 Software Engineering and Applications 软件工程与应用, 2012, 1, 7-11 http://dx.doi.org/10.12677/sea.2012.11002 Published Online September 2012 (http://www.hanspub.org/journal/sea.html) The Design of Photovoltaic Electric Vehicle Control System Based on 196MC Yong Lei Guizhou University, Guiyang Email: 813979225@qq.com Received: Aug. 8th, 2012; revised: Aug. 17th, 2012; accepted: Aug. 21st, 2012 Abstract: Based on the MPPT control algorithm, the designed for ac motor speed control using 196 single chip com- puter as the core controller MC, with photovoltaic array for electric vehicle power supply, design a MPPT performance of photovoltaic electric vehicle control system. This system is used to perform a variety of functions in one of the intel- ligent power module (IPM) as inverter, by 196MC a PWM signal to the IPM to control, the use of software program- ming to realize electric vehicle speed adjustment, improve the efficiency in the use of single chip microcomputer. Through the system performance test confirmed that the system has a fast response and strong robustness and control precision higher advantages. Keywords: 196MC; Three-Phase AC Motors; Photovoltaic Electric Vehicle; MPPT; PWM 基于 196MC 的光伏电动车控制系统设计 雷 勇 贵州大学，贵阳 Email: 813979225@qq.com 收稿日期：2012 年8月8日；修回日期：2012年8月17 日；录用日期：2012 年8月21日 摘 要：本文采用 MPPT控制算法，采用专为交流电动机调速使用的196MC 单片机作为核心控制器，用光伏阵 列为电动车供电，设计了具有 MPPT性能的光伏电动车控制系统。该系统采用具备多种功能于一体的智能功率 模块(IPM)作为逆变器，由 196MC 发出 PWM信号对IPM进行控制，利用软件编程来实现电动车速度的调节， 提高了单片机的使用效率。通过系统性能测试证实了该系统具有响应快、鲁棒性强、控制精度高等优点。 关键词：196MC；三相交流电机；光伏电动车；MPPT；PWM 1. 引言 面对日益枯竭的石油资源与生态环境的不断恶 化，风能与光能等作为可再生的清洁能源，开发利用 风能以及太阳能等可再生能源已经成为人们的共识。 由于光能的不稳定性、太阳能电池的转换效率低以及 蓄电池寿命等方面存在不足！使得光能等新能源的应 用收到了很大的限制。我们采用MPPT 的方法大大提 高了电池的利用率，从而使光伏电动车的适用性获得 了较大的提高。 2. 控制系统整体设计 光伏电动车控制系统主要由三部分组成：光伏发 电部分、电动机驱动部分、核心控制单元部分，且采 用专为交流电动机调速控制使用的内部具有丰富资 源的 196MC 单片机作为核心控制单元。控制系统整 体框图如图 1所示。 光伏电动车的动力部分采用的是IB5M型的三相 交流电动机，采用内部集各路 IGBT 驱动、保护、故 障检测电路并且有异常指示输出于一体的智能功率 Copyright © 2012 Hanspub 7  基于 196MC 的光伏电动车控制系统设计 三相交 流电机 电流电压检 测 铅酸蓄 电池 充电控 制器 放电控制 显示 DC/DC 光伏 阵列 滤波电路 IPM MPPT 驱动 电路 光 电 隔 离 电 流 检 测 PGA 光电隔离 方向盘信号 MOD转换 指令信号 196 MC 单片机 热敏传感 器 P0.2~P0.4 Figure 1. PV electric vehicle control system block diagram 图1. 光伏电动车控制系统整体框图 模块(IPM) 对其进行供电。控制系统采用光伏阵列进 行发电，采用 MPPT 控制器来实现负载的最大功率跟 踪。为了更好地检测电动机的转速以便达到对电机速 度的控制从而控制车速，我们采用光电码盘(PGA)来 检测电机的转速，FGA 产生测速脉冲 A、B与Z；其 中A与B为互差90˚的脉冲，直接加在片内定时器T1 的引脚上，为了获得高精度、宽范围的转速检测，采 用M/T 法计算转速[1]。 3. 控制系统关键部分设计 传统的电动车，采用的所谓静电池供电，远距离 运行一直是电动车的一个致命问题，而不具备MPPT 控制的光伏电动车，虽然克制了远距离运行难这个致 命问题，但是负载的工作点却与光伏阵列的最大功率 点不接近，负载难以达到要求的性能，而MPPT 就能 弥补这种缺点。 3.1. MPPT控制及其算法设计 光伏阵列由于受到外界条件的影响(如温度、光照) 等，致使其输出特性曲线具有非线性；因此，其功率 曲线也具有非线性，其电压与电流乘积最大的工作点 称为最大功率点。设计MPPT(Maximum-Power-Point- Tracting)控制器主要是为了尽可能的让负载工作点与 光伏阵列的最大功率点相接近，这样光伏阵列将输出 最大功率。光伏阵列输出特性曲线如图 2所示。 MPPT 控制算法采用的是经典的电导增量式算法 [2-4]，该方法的基本思想是根据光伏阵列功率曲线中斜 率为零的那一工作点即为MP P 。该控制算法的数学表 达式如式 1所示： ΔIΔUIU; MPP ΔIΔUIU; MPP ΔIΔUIU; MPP 达到 在右 在左 侧 侧 式(1) 依据式(1)最大功率点就可以通过比较瞬时电导 值与电导增量来进行追踪了[2,5]。 3.2. 蓄电池充电控制器设计 实际情况下，由于太阳光不是一种稳定的能源， 为了保证供电的可靠性以及系统的稳定性[6]，本文采 用铅酸蓄电池作为储备电源，当阳光充足时，光伏阵 列的输出一方面经 DC/DC变换与滤波后由 IPM 向电 机供电，一方面经MPPT控制后对蓄电池进行充电。 充电控制电路如图 3所示。 3.3. 系统保护电路设计 本控制系统的保护电路主要包括铅酸蓄电池过 充电保护、欠压保护及电动机功率主回路的母线电流 Copyright © 2012 Hanspub 8  基于 196MC 的光伏电动车控制系统设计 (a) (b) Figure 2. Photovoltaic array output characteristic curve: (a) At different temperature I-U relationship and P-U history; (b) Under different illumination I-U relationship and P-U history 图2. 光伏阵列输出特性曲线：(a) 不同温度下的 I-U 关系与 P-U 关系曲线；(b) 不同光照下的 I-U 关系与 P-U 关系曲线图 光伏 阵列 PWM 发生器 直流电 压控制 MPPT 蓄电池智 能控制 Upv Ipv I charge Ubattery Icharge Ubattery 驱动信号 C1 C2 Figure 3. Charging control circuit 图3. 充电控制电路 过流保护等，可以对铅酸蓄电池两端的电压进行 A/D 采集。由于 196MC 单片机的工作电压是5.5 V，因此 要对其加一个分压电路，使电压匹配，使 A/D 两端的 电压输入不超过 5.5 V，采集的时候还要对其两端的 电压进行温度补偿，由于铅酸蓄电池具有负的温度系 数(–4 mV/e)，本系统采用型号为MF11 的热敏电阻温 度传感器来测量环境温度，对铅酸蓄电池的电压进行 温度补偿，防止蓄电池因过充电或过放电而缩短寿 命，达到保护蓄电池使用寿命的目的。通过电流检测， 若发现母线过流，则通过 P0.2~P0.4 传入信号至单片 机，单片机则发出控制信号，从而保护驱动电路。 4. 控制系统软件设计 196MC 单片机具有编程简单、控制能力强等优 点，系统编程采用C语言与汇编语言进行混合编写， 控制系统的软件由主程序和中断服务子程序两部分 组成。主程序流程如图 4所示，中断程序流程如图 5 所示。 Copyright © 2012 Hanspub 9  基于 196MC 的光伏电动车控制系统设计 清看门狗 指令 方向盘信号已 采样？ 上电复位 初始化相关寄存器 自检模式，显示相关信号状 态，若正常，2s退出 蓄电池是否过 充过放？ 刹车信号有效 ？ Upv,Ipv已采样？ Y Y Y Y MPPT处理 刹车处理 过充过放处理 调速处理 N N N N N Figure 4. Main program flow chart 图4. 主程序流程图 换相 退出恢复现 场 现场保护 进行电流调节 退出恢复现 场 是否需调节 速度？ 改变占空比 现场保护 进行速度调节 读取A/D转换 是 否 速度测试与计算 检测是否有换 相控制信号 Figure 5. Commutation control interrupt and A/D interrupt sub- routine 图5. 换相控制中断与 A/D 中断子程序 5. 系统性能试验测试 5.1. 测试设备 体育场标准环形跑道：总长400 m；皮尺：精度 Table 1. Distance testing 表1. 路程测试 测量次数 1 2 3 4 显示距离(m) 0.40 0.41 0.40 0.42 Table 2. Maximum speed test 表2. 最高速度测试 测量次数 1 2 3 4 实际速度 (m/s)16.52 16.51 16.50 16.52 Table 3. Full run time testing 表3. 全程运行时间测试 测试速度(km/h) 40 45 50 60 实际用时(s) 36.36 32.00 28.78 24.09 显示时间(s) 36.35 32.00 28.79 24.08 0.01 m；秒表：精度 0.01 s。 5.2. 性能测试结果 1) 路程测试 测试电动车运行跑道一圈，与实际值相比见表 1。 2) 最高速度测试 电动车启动后，将速度调到最大，测量其最高行 驶速度，并且通过软件将最大速度显示并保存，测试 长度为 400 m，测试结果见表2。 3) 全程运行时间测试 测量结果见表3。 从上面的测试实验可以看出：具有MPPT 的光伏 电动车在性能方面稳定性、系统的响应速度、鲁棒性 等都是比较好的。 6. 结论 基于 196MC 单片机的光伏电动车控制系统，通 过实际的运行调试，该系统具有运行稳定、成本低和 可靠性高等显著特点，在能源紧张的今天，体现“低 碳”价值。今后的主要研究是想把风与光这两种新型 能源结合起来用于电动车上，以弥补单纯的光能或者 风能的不足。 参考文献 (References) [1] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008: 103-107. [2] P. J. Wolfs, L. Tang. A single cell maximum power point track- ing converter without a current sensor for high performance ve- Copyright © 2012 Hanspub 10  基于 196MC 的光伏电动车控制系统设计 Copyright © 2012 Hanspub 11 hicle solararrays. 36th Annual of IEEE Power Electron. Special- ists Conference, 16-16 June 2005: 165-171. [3] H. Koizumi, K. Kurokawa. A novel maximum power point- tracking method for PV module integrated converter. 36th An- nual of IEEE Power Electronics Specialists Conference, 16-16 June 2005: 2081-2086. [4] 王群京, 王涛, 李国丽. 小型风光互补 MPPT 控制的研究[J]. 电气传动, 2009, 39(5): 40-42. [5] K. Irisawa, T. Saito, I. Takano and Y. Sawada. Maximum power pointtracking control of photovoltaic generation system under non-uniform insolation by means of monitoring cells. Confer- ence Record of the Twenty-Eighth IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2000: 1707-1710. [6] 闭金杰, 罗晓曙, 杨日星等. 基于 AV R 的太阳能控制器设计 [J]. 现代电子技术, 2009, 10: 167-169. |