基于嵌入式的分布式電源節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣俊祁

摘 要： 分布式電源改變了傳統(tǒng)節(jié)能調(diào)度方法的剛性特征，使傳統(tǒng)節(jié)能調(diào)度模式無(wú)法適應(yīng)分布式電源的功耗管理的多樣性需求，節(jié)能效果較差。因此，設(shè)計(jì)基于嵌入式的分布式電源節(jié)能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中的控制器通過(guò)溫度采集模塊獲取電源溫度，傳遞給控制執(zhí)行電路，調(diào)控電源運(yùn)行狀態(tài)。充電電路將采集到的蓄電池電壓值反饋給控制器，微控制器對(duì)電壓值進(jìn)行A/D變換，按照蓄電池電壓值分析蓄電池電量，對(duì)蓄電池充電、放電過(guò)程進(jìn)行管理。通過(guò)CAN總線(xiàn)接口，完成CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)電源功耗的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程控制。軟件設(shè)計(jì)中，給出LPC11C14控制器軟件流程，電源控制軟件流程圖以及關(guān)鍵代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)分布式電源進(jìn)行節(jié)能控制的控制能力高、節(jié)能效果顯著。

關(guān)鍵詞： LPC11C14； 分布式電源； 節(jié)能控制； 溫度采集模塊

中圖分類(lèi)號(hào)： TN86?34； TP211 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）06?0088?05

Abstract： Distributed power has changed the rigidity characteristic of the traditional energy saving scheduling method， which makes the traditional energy?saving scheduling mode unable to meet the needs of the diversity of power consumption management of distributed power supply， and makes the energy?saving effect poor. Therefore， a distributed power supply energy?saving control system based on embedded controller was designed. The system controller collects power supply temperature through the temperature acquisition module， and transmits it to the control execution circuit to regulate and control the power supply running state. The charging circuit is used to feed the collected battery voltage value back to the controller. The micro?controller is used to execute the AD conversion of voltage value， and analyze the battery electric quantity according to the battery power voltage to supervise and control the battery charging and discharging process. The CAN bus data transceiving is achieved through CAN bus interface to realize the power network remote control of the power consumption. In the Paragraph of Software Design， LPC11C14 controller software flow， power control software flow chart and key code are given. The experimental results indicate that the designed system has a better ability of energy?saving control for distributed power supply.

Keywords： LPC11C14； distributed power； energy saving control； temperature acquisition module

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電源系統(tǒng)在人們的生產(chǎn)和生活中具有重要應(yīng)用價(jià)值，但是其對(duì)電力的供應(yīng)和環(huán)境污染帶來(lái)了較大的威脅。節(jié)能、環(huán)保成為當(dāng)前電源的主題。分布式電源具有近距離供電、降低集中輸變電成本、增強(qiáng)供電穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1?2]。智能化、分布式電源節(jié)能控制系統(tǒng)是當(dāng)前提倡環(huán)保、節(jié)能大背景下的一項(xiàng)重要應(yīng)用技術(shù)。因此，尋求有效方法對(duì)分布式電源系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制，成為當(dāng)前相關(guān)人員分析的熱點(diǎn)方向[3?5]。

以往的電源節(jié)能控制方法存在一定的弊端，如文獻(xiàn)[6]提出了組合式補(bǔ)償?shù)碾娫垂?jié)能控制方案，對(duì)輸入電源的功率變化進(jìn)行組合式補(bǔ)償，完成電源功率的控制。該方法的控制存在較高的偏差，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。文獻(xiàn)[7]通過(guò)相控有源逆變方法實(shí)現(xiàn)電源負(fù)載的控制，其采用相控整流逆變電路將電源能量回饋至電網(wǎng)，減少電源的溫升量，進(jìn)而大大降低電源耗能。然而該方法導(dǎo)致電源交流側(cè)輸入端電流畸變嚴(yán)重，使得電源穩(wěn)定性降低。

針對(duì)上述分析問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于嵌入式的分布式電源節(jié)能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件由嵌入式微控制器LPC11C14、溫度采集模塊、控制執(zhí)行電路、蓄電池充電電路、電源轉(zhuǎn)換及開(kāi)關(guān)控制電路以及CAN總線(xiàn)接口電路組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)分布式電源進(jìn)行節(jié)能控制的控制能力高、節(jié)能效果顯著。

1 基于嵌入式的分布式電源節(jié)能控制系統(tǒng)

1.1 電源節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電源節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件主要包括嵌入式微控制器LPC11C14、溫度采集模塊、控制執(zhí)行電路、蓄電池充電電路、電源轉(zhuǎn)換及開(kāi)關(guān)控制電路、電源供電電路以及CAN總線(xiàn)接口電路。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

控制器通過(guò)溫度采集模塊獲取電源溫度，傳遞給控制執(zhí)行電路，調(diào)控電源運(yùn)行狀態(tài)。充電電路將采集到的蓄電池電壓值反饋給控制器，嵌入式微控制器LPC11C14對(duì)電壓值進(jìn)行A/D變換，按照蓄電池電壓值分析蓄電池電量，對(duì)蓄電池充電、放電過(guò)程進(jìn)行管理。蓄電池的輸出電壓接入電源開(kāi)關(guān)控制的常開(kāi)輸入端，當(dāng)蓄電池電壓不足時(shí)，由LPC11C1控制器控制電源開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將電源供電電路的電源切換至市電供電；當(dāng)蓄電池電量充足時(shí)，則由蓄電池向電源供電。通過(guò)CAN總線(xiàn)接口，完成CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)電源功耗的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程控制。

1.2 溫度采集模塊設(shè)計(jì)

如圖2所示，溫度傳感器采用單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20，其能夠?qū)⒈粶y(cè)溫度變換成數(shù)字信號(hào)，存到信號(hào)存儲(chǔ)器中，通過(guò)I2C總線(xiàn)反饋給單片機(jī)。該溫度傳感器檢測(cè)到的溫度區(qū)間為[-50 ℃，120 ℃]。通過(guò)I2C總線(xiàn)完成單片機(jī)與溫度傳感器間的數(shù)據(jù)傳輸。DS18B20為單線(xiàn)器件，應(yīng)在一根數(shù)據(jù)線(xiàn)上完成數(shù)據(jù)的雙向傳遞，并且在傳遞過(guò)程中通過(guò)8位CPC生成器約束讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)序。對(duì)DS18B20進(jìn)行精確溫度變換過(guò)程中，I/O線(xiàn)可向溫度變換過(guò)程提供能量。DS18B20采用溫度靈敏元件感應(yīng)電源溫度，通過(guò)低溫觸發(fā)器和高溫觸發(fā)器，輸出采集低溫和高溫信號(hào)。

1.3 控制執(zhí)行電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，控制執(zhí)行電路由STC89C52RC單片機(jī)到小繼電器，再到單相穩(wěn)態(tài)繼電器。小繼電器可對(duì)單片機(jī)和穩(wěn)態(tài)繼電器進(jìn)行隔離，保護(hù)單片機(jī)；驅(qū)動(dòng)單相溫度繼電器的運(yùn)行，并且對(duì)監(jiān)控單相穩(wěn)態(tài)繼電器運(yùn)行情況的指示器進(jìn)行設(shè)置。采用DC?AC SSR?60DA過(guò)零型單相穩(wěn)態(tài)繼電器，控制執(zhí)行電路的控制電壓為DC 2～28 V、電流為5～10 mA，額定運(yùn)行電壓為AC 20～360 V，額定最大運(yùn)行電流為50 A。

1.4 CAN總線(xiàn)接口設(shè)計(jì)

CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)接口對(duì)控制系統(tǒng)中設(shè)備的正常運(yùn)行具有重要價(jià)值。CAN通過(guò)CANH和CANL兩個(gè)數(shù)據(jù)線(xiàn)完成數(shù)據(jù)通信。采用隔離CAN收發(fā)器模塊CTM1050T，通過(guò)簡(jiǎn)單連接完成CAN硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。M1050T芯片內(nèi)部集成了CAN總線(xiàn)所需的CAN收發(fā)器件和電氣隔離電路，隔離電壓為DC 2 500 V，可連接CAN控制器和CAN總線(xiàn)。該芯片的總線(xiàn)速率應(yīng)用區(qū)間為[40 Kb/s，1 Mb/s]，能夠與其他CAN收發(fā)器模塊進(jìn)行互操作。CTM1050T的控制器收發(fā)端支持3.3 V和5 V的控制器，其CAN接口電路無(wú)需添加其他外圍器件，運(yùn)行電壓為5 V，TXD和RXD能夠同LPC11C14的CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送端CAN_TXD和CAN_RXD連接，CAN總線(xiàn)接口電路如圖4所示。

1.5 嵌入式微控制器LPC11C14

在分布式智能化電源系統(tǒng)中，控制器是系統(tǒng)的核心部分，承擔(dān)著能耗控制算法的實(shí)現(xiàn)，CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信、供電系統(tǒng)變換以及顯示接口輸出等任務(wù)。采用LPC11C14作為電源節(jié)能控制系統(tǒng)的控制器核心，LPC11C14是依據(jù)ARM Cortex?M0運(yùn)行的微控制器，主要用于實(shí)現(xiàn)高集成度以及低功耗的嵌入式應(yīng)用。LPC11C14的CPU運(yùn)行頻率為48 MHz，其外設(shè)有32 KB的FLASH、8 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、一個(gè)RS 485/EIA?485 UART、4個(gè)通用定時(shí)器和40個(gè)通用I/O引腳。LPC11C14的最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

LPC11C14控制器的Cortex?M0內(nèi)核中存在10 MHz的RC振蕩器，控制器中的CPU在復(fù)位或上電過(guò)程中，將內(nèi)部RC振蕩器當(dāng)成主時(shí)鐘源，確保LPC11C14在無(wú)外部晶振狀態(tài)下工作。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性，采用12 MHz的外部晶振電路為系統(tǒng)提供時(shí)鐘源。在上電或任何片上復(fù)位時(shí)，LPC11C14 將IRC當(dāng)成時(shí)鐘源，通過(guò)編程變換到外部時(shí)鐘源。內(nèi)部RC振蕩器能夠知道看門(mén)狗定時(shí)器（WDT）的時(shí)鐘源，驅(qū)動(dòng)PLL和CPU的時(shí)鐘源。因?yàn)镮RC精度較低，采用精度較高的外部晶振當(dāng)成系統(tǒng)時(shí)鐘源，時(shí)鐘電路選擇12 MHz的外部晶振電路，具體接法如圖6所示，在XTALIN和XTALOUT間融入12 MHz晶振，兩引腳采用22 pF的瓷片電容接地。

2 軟件流程與控制算法

2.1 LPC11C14控制器的軟件流程設(shè)計(jì)

LPC11C14控制器上的軟件流程，需要完成以下功能：

（1） 對(duì)溫度采集模塊獲取的溫度信號(hào)和蓄電池取樣電壓值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

（2） 比較Q1和Q2，Q3和Q4的溫度信號(hào)的大小，通過(guò)控制執(zhí)行電路驅(qū)動(dòng)控制器的運(yùn)行。當(dāng)溫度信號(hào)低于一定閾值，認(rèn)為能量不足，停止溫度采集模塊運(yùn)行，降低電源功耗。

（3） 對(duì)蓄電池電壓取樣電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，判斷當(dāng)前蓄電池狀態(tài)，當(dāng)蓄電池電量不足時(shí)，將電源供電電路供電轉(zhuǎn)向市電供電。

（4） 將當(dāng)前的電源系統(tǒng)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線(xiàn)上進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，并接收來(lái)自CAN總線(xiàn)的報(bào)文，根據(jù)報(bào)文控制電源電路。

（5） 根據(jù)需求，通過(guò)CAN總線(xiàn)遠(yuǎn)程控制電源開(kāi)關(guān)。

系統(tǒng)的軟件流程圖如圖7所示。

2.2 電源控制軟件流程設(shè)計(jì)

電源控制軟件實(shí)現(xiàn)代碼如下：

#define DY_DSCH=1； /*電源默認(rèn)工作模式1*/

#define DY_MU=0； /*電源默認(rèn)狀態(tài)終止*/

#define Light_Level 1 000； /*電源開(kāi)關(guān)光線(xiàn)檢測(cè)門(mén)限*/

/********************************

**程序名：DY_Init

**程序功能：電源DY控制端口初始化

**程序說(shuō)明：控制端口定義、PIO3_4控制電源開(kāi)關(guān)、PIO3_4控制市電、蓄電池供電

********************************/

Void DY_Init（void）

{

LPC_REUW?>PIO3_4&=（?0X07）；

/*將PIO3_4、PIO3_5初始化成GPIO功能*/

LPC_REUW?>PIO3_5&=（?0X07）；

LPC_GPIO3?>DIR=0x0030；

/*將WQKS_2～QKS_5方向設(shè)置成輸出*/

LPC_GPIO3?>DATA=0x0030；

/*將WQKS_2～WQKS_5初始化輸出高電平*/

If（LED_DSCH==1）{

Light_YION==（ADCProcess（1）+ADCProcess（2）+ADCProcess（3）+ADCProcess（4））/4 /*求Q1～Q4溫度信號(hào)均值*/

if（Light_YION

/*溫度高于門(mén)限值則開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)*/

DY_MU=1；

Else /*溫度高于門(mén)限值則開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)*/

DY_MU=0；

}

else{

If（CAN_MU==1）

DY_MU=1；

else

DY_MU=0；

}

If（DY_MU==1）{Battery_Vol=ADCProcess（7）*127/22；

/*運(yùn)算蓄電池實(shí)際電壓值 */

If（Battery_Vol>10 500） /*蓄電池電壓高于10.5 V */

LPC_GPIO3?>DATA=0x0020； /*蓄電池供電*/

else

LPC_GPIO3?>DATA&=（?0x0020）； /*市電供電 */

LPC_GPIO3?>DATA=0x0010； /*電源開(kāi)關(guān)啟動(dòng)*/

}

else

LPC_GPIO3?>DATA=（?0x0010）； /*電源開(kāi)關(guān)關(guān)閉*/

}

3 實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文方法的有效性，實(shí)驗(yàn)對(duì)某電源系統(tǒng)的能耗進(jìn)行節(jié)能控制，對(duì)比分析本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式的分布式電源節(jié)能控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)電源節(jié)能控制系統(tǒng)的性能。

3.1 控制能力分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)節(jié)能控制系統(tǒng)的控制能力進(jìn)行驗(yàn)證，表1為不同阻性負(fù)載下的節(jié)能控制系統(tǒng)輸出電壓。表2為不同直流母線(xiàn)電壓下系統(tǒng)空載輸出電壓?？梢钥闯霰疚目刂葡到y(tǒng)在不同負(fù)載條件下可輸出平穩(wěn)的電壓。

圖8和圖9為整流型負(fù)載下控制系統(tǒng)輸出電壓、電流波形和電壓頻譜曲線(xiàn)。由于采用嵌入式微控制器設(shè)計(jì)了分布式電源控制系統(tǒng)，本文控制系統(tǒng)在中低頻段有更好的諧波抑制效果，總諧波失真含量由開(kāi)始時(shí)的9.52%降至0.38%。分析圖9可以看出，本文控制系統(tǒng)的中低次諧波的衰減明顯加強(qiáng)，但是高次諧波的衰減未發(fā)生顯著波動(dòng)，說(shuō)明本文節(jié)能控制方法的穩(wěn)定性較高。

表2 母線(xiàn)電壓變化時(shí)系統(tǒng)輸出電壓

采用嵌入式LPC11C14核心控制器設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在中低頻段的特性基本無(wú)影響。本文控制系統(tǒng)對(duì)各次諧波都有較快的收斂速度。圖10和圖11分別為組合式補(bǔ)償控制系統(tǒng)和本文控制系統(tǒng)誤差收斂過(guò)程，圖10中誤差收斂速度約為50 ms，而圖11誤差收斂時(shí)間小于30 ms，明顯低于圖10。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，與傳統(tǒng)組合式補(bǔ)償控制系統(tǒng)相比，采用嵌入式微控制器設(shè)計(jì)的分布式電源節(jié)能控制系統(tǒng)，性能有了很大提高。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，總諧波失真含量由0.67%下降到0.38%，誤差收斂時(shí)間由60 ms減小到30 ms以下，輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度更高，電源節(jié)能控制能力較高。

3.2 節(jié)能效果分析

為了測(cè)試本文控制方法的節(jié)能效果，實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了本文方法、動(dòng)態(tài)閾值方法以及組合式補(bǔ)償方法在不同電源負(fù)載率下的供電因子，如表3所示。

分析表3可以看出，相對(duì)于其他兩種方法，本文方法的節(jié)能性高，其他兩種控制方法的效率較低，進(jìn)行電源節(jié)能控制的節(jié)能效果不明顯。而本文方法的效率較高，節(jié)能效果較高。表3能夠獲取電源節(jié)能對(duì)比結(jié)果，如表4所示。通過(guò)表4可得，相對(duì)比其他兩種方法，本文方法進(jìn)行分布式電源節(jié)能控制過(guò)程中，節(jié)能效果顯著，應(yīng)用價(jià)值較高。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于嵌入式的分布式電源節(jié)能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中的控制器通過(guò)溫度采集模塊獲取電源溫度，傳遞給控制執(zhí)行電路，調(diào)控電源運(yùn)行狀態(tài)。充電電路將采集到的蓄電池電壓值反饋給控制器，微控制器對(duì)電壓值進(jìn)行A/D變換，按照蓄電池電壓值分析蓄電池電量，對(duì)蓄電池充電、放電過(guò)程進(jìn)行管理。通過(guò)CAN總線(xiàn)接口，完成CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)分布式電源進(jìn)行節(jié)能控制的控制能力高、節(jié)能效果顯著。

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