管理電路圖
[0018]圖3輔助電源電路
[0019]圖4充電電路
[0020]圖5系統(tǒng)防雷擊電路圖[0021 ]圖6水泵電機驅動主電路
[0022]圖7水泵電機驅動主電路的驅動電路

【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明方案做進一步詳細描述，
[0024]如圖1所示:
[0025]本發(fā)明的工作原理為:
[0026]1.電源管理功能。系統(tǒng)具有智能特性，對配接光伏和蓄電池雙電源的系統(tǒng)進行全自動的電源管理，實現(xiàn)光伏電源和蓄電池雙電源復雜的自動切換與組合。系統(tǒng)可以單獨接光伏或蓄電池使用，也可以同時連接光伏和蓄電池兩個電源，系統(tǒng)通過自動檢查識別電源，并優(yōu)先使用光伏電源。
[0027]系統(tǒng)符合抽水條件時，①可以優(yōu)先利用光伏電源，運行在一邊驅動水泵抽水、一邊給蓄電池充電的狀態(tài)(陽光非常充足)；②可以單獨運行在光伏電源驅動水泵抽水的狀態(tài)(陽光充足)可以工作在蓄電池和光伏同時給水泵供電的狀態(tài)(陽光不足，如陰天、雨天、早晨或傍晚太陽光照不足時)。
[0028]在不滿足抽水條件，水泵不抽水時，充電電路控制光伏板給蓄電池充電儲能；也可以接其他合適的直流電源給蓄電池充電。
[0029]如圖1所示，是“智能型直流無位置傳感光伏水泵驅動控制器電路框圖”，開關K2是系統(tǒng)功能選擇開關，系統(tǒng)有三個功能可供選擇:“光伏”、“蓄電池”和“自動”。當K2選擇“光伏”時，由光伏電源給水泵供電，給蓄電池充電。K2選擇“蓄電池”時，系統(tǒng)由蓄電池給水泵供電。K2選擇“自動”時，系統(tǒng)優(yōu)先選擇光伏電源給水泵供電，給蓄電池充電。根據(jù)光伏的光照條件，自動管理和使用電源，如上所述。
[0030]如圖2是實現(xiàn)電源防反接功能的電路原理圖。防反接電路有三個部分，Jl和J2是光伏和蓄電池兩個電源的控制和防反接保護關鍵元件，在充電模塊也有防反接電路，確保任意一個電源位置接錯、極性接反時，不至于燒損主電路和充電模塊的元器件。
[0031]系統(tǒng)設計成光伏和蓄電池雙電源系統(tǒng)，系統(tǒng)優(yōu)先使用光伏電源驅動水泵抽水和給蓄電池充電，保證最大限度的利用太陽能，使系統(tǒng)在陰天、雨天、夜晚、早晨或傍晚太陽光照不足或無光照時也能自動抽水。如圖1所示，P+是光伏電源正極，B+是蓄電池正極，系統(tǒng)配置兩個電源。當系統(tǒng)在P+、B+和地之間連上電源，可以任意連接一個、或兩個電源，若兩個電源(光伏與鉛酸蓄電池)位置接錯、或一個電源極性接錯，都不會影響D5、D6陽極的輸出，哪一個一個電源的電壓高[]就將通過開關Kl給輔助電路供電，有正常的電壓輸出，MCU能上電復位，系統(tǒng)運行程序，通過傳感電路加入正常的檢測信號能對電路進行控制和管理。
[0032]通過TV1、TV2可以檢測判斷光伏與鉛酸蓄電池是否接錯位置或接錯極性。當檢測電源連接完全正確，則通過功能主開關K2的選擇，啟動不同的控制策略，并通過傳感器狀態(tài)判斷水箱是否水滿、井里是否有水、主電路是否有故障存在，決定是啟動水泵抽水、給蓄電池充電、邊抽水邊充電，或由兩個電源共同給水泵供電，或者關斷主電路，并給出故障報警、LED燈光顯示電路狀態(tài)。系統(tǒng)設計有防反接電路，能確保光伏、蓄電池和充電電路，在任何情況下:包括任意一個電源或兩個電源的位置接錯，任意一個電源或兩個電源的極性接反時，都能自動判斷并保護控制系統(tǒng)和主電路不會出現(xiàn)燒損，并由微控制器給出相應的報錯指示信號。
[0033]如圖3所示，是系統(tǒng)的輔助電源電路，整個系統(tǒng)的控制電路由輔助電源供電。圖中U2、U4、U5、U7、Q13、T1及其他電路共同完成電源變換。主電源輸入的電壓通過圖1中的D5、D6供給圖3的L2，輔助電源電路能將主電源輸入電壓轉為12V、5V和3.3V的電壓直流穩(wěn)定電壓供給系統(tǒng)的MCU、放大器、繼電器、控制器、主電路的驅動芯片等。輔助電源是典型的單端反激開關穩(wěn)壓電源電路。
[0034]如果兩個電源(光伏與鉛酸蓄電池)的極性都接反，則輔助電源供電電路的D5、D6將因為反偏而不能導通，無法得電，整個系統(tǒng)都無法啟動，這也是一種保護策略。
[0035]圖2 中 Qll、J6、Q12、J7、Ul、U2、Q9、Q14、U6、Dl、R8、Q10、Q16、U7、D2、R9 共同完成對主電源的控制并實現(xiàn)防反接功能。MCU通過控制管Qll控制繼電器J6實現(xiàn)開、關控制光伏電源(圖1中的P+，圖2中的Vl+)。MCU通過控制管Q12控制繼電器J7實現(xiàn)開、關控制鉛酸蓄電池電源(圖1中的B+，圖2中的V2+)。Q9、Q14、U6、D1、R8與Q10、Q16、U7、D2、R9是兩個預充電電路，其作用是在主繼電器J6、J7動作前，給繼電器后面的電容充電，使繼電器的動合觸頭兩端電壓差減小，避免過大的沖擊電流燒蝕繼電器的觸點，延長繼電器的壽命。U6、U7是光電隔離器。U1、U2是電流檢測芯片。
[0036]充電功能模塊。原理框圖如圖1所示，具體由圖4所示電路實現(xiàn)由光伏給鉛酸蓄電池充電控制。
[0037]圖4中U25、Q15、D36、L5組成基本的Buck降壓開關電路，將光伏的電壓降低后給鉛酸蓄電池充電，由MCU通過控制Buck電路的PWM波的脈寬調節(jié)實現(xiàn)對充電電流大小的調整與控制。圖4中U25是Q15的驅動電路。U26是電流檢測芯片，Q18、U24、D47是充電模塊的防反接電路。在鉛酸蓄電池與光伏發(fā)電板的極性、位置接錯時，防止電流倒灌燒毀電源或開關電路的器件。
[0038]MPPT功能。系統(tǒng)無論是在驅動水泵抽水、還是給蓄電池充電的狀態(tài)，都啟動光伏輸出功率自動跟蹤功能，始終保持光伏發(fā)電板輸出功率為最大，系統(tǒng)能最大限度的利用光伏板發(fā)出的電能。
[0039]MPPT (最大功率跟蹤)功能的實現(xiàn)有多種方案，比如硬件方案、軟件方案，端壓控制、電壓擾動、電導檢測法等。本發(fā)明系統(tǒng)是采用軟件電壓擾動功率跟蹤法。
[0040]如圖1所示，系統(tǒng)通過微控制器實時監(jiān)測主電路運行狀態(tài)和蓄電池的功率，通過調整水泵的抽水流量或充電電流，以跟蹤光伏的輸出功率，確保其輸出為最大功率，最大限度的提高光伏發(fā)電組件的利用率。
[0041]系統(tǒng)保護功能。系統(tǒng)具有過壓、過流、欠壓保護功能；具有蓄水池水滿、井水打干保護功能；具有防沖擊、防雷擊保護功能。
[0042]如圖1電路框圖中，通過171、172、1'11、1'12、1'13、111傳感電路，對相應支路的電壓、電流取樣，實時監(jiān)測光伏發(fā)電組件、蓄電池、水泵和充電電路的電壓、電流，通過MCU對這些量進行運算、比較，可以判斷電源的連接位置、連接極性是否正確，對應支路的電壓是否過壓、欠壓；對應支路的電流是否過流。從而實現(xiàn)對電源連接位置、連接極性的保護，實現(xiàn)對電路的過壓、欠壓和過流保護功能。
[0043]如圖5所示，是系統(tǒng)的防雷擊電路，插座Jl的1、2端是電源的連接端(圖1中的P+和B+端)，若將雷擊浪涌電壓引入系統(tǒng)控制板，⑶Tl、⑶T2、Rl26、Rl25可以將浪涌吸收，以保護整個系統(tǒng)電路的安全。⑶Tl、⑶T2是放電管，R126是保險絲、R125是壓敏元件，當電源的正極瞬時電壓超過某安全值范圍，將擊穿導電，將浪涌電壓限制在安全范圍內(nèi)。
[0044]故障自檢功能。在上電時，微控制器自動運行自檢程序，掃描周邊電路，對主電路的功率器件進行檢測、診斷，及時發(fā)現(xiàn)電路系統(tǒng)是否有短路、開路故障。根據(jù)檢測結果，判斷系統(tǒng)是否啟動后續(xù)的程序，確保電路不會在有故障的情況下驅動運行大功率電路，避免造成功率器件燒損。
[0045]如圖1所示，在系統(tǒng)上電時，微控制器發(fā)出控制信號，對電路中的關鍵器件進行掃描以測試判斷其狀態(tài)，確保電路在無故障情況下才能啟動運行。否則關閉啟動信號，避免功率器件燒損，擴大故障范圍。
[0046]如圖6所示，是水泵電機驅動主電路，MCU可以在上電后，對主電路給出瞬間的驅動信號，讓管子導通工作，同時監(jiān)測電流，通過對電流大小的比對，判斷主電路是否正常。由此方法實現(xiàn)對電路故障的自檢功能。由C15、C16、QU Q2、Q3、Q6、Q7、Q8組成三橋控制電路，對直流無刷、無位置傳感三相六拍直流水泵電機進行驅動，包括啟動、加速、同步鎖控等全部過程。圖中功率管的外圍元件是尖脈沖吸收電路，對功率器件實現(xiàn)保護。圖中的R123，R124也是浪涌吸收電路，進一步保護功率主電路。
[0047]如圖7所示，是水泵電機驅動主電路的驅動電路，由MCP給出的PWM信號由U9放大后，直接驅動大功率橋的一個臂Ql、Q4的柵極Gl和G4，還有與它一樣的兩個驅動電路，分別驅動主電路橋的另外兩個臂Q2、Q6的柵極G3和G6，Q3、Q8的柵極G2和G5。
[0048]繼電器防反接電路。一般的電路都沒有防反接功能，有防反接功能的極少數(shù)產(chǎn)品常采用場效應管做控制元件，在低壓大電流的情況下，功耗較大，這使系統(tǒng)的安全可靠性受到威脅，也使系統(tǒng)的效率降低了，本發(fā)明專利采用低壓大電流專用繼電器實現(xiàn)對光伏電源和鉛酸蓄電池雙電源的開關控制和預防極性接反、位子接錯的功能，大大的降低了觸點的功耗，徹底解決了系統(tǒng)因溫升帶來的安全和可靠性降低的隱患，也提高了系統(tǒng)的效率。
[0049]系統(tǒng)具有高可靠性。為確保系統(tǒng)的可靠性和安全性，系統(tǒng)在軟件程序中啟用了加密，設計了看門狗功能。系統(tǒng)設計了完善的看門狗功能，看門狗能有效預防系統(tǒng)程序跑飛，特別是在條件惡劣、噪聲、干擾大的運行環(huán)境，能有效提高系統(tǒng)抗干擾的能力，大大的提高系統(tǒng)的運行可靠性。必要的時候還可以利用硬件和系統(tǒng)軟件雙重看門狗，使系統(tǒng)更加可靠。
[0050]加密功能。系統(tǒng)啟用了功能強大、性能優(yōu)越的嵌入式系統(tǒng)的加密功能，對芯片內(nèi)的軟件進行保護，能有效的保護產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)者的知識產(chǎn)權，提高了抄板、仿造的門檻。
[0051]系統(tǒng)選用32位高性能嵌入式MCU控制芯片STM32F103VET。
[0052]該MCU有JTAG接口，支持在線調試，實用調試非常方便。MCU主要實現(xiàn)了對電路的幾條支路電壓、電流的A/DC變換，主電路的PWM輸出、預充電控制、主繼電器控制、充電電路的PWM輸出與實時調整，充電電流的監(jiān)測與工作保護，主電路掃描，蓄水池水滿、井水抽干開關輸入，電路輸出功率計算等。
[0053]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書所限定的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種智能型直流無位置傳感光伏水泵驅動控制器，其特征在于，包括:輔助電源模塊、防反接模塊，電源管理模塊、充電模塊、微微控制器模塊、驅動電路模塊、水泵電機模塊；輔助電源模塊、防反接模塊，電源管理模塊、充電模塊、驅動電路模塊、分別與微控制器模塊連接，水泵電機模塊與驅動電路模塊連接； 所述微控制器模塊控制整個裝置的正常運轉，選用32位高性能嵌入式MCU控制芯片STM32F103VET ； 該MCU有JTAG接口，支持在線調試，MCU實現(xiàn)對電路的幾條支路電壓、電流的A/DC變換，主電路的PWM輸出、預充電控制、主繼電器控制、充電電路的PWM輸出與實時調整，充電電流的監(jiān)測與工作保護，主電路掃描，蓄水池水滿、井水抽干開關輸入，電路輸出功率計算功能； 水泵電機模塊驅動主電路的驅動電路； 輔助電源模塊:能將主電源輸入電壓轉為12V、5V和3.3V的電壓直流穩(wěn)定電壓供給系統(tǒng)的MCU、放大器、繼電器、控制器、主電路的驅動芯片，輔助電路是典型的單端反激開關穩(wěn)壓電源； 防反接模塊:在鉛酸蓄電池與光伏發(fā)電板的極性，或位置接反、接錯時，防止電流倒灌燒毀電路的器件； 充電模塊，在系統(tǒng)滿足條件時，通過充電模塊控制，將光伏板的電能充入鉛酸蓄電池儲存，使系統(tǒng)在夜晚、陰雨天也能繼續(xù)抽水； 電源管理模塊:對配接光伏和蓄電池雙電源的系統(tǒng)進行全自動的電源管理，實現(xiàn)光伏電源和蓄電池雙電源復雜的自動切換與組合；系統(tǒng)可以單獨接光伏或蓄電池使用，也可以同時連接光伏和蓄電池兩個電源，通過自動檢查識別電源，并優(yōu)先使用光伏電源。
2.根據(jù)權利要求1所述的智能型直流無位置傳感光伏水泵驅動控制器，其特征在于，還包括系統(tǒng)的防雷擊電路，插座Jl的1、2端與電源的p+和B+端連接，若將雷擊浪涌電壓引入系統(tǒng)控制板，⑶Tl、⑶T2、R126、R125可以將浪涌吸收，以保護整個系統(tǒng)電路的安全，⑶Tl、⑶T2是放電管，R126是保險絲、R125是壓敏元件，當電源的正極瞬時電壓超過某安全值范圍，將擊穿導電，將浪涌電壓限制在安全范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權利要求1所述的智能型直流無位置傳感光伏水泵驅動控制器，其特征在于，水泵電機模塊包括水泵電機驅動主電路及水泵電機驅動主電路的驅動電路。
4.根據(jù)權利要求3所述的智能型直流無位置傳感光伏水泵驅動控制器，其特征在于，水泵電機驅動主電路，MCU可以在上電后，對主電路給出瞬間的驅動信號，讓管子導通工作，同時監(jiān)測電流，通過對電流大小的比對，判斷主電路是否正常，由此方法實現(xiàn)對電路故障的自檢功能，由C15、C16、QU Q2、Q3、Q6、Q7、Q8組成三橋控制電路，對直流無刷、無位置傳感三相六拍直流水泵電機進行驅動，包括啟動、加速、同步鎖控的全部過程，功率管的外圍元件是尖脈沖吸收電路，對功率器件實現(xiàn)保護，R123，R124也是浪涌吸收電路，進一步保護功率主電路。
5.根據(jù)權利要求3所述的智能型直流無位置傳感光伏水泵驅動控制器，其特征在于，水泵電機驅動主電路的驅動電路，由MCP給出的PWM信號由U9放大后，直接驅動大功率橋的一個臂Q1、Q4的柵極Gl和G4，還有與它一樣的兩個驅動電路，分別驅動主電路橋的另外兩個臂Q2、Q6的柵極G3和G6，Q3、Q8的柵極G2和G5。
【文檔編號】H02J9/06GK104485861SQ201410499698
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權日:2014年9月26日
【發(fā)明者】楊忠孝, 成友才, 晉飛, 史品, 梁州, 張陳方, 冉光旭 申請人:楊忠孝