基于嵌入式目标模块的太阳能LED照明控制系统研究[1]

　　摘要: 太阳能LED 照明系统作为新型照明方式，不仅具有独立光伏照明系统的诸多优点，如清洁无污染、无需长距离输电导线等，还具有LED 照明的发光效率高、光线柔和、光伏电池设计容量小等诸多优势。但系统需实现最大功率点跟踪(MPPT) 控制、LED 非线性负载放电控制和蓄电池充放电控制等功能，对控制具有较高要求。本文对控制系统要求进行分析，分别进行了MPPT、充电策略和LED 放电控制的研究，并采用MATLAB /Simulink 对主电路和控制系统进行仿真。基于仿真模型，采用嵌入式目标模块eZdsp 生成TSM320F2812 DSP 控制程序，对仿真模型进行快速转化，并在硬件平台对具体控制系统进行实现。系统具有动态响应快、启动电流平滑、稳态精度高等优点，从而得出适合太阳能LED 照明系统的控制方法。

　　关键词: 嵌入式目标模块; 最大功率点跟踪; LED 照明

　　中图分类号: TM923. 34 文献标识码: A 文章编号: 1003-3076(2010)03-0076-05

　　1 引言

　　太阳能作为重要的新能源，具有清洁无污染、储量巨大、便于利用等优点;LED(发光二极管)照明系统具有寿命长、发光效率高等优点，也开始广泛应用于照明;太阳能LED 照明系统集中了太阳能和LED的诸多优点，具有很好的市场前景。但其具有自身的缺陷:太阳能电池板输出伏安特性(V-I)曲线为非线性，只有工作在特定电压下才能输出最大功率，需要进行最大功率点跟踪(MPPT) 控制;LED 灯的伏安特性曲线近似为指数函数，因此对控制精度要求较高，否则容易损坏;蓄电池作为储能元件，需要可靠合理的充放电管理策略，才能延长其使用寿命。

　　本文根据上述问题，分别进行了MPPT 控制研究、LED 恒流控制研究和蓄电池充放电策略研究，采用MATLAB /Simulink 进行系统主电路和控制算法综合仿真，得出较为理想的控制效果和控制参数，并对控制模型进行移植，利用Embedded Target forTI C2000 DSP 嵌入式目标模块生成控制代码，由TMS320F2812 DSP 进行实际系统控制，从而将仿真控制算法在实际系统中快速准确地实现。

　　2 系统控制要求分析与实现方法

　　太阳能LED 照明系统包括光伏阵列、蓄电池、LED 阵列灯和控制器几个部分。其控制器需实现整个系统充放电控制，对光伏阵列、蓄电池和LED灯工作状态进行实时检测，并实现充放电切换过程，既要保证光伏阵列最大功率输出，又要保证蓄电池使用寿命和LED 灯安全工作。

　　2. 1 MPPT 控制的优化实现

　　目前MPPT 控制研究较多，方法各异，控制效果各不相同，因此需要选取一种适合实际系统的合理方法。根据文献［1-3］，选取适合小型独立系统的干扰观测法，并对其进行改进，完全可以满足控制需要。

　　传统的干扰观测法在光伏系统中应用最为广泛，能快速准确进行MPPT 控制，但存在最大功率点附近反复振荡和特殊情况下误判断的问题，如光照强度剧烈变化［3，4］。

　　通过对传统方法的扰动步长Δs 进行动态调整，即当外界条件变化剧烈时，适当加大扰动步长和控制周期，当系统运行接近稳态时，减小扰动步长和控制周期，可提高系统动稳态精度，有效避免传统方法的反复振荡。同时，通过变步长方法，可以在检测到功率变化值ΔP 较大时，锁定扰动步长为0，当系统处于相对稳定之后继续最大功率点搜索，即可有效解决传统方法的误判断现象。

　　2. 2 LED 灯恒流控制的优化实现

　　LED 灯负载伏安特性曲线近似为一指数函数，在额定功率附近di /dU 比值非常大，对系统控制要求较高［5］，若采用单环控制，系统阶数低，LED 负载电压电流动态响应和稳态精度不可兼顾，很难保证效果。为此根据实际控制系统需要，建立恒电流双环控制模型框图如图1 所示:

　　系统通过Iset设置运行参考电流，控制系统由电压电流传感器获得采样数据，经系统框图算法最终输出PWM 脉冲作用于开关器件MOSFET 门极以实现系统控制。采用恒电流双环控制，提高了系统阶数，并且以参考电流为最终控制对象，有利于提高LED 负载电流平滑稳定。

　　2. 3 系统充放电策略选取

　　蓄电池在使用过程中，充放电策略对其寿命具有重要影响［6，7］。由于系统需要尽可能最大功率输出并储存以充分利用光伏阵列，因此充电策略需要既满足MPPT 需求，也能解决蓄电池寿命问题。选取以下充电策略可以满足要求:MPPT 充电控制:在电池端电压低于设定值Vset时，采用MPPT 控制进行最大功率充电，尽可能保证光伏阵列输出最大功率，提高光伏阵列利用率;限功率充电控制:当蓄电池端电压达到Vset时，采用限功率充电控制，设定充电功率P ≤ Pset，此时充电电流iP小于MPPT 充电电流iMPP，系统不再进行MPPT 控制;浮充控制:当蓄电池端电压接近饱和电压Vf时，系统进一步降低充电电流，严格控制充电电压Vc = Vf，进入小电流浮充阶段，最终完成整个充电过程。

　　2. 4 基于嵌入式目标模块的控制程序生成

　　根据MATLAB /Simulink 仿真模型，利用Simulink中Embedded Target for TI C2000 模块，对控制算法进行移植，并加入eZdsp 模块对DSP 资源进行配置，即可快速编译生成控制系统中TMS320F2812DSP 的控制代码。由于采用了算法移植，使仿真结果能快速准确地在实际系统中得到验证，并依据仿真结果可对控制算法进行快速修改，大大提高效率［8］。

　　3 仿真和实验

　　在MATLAB /Simulink 仿真中，建立如图2 的主电路模型，主要由Buck 主电路、传感器和光伏阵列模型组成。