基于STM32 溫差發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制器設(shè)計(jì)

馬湘蓉，胡申華，徐偉業(yè)

（南京工程學(xué)院a.信息與通信工程學(xué)院；b.能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 211167）

0 引 言

溫差發(fā)電是一種利用低溫?zé)嵩赐ㄟ^熱電片將廢棄的余熱轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，具有成本低、無噪音、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是目前綠色能源研究的熱點(diǎn)［1-3］。溫差發(fā)電模塊普遍存在著供電電壓較低、輸出功率小、發(fā)電效率低等特點(diǎn)，提高熱電轉(zhuǎn)換效率一直是各國學(xué)者關(guān)注的核心問題。提高熱電轉(zhuǎn)換效率主要包括兩類方法：一種是獲取一種熱電優(yōu)值（ZT）高的熱電轉(zhuǎn)化材料［4-5］，另一種則是對溫差發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化［6-7］及冷熱源結(jié)構(gòu)優(yōu)化［8-9］。熱電片在工作中時(shí)由于溫差可能時(shí)刻在變化，無法保證其輸出的電能始終以最大功率輸出，設(shè)置最大功率跟蹤（Maximum Power

Point Tracking，MPPT）環(huán)節(jié)是必不可少的。傳統(tǒng)的MPPT控制算法有擾動(dòng)觀察法［10］、電導(dǎo)增量法［11］、恒定電壓法［12］。隨著智能算法的興起，越來越多的智能算法被應(yīng)用到MPPT，推動(dòng)了MPPT 技術(shù)的迅速發(fā)展，為MPPT解決更復(fù)雜多變場景的最大功率追蹤成為可能［13］。為在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)MPPT 算法，硬件控制電路是基礎(chǔ)和前提。在前期工作中，對熱電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制電路進(jìn)行了仿真及元器件參數(shù)的確定［14］。在此基礎(chǔ)上，采用STM32F103C8T6 芯片，設(shè)計(jì)了控制電路并利用Multisim軟件進(jìn)行了仿真，并對電路中各元器件的選擇和優(yōu)化，完成控制器硬件制作并進(jìn)行了測試，測試表明，可實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤，為MPPT 控制策略的實(shí)現(xiàn)提供了硬件保障。

1 MPPT控制原理及組成

1.1 MPPT控制器工作原理［15］

熱電系統(tǒng)在工作時(shí)，最大功率控制器的信號采集端不斷地采集熱電設(shè)備負(fù)載上的電壓和電流，通過計(jì)算功率的變化來調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制波（Pulse Width Modulation，PWM）的占空比朝著預(yù)期方向變化，使其能始終工作在最大功率點(diǎn)，達(dá)到提高熱電轉(zhuǎn)換效率的目的。嵌入式系統(tǒng)具有便攜、價(jià)廉、開發(fā)速度快和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)采用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行MPPT 設(shè)計(jì)。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖1 所示，包括檢測模塊、單片機(jī)控制模塊、顯示模塊、驅(qū)動(dòng)電路、升壓式Boost 型DC-DC 轉(zhuǎn)換電路等。

圖1 熱電片控制器系統(tǒng)框圖

1.2 電路設(shè)計(jì)的基本思路

利用檢測電路對熱電片電源的輸出電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將其轉(zhuǎn)換成STM32 可以辨識的范圍，利用單片機(jī)的A／D 轉(zhuǎn)換電路將所輸入的電壓從模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，利用MPPT 控制算法改變PWM 波的占空比，將PWM波經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大后，接入Boost升壓電路，用于控制電路開關(guān)管的導(dǎo)通或斷開，以達(dá)到改變輸出電壓的目的，改變溫差發(fā)電設(shè)備的輸出功率，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤。

2 器件及參數(shù)

2.1 STM32F103C8T6 芯片介紹

設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6 單片機(jī)芯片，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)128 KB的閃存和20 KB的SRAM），豐富的增強(qiáng)I／O 端口和連接到2 條APB 總線的外設(shè)。此器件包含2 個(gè)12 bit的A／DC、3 個(gè)通用16 bit 定時(shí)器和1 個(gè)PWM 定時(shí)器。包含多達(dá)2 個(gè)I2C 接口和SPI接口、3 個(gè)USART接口、一個(gè)USB接口和一個(gè)CAN接口。供電電壓為2.0～3.3 V，包含－40 ℃～＋85 ℃溫度范圍和－40 ℃～105 ℃的擴(kuò)展溫度范圍。通過SWD串行調(diào)試接口可將程序燒錄芯片中，其封裝體積小價(jià)格較低，性價(jià)比高。

2.2 電流、電壓檢測電路

檢測電路設(shè)計(jì)的基本方案是從溫差發(fā)電設(shè)備上獲取設(shè)備的電流、電壓，通過運(yùn)算放大電路對該信號進(jìn)行合理放大，轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識別范圍內(nèi)的電壓，通過A／D轉(zhuǎn)換，再通過最大功率追蹤算法進(jìn)行分析處理實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。為實(shí)現(xiàn)微小信號的放大功能，設(shè)計(jì)中使用了同相比例放大器。

2.2.1 電流檢測電路

要實(shí)現(xiàn)對0.2、0.5 A 的電流檢測，要先將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)放大電路將該信號放大至STM32 單片機(jī)的工作范圍之內(nèi)。電路設(shè)計(jì)中選擇將阻值為0.1 Ω 的電阻串聯(lián)至采樣處，通過電路設(shè)計(jì)0.2 和0.5 A的電流分別經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)化為0 和50 mV的電壓，然后再通過放大電路實(shí)現(xiàn)電壓放大。

由于STM32 單片機(jī)可識別范圍為2.0～3.3 V的電壓，須將獲取的20、50 mV 電壓放大到能夠使單片機(jī)有效識別的范圍之內(nèi)。對于20 mV 電壓的檢測，使其經(jīng)放大后電壓值在2.0～3.3 V 之內(nèi)。選擇電路放大倍數(shù)為101［16］，則

設(shè)置電路參數(shù)R1＝1 kΩ，Rf＝100 kΩ；同理，對于50 mV電壓的檢測，選擇電路放大倍數(shù)為51，可設(shè)置電路參數(shù)R1＝1 kΩ，Rf＝50 kΩ，理論上通過放大電路可將電壓放大到2.55 V。

用Multisim軟件進(jìn)行仿真的電路如圖2 所示，此次電路設(shè)計(jì)中的運(yùn)算放大芯片采用OPA2234，該系列芯片的精確度高、尺寸較小且?guī)缀醪淮嬖诹闫?/p>

圖2 0.2 A檢測電流的仿真電路

放大電路仿真結(jié)果如圖3、4 所示，可觀測到經(jīng)運(yùn)算放大電路放大后得到的電壓值為2.027 V 和2.569 V，和理論值相比誤差很小。

圖3 0.2 A檢測電流的仿真結(jié)果

圖4 0.5 A檢測電流的仿真結(jié)果

2.2.2 電壓檢測電路

與電流檢測電路一樣，電壓檢測電路同樣要實(shí)現(xiàn)檢測電壓的功能，也必須將電壓值放大到一定范圍之內(nèi)，使單片機(jī)能夠識別該電壓值，單片機(jī)的電壓識別范圍為2～3.3 V，無法直接識別5 mV 的電壓。為使單片機(jī)能夠有效識別，將5 mV 電壓經(jīng)過放大電路放大至2.5 V，即采用500 倍放大倍數(shù)。電路中的電阻阻值設(shè)置R1＝2 kΩ，Rf＝1 000 kΩ，根據(jù)同相比例放大倍數(shù)計(jì)算公式可求得放大倍數(shù)為501，由于此時(shí)放大倍數(shù)較大，因此在電路設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意盡量減少干擾，否則會(huì)影響檢測結(jié)果，并使得誤差較大，導(dǎo)致控制功能的實(shí)現(xiàn)受到一定影響。對電壓檢測電路進(jìn)行仿真的電路如圖5 所示。

圖5 5 mV檢測電壓的仿真電路

圖6 為檢測5 mV 電壓的仿真結(jié)果，結(jié)果顯示經(jīng)放大后的電壓為2.520 V，與理論結(jié)果差別不大。由于需要分別將電流、電壓放大不同倍數(shù)，因此選擇了OPA系列中另一款四通道芯片OPA4188，該芯片同樣具有精度較高、零點(diǎn)漂移小等優(yōu)點(diǎn)，其封裝類型為SOP-14，工作溫度在－40 ℃～125 ℃。

圖6 5 mV檢測電壓的仿真結(jié)果

3 驅(qū)動(dòng)電路

電路要求Boost升壓電路能夠利用單片機(jī)輸出的PWM 波來驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)改變輸出電壓的目的。由于STM32 單片機(jī)輸出的PWM 波功率不足，如直接將其輸入升壓電路中，可能會(huì)導(dǎo)致輸出波形出現(xiàn)失真現(xiàn)象。通過設(shè)計(jì)一個(gè)功率放大電路來實(shí)現(xiàn)將STM32 單片機(jī)輸出信號進(jìn)行功率放大。在設(shè)計(jì)中，選擇IR2103 芯片構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路以實(shí)現(xiàn)放大PWM 波輸出功率的功能。IR2103 是半橋驅(qū)動(dòng)器，可以用2 個(gè)組成H 橋驅(qū)動(dòng)，常用于驅(qū)動(dòng)MOSFET和IGBT，IR2103 組成的驅(qū)動(dòng)電路，具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，滿足設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)PWM 波功率放大的要求。

仿真電路中將半橋驅(qū)動(dòng)器工作電壓設(shè)置為10 V，將單片機(jī)PA8 口輸出的PWM 波接入HIN 輸入端，HO口連接示波器用以觀察驅(qū)動(dòng)電路的輸出信號。在利用仿真軟件對驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行測試時(shí)，同時(shí)接入直流升壓電路，搭建的仿真電路如圖7 所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)電路仿真

通過圖8 所示的仿真結(jié)果可看到輸出的方波波形正常，且參數(shù)符合預(yù)期。當(dāng)工作電壓設(shè)為最小值10 V時(shí)，PWM波輸出幅值為9.6 V左右。在芯片工作電壓范圍內(nèi)，通過改變芯片的工作電壓，輸出方波的幅值也會(huì)隨之改變。通過觀察可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過IR2103 組成的驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)對PWM信號的功率進(jìn)行放大。

圖8 驅(qū)動(dòng)電路仿真結(jié)果

4 Boost升壓電路

要實(shí)現(xiàn)Boost 電路的升壓功能，可通過調(diào)頻方式或脈沖寬度調(diào)制方式，采用調(diào)頻方式調(diào)制時(shí)過程不夠穩(wěn)定，且易遭到外部因素的干擾。Boost升壓電路一般采用脈沖寬度調(diào)制方式，即通過PWM 波進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路功率放大后的PWM波經(jīng)MOS管的柵極輸入，可控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，控制電感儲(chǔ)存和釋放能量的時(shí)間。若要改變電感的工作狀態(tài)和時(shí)間，可以通過改變PWM波的工作周期來實(shí)現(xiàn)。

電路中的二極管選擇快速恢復(fù)二極管1N4007，快速恢復(fù)二極管可以有效減少關(guān)斷時(shí)的消耗，同時(shí)具有降低噪聲的功能，從而提高效率。開關(guān)管采用的是N溝道MOS管IRF540，其封裝類型為TO-220AB。由于IRF540 在導(dǎo)通時(shí)的阻值較低，并且開關(guān)反應(yīng)時(shí)間較短，常用于直流轉(zhuǎn)換器，因此可以滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖9 所示為將PWM 波輸入Boost 升壓電路以控制電路完成升壓功能的仿真結(jié)果，可以看到當(dāng)輸入電壓為5 V時(shí)，經(jīng)過Boost升壓電路升壓最終輸出電壓為7.6 V左右。

圖9 Boost升壓電路仿真結(jié)果

5 熱電片控制器

經(jīng)仿真分析確定電路設(shè)計(jì)后，利用Altium Designer軟件繪制控制器電路原理圖。原理圖要確保各元件的引腳嚴(yán)格對應(yīng)，封裝類型選擇正確，在確認(rèn)原理圖繪制完整無誤之后，將所有元件封裝導(dǎo)入PCB，根據(jù)元件的連接進(jìn)行合理布局并手動(dòng)布線，布局時(shí)要避免元件之間的干擾，同時(shí)布線時(shí)要將電源線加粗，防止出現(xiàn)供電不足，總體布線也要使得電路板整體美觀。

焊接完成后，如圖10 所示，將該控制器接入如圖11 所示的熱電系統(tǒng)。

圖10 MPPT控制器系統(tǒng)

圖11 熱電發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該熱電系統(tǒng)使用TG12-6-02 型熱電片，如圖12所示。

圖12 熱電片實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)中一共使用了12 片熱電片，分成3 組，通過改變這3 組外接負(fù)載電阻的阻值，可獲得熱電片組電流和功率關(guān)系特性曲線，典型的特性曲線如圖13 所示。可見，每組特性曲線呈現(xiàn)拋物線狀，都存在一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)。由電路理論可知，該點(diǎn)為負(fù)載電阻與電源內(nèi)阻相等時(shí)的狀態(tài)點(diǎn)。

圖13 輸出電流與輸出功率特性

測試時(shí)，通過讀取電路輸出電流和電壓與采集模塊的采集數(shù)值進(jìn)行對照，一致性較高，可較為準(zhǔn)確地測量電源電路的電壓和電流。將PWM 波頻率設(shè)為20 kHz，占空比為0.5，并將示波器接好觀察輸出電壓，電路連接如圖11 所示，此時(shí)熱電片的輸出電壓為4 V。經(jīng)測試BOOST電路將電壓從4 V升高到7.64 V，波形如圖14 所示。

圖14 經(jīng)Boost升壓電路輸出波形

6 結(jié) 語

在熱電供電系統(tǒng)中，為提高熱電轉(zhuǎn)換效率，MPPT控制器是不可或缺的部分。在前期研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)完成了溫差發(fā)電熱電片控制器硬件電路制作，該控制器具有以下特點(diǎn)：

該控制器提供3 路電壓電流測量，可對三路熱電電源進(jìn)行最大功率跟蹤；

電路簡單，測量精度高，選用STM32 系列芯片，能滿足經(jīng)典的MPPT 算法（如擾動(dòng)觀察法，電導(dǎo)增量法等）和智能MPPT算法對硬件的要求。

該控制器能為仿真研究提供良好的驗(yàn)證途徑，進(jìn)一步提升研究的水平和價(jià)值。