基于恩智浦LPC5536的光伏MPPT控制方案
描述
之前文章已经介绍了系统的总体架构和硬件组成： 智能光伏，从LPC5536开始！ 恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案，技术大咖们看过来！ 相信大家对该系统已经有了一定的了解。这篇文章主要会介绍系统的软件实现，并对该系统的性能进行测试。
软件方案介绍
该方案以LPC5536作为主控，系统的控制框图如下图所示，控制路径中，使用光伏板作为系统的输入，通过BOOST电路实现MPPT控制，输出端接负载或者电池，消耗来自光伏板的功率。其中，MPPT/CC/CV控制算法的功能是将ADC采集的输入/输出电压以及输入/输出电流数据经过计算转换为PWM控制参数，最终实现系统控制的目标。此外，系统配置了人机交互模块，可以通过按键和LCD进行参数配置和状态监测等功能，也可以通过FreeMASTER上位机实现同样的功能，并完成数据的实时跟踪和采集。
将软件方案整体上分为以下几个部分进行介绍：
基本控制环路
状态机
MPPT/CC/CV控制算法
人机交互界面（按键和LCD）
FreeMASTER 上位机
1.1 基本控制环路
通过上一篇文章里的测试，最终把PWM控制频率设定为50kHz，把它作为控制的基础频率。在LPC5536中，使用FlexPWM*模块产生PWM波，同时，通过INPUTMUX*将ADC*的trigger input配置为所使用的FlexPWM，从而在每个PWM周期中产生一次ADC中断，完成ADC数据的采集。CC/CV控制环路的控制频率设定为5kHz，也就是每10个ADC采样周期进行一次控制。MPPT的控制频率设定为100Hz，如下图所示。
*: 相关模块的具体信息请参见LPC5536的Reference Manual以及相关的Application Note 1.2 状态机
将MPPT的状态分为5种，如图所示，上电时MPPT处于MPPT_INIT状态，进行相关参数的初始化。初始化完成后，进入MPPT_READY状态，执行一定的延时以及用户自定义操作。接着，进入MPPT_WORK状态，并执行相关电压/电流检测，如果一切正常，打开DC/DC控制开关，正常运行控制程序，并持续运行在这一状态。如果检测到输入端电压过低，可能为光伏板没有接入或者夜晚，进入MPPT_IDLE状态，等待系统输入，恢复正常后再重新进入MPPT_INIT状态。输出端接电池时，如果检测到输出端电压大于限制值或者输出端电流降低到限制值，可能为电池已充满，进入MPPT_IDLE状态，等待电池电压降低到一定的值再重新进入MPPT_INIT状态。如果运行过程中检测到过流/过压事件，进入到MPPT_OFF状态，关闭DC/DC控制开关，此时需要检查电路问题，确认无误之后可手动切换为MPPT_INIT状态，重启程序。
1.3 MPPT/CC/CV控制算法
MPPT控制算法以扰动观察法作为基础，具体流程可以参考系列的第一篇文章。为了实现更快的MPPT跟踪，使用了变步长的控制策略。根据输入电压以及PWM输出的不同状态建立了参数表，通过查表的方法控制扰动步长。
在实际应用中，MPPT只作为其中的一种工作模式，还可以根据需求切换为CC/CV模式，以满足不同的应用场景。
输出端接负载时，不同模式切换策略如下图所示，其中，VCV是恒压工作点，ICC是恒流工作点，不同颜色对应不同的工作状态。实际正常运行时，电压和电流都不会超过恒压及恒流点太多，而当系统处于异常状态时（电流或电压过大），会通过上文介绍的状态机触发保护，在该图中没有体现该特征。在不同模式交界地带，会存在模式反复切换的问题，通过在模式切换点和实际运行点之间加入一定的偏移即可避免这一问题。
输出端接电池时（以锂电池为对象），模式切换策略如下图所示，与接负载时类似，只不过增加了涓流充电模式（TRICKLE）以及不充电模式（OFF）。其中，V1, V2, V3, V4为各模式切换的判断点，与电池属性密切相关。
对于锂电池而言，存在合适的工作区域，当电压过低或者过高时，即小于V1或者大于V4时，电池可能已经发生损坏，或者电池参数设置有问题，需要停止对电池进行充电。同时，为了更好地对锂电池进行充电，可以将电池充电分为三个阶段：涓流充电（TRICKLE）、恒流快速充电（CC）以及恒压充电（CV）。其中，V1是涓流充电的起始判断点，V2是恒流充电的起始判断点，V3是恒压充电的起始判断点，V4是电池电压上限。在恒压充电的过程中，充电电流会逐渐下降，当充电电流下降到设定值时，停止充电，并等待电池电压下降到设定值时再重新进行充电。
1.4 人机交互界面（按键和LCD）
通过按键和LCD可以对整个系统进行设置。首先，可以选择不同的模式，对应不同的应用需求，模式选择界面，共有3种模式可供选择：
同时，可以对系统的输入输出相关参数进行设置，在不同的模式下所设置的参数略有区别，参数设置界面如下所示：
人机交互模块最重要的功能是对系统的运行状态及各项指标进行显示，如下图所示，最顶层为系统名称及软硬件版本信息，左上部分显示所处的工作模式以及状态机运行状态，右上部分显示温度，中间显示各输入输出参数，左下角为PWM输出，右下角为DC/DC运行效率。同时，也可以在此界面切换模式以及设置参数，长按相关的按键即可实现:
1.5 FreeMASTER上位机
该系统使用FreeMASTER搭建了上位机，并通过UART与MCU进行通讯。主界面如下图所示，主体部分是该系统的介绍以及引导：
与LCD和按键组成的人机交互系统功能类似，可以使用FreeMASTER进行模式选择、参数设置以及状态监测：
另外，FreeMASTER能够很方便的显示数据波形并抓取波形进行分析，如下图所示，点击左侧相关的数据即可显示对应的波形，此时图片上方显示的是输出电压的波形，下方显示的是输出电流的波形：
系统测试
为了了解系统的实际性能，设计了相关实验对系统进行测试。将测试分为两组：一组测试输出端接负载时的性能，一组测试输出端接电池时的性能。
2.1 电子负载测试
该测试中，输出端连接电子负载，并设置为恒电阻模式，分别对MPPT/CC/CV模式进行测试，最终得到的测试结果如下图所示：
1. 直流电源输出配置，对应为最大功率，达到最大功率前为恒压输出（电流逐渐增大），达到最大功率后为恒流输出（电压逐渐减小），可以通过追踪直流电源的最大功率观测MPPT性能
2. 共三种运行模式：MPPT最大功率点跟踪，CC恒流，CV恒压，MPPT为主运行模式，达到恒流/恒压条件时转换为相应的模式
3. 稳定后输出电压/电流峰峰值
4. 效率=输出功率/输入功率，数据由MPPT控制板采集
2.2 电池充电测试
该测试中，输出端连接24V锂电池，分别对MPPT/CC/CV模式进行测试，最终得到的测试结果如下表所示：
1. 直流电源输出配置，对应为最大功率，达到最大功率前为恒压输出（电流逐渐增大），达到最大功率后为恒流输出（电压逐渐减小），可以通过追踪直流电源的最大功率观测MPPT性能
2. 共三种运行模式：MPPT最大功率点跟踪，CC恒流，CV恒压，MPPT为主运行模式，达到恒流/恒压条件时转换为相应的模式
3. MPPT以及CC模式下电池电压逐渐升高，此处为电池电压初始均值->电池电压最终均值；CV模式下电池电压变化较小，此处为电池电压峰峰值
4. MPPT以及CC模式下充电电流变化较小，此处为充电电流峰峰值；CV模式下充电电流逐渐减小，此处为充电电流初始均值->充电电流最终均值
5. 效率=输出功率/输入功率，数据由MPPT控制板采集
小结
本文介绍了恩智浦基于LPC5536光伏MPPT方案的软件设计部分，并对系统相关性能进行了测试，希望能给大家带来一些启发。自此，整个系统的介绍就结束啦，感谢大家的持续关注。
恩智浦半导体NXP Semiconductors N.V.(纳斯达克股票代码：NXPI)是汽车、工业物联网、移动设备和通信基础设施市场值得信赖的合作伙伴，致力于提供创新解决方案。
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