基于嵌入式的分布式電源節能控制系統的設計與實現

蔣俊祁

摘 要： 分布式電源改變了傳統節能調度方法的剛性特征，使傳統節能調度模式無法適應分布式電源的功耗管理的多樣性需求，節能效果較差。因此，設計基于嵌入式的分布式電源節能控制系統，系統中的控制器通過溫度采集模塊獲取電源溫度，傳遞給控制執行電路，調控電源運行狀態。充電電路將采集到的蓄電池電壓值反饋給控制器，微控制器對電壓值進行A/D變換，按照蓄電池電壓值分析蓄電池電量，對蓄電池充電、放電過程進行管理。通過CAN總線接口，完成CAN總線數據的收發，實現電源功耗的網絡化遠程控制。軟件設計中，給出LPC11C14控制器軟件流程，電源控制軟件流程圖以及關鍵代碼。實驗結果表明，所設計系統對分布式電源進行節能控制的控制能力高、節能效果顯著。

關鍵詞： LPC11C14； 分布式電源； 節能控制； 溫度采集模塊

中圖分類號： TN86?34； TP211 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著社會經濟的快速發展，電源系統在人們的生產和生活中具有重要應用價值，但是其對電力的供應和環境污染帶來了較大的威脅。節能、環保成為當前電源的主題。分布式電源具有近距離供電、降低集中輸變電成本、增強供電穩定性等優點，在電網中具有重要的應用價值[1?2]。智能化、分布式電源節能控制系統是當前提倡環保、節能大背景下的一項重要應用技術。因此，尋求有效方法對分布式電源系統進行節能控制，成為當前相關人員分析的熱點方向[3?5]。

以往的電源節能控制方法存在一定的弊端，如文獻[6]提出了組合式補償的電源節能控制方案，對輸入電源的功率變化進行組合式補償，完成電源功率的控制。該方法的控制存在較高的偏差，需要耗費大量的時間。文獻[7]通過相控有源逆變方法實現電源負載的控制，其采用相控整流逆變電路將電源能量回饋至電網，減少電源的溫升量，進而大大降低電源耗能。然而該方法導致電源交流側輸入端電流畸變嚴重，使得電源穩定性降低。

針對上述分析問題，設計基于嵌入式的分布式電源節能控制系統。系統的硬件由嵌入式微控制器LPC11C14、溫度采集模塊、控制執行電路、蓄電池充電電路、電源轉換及開關控制電路以及CAN總線接口電路組成。實驗結果表明，所設計系統對分布式電源進行節能控制的控制能力高、節能效果顯著。

1 基于嵌入式的分布式電源節能控制系統

1.1 電源節能控制系統硬件設計

電源節能控制系統的硬件主要包括嵌入式微控制器LPC11C14、溫度采集模塊、控制執行電路、蓄電池充電電路、電源轉換及開關控制電路、電源供電電路以及CAN總線接口電路。硬件系統結構的設計框圖如圖1所示。

控制器通過溫度采集模塊獲取電源溫度，傳遞給控制執行電路，調控電源運行狀態。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對電壓值進行A/D變換，按照蓄電池電壓值分析蓄電池電量，對蓄電池充電、放電過程進行管理。蓄電池的輸出電壓接入電源開關控制的常開輸入端，當蓄電池電壓不足時，由LPC11C1控制器控制電源開關動作，將電源供電電路的電源切換至市電供電；當蓄電池電量充足時，則由蓄電池向電源供電。通過CAN總線接口，完成CAN總線數據的收發，實現電源功耗的網絡化遠程控制。

1.2 溫度采集模塊設計

如圖2所示，溫度傳感器采用單線數字溫度傳感器芯片DS18B20，其能夠將被測溫度變換成數字信號，存到信號存儲器中，通過I2C總線反饋給單片機。該溫度傳感器檢測到的溫度區間為[-50 ℃，120 ℃]。通過I2C總線完成單片機與溫度傳感器間的數據傳輸。DS18B20為單線器件，應在一根數據線上完成數據的雙向傳遞，并且在傳遞過程中通過8位CPC生成器約束讀寫數據的時序。對DS18B20進行精確溫度變換過程中，I/O線可向溫度變換過程提供能量。DS18B20采用溫度靈敏元件感應電源溫度，通過低溫觸發器和高溫觸發器，輸出采集低溫和高溫信號。

1.3 控制執行電路設計

如圖3所示，控制執行電路由STC89C52RC單片機到小繼電器，再到單相穩態繼電器。小繼電器可對單片機和穩態繼電器進行隔離，保護單片機；驅動單相溫度繼電器的運行，并且對監控單相穩態繼電器運行情況的指示器進行設置。采用DC?AC SSR?60DA過零型單相穩態繼電器，控制執行電路的控制電壓為DC 2～28 V、電流為5～10 mA，額定運行電壓為AC 20～360 V，額定最大運行電流為50 A。

1.4 CAN總線接口設計

CAN總線節點接口對控制系統中設備的正常運行具有重要價值。CAN通過CANH和CANL兩個數據線完成數據通信。采用隔離CAN收發器模塊CTM1050T，通過簡單連接完成CAN硬件結構的設計。M1050T芯片內部集成了CAN總線所需的CAN收發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。該芯片的總線速率應用區間為[40 Kb/s，1 Mb/s]，能夠與其他CAN收發器模塊進行互操作。CTM1050T的控制器收發端支持3.3 V和5 V的控制器，其CAN接口電路無需添加其他外圍器件，運行電壓為5 V，TXD和RXD能夠同LPC11C14的CAN總線數據發送端CAN_TXD和CAN_RXD連接，CAN總線接口電路如圖4所示。

1.5 嵌入式微控制器LPC11C14

在分布式智能化電源系統中，控制器是系統的核心部分，承擔著能耗控制算法的實現，CAN節點數據通信、供電系統變換以及顯示接口輸出等任務。采用LPC11C14作為電源節能控制系統的控制器核心，LPC11C14是依據ARM Cortex?M0運行的微控制器，主要用于實現高集成度以及低功耗的嵌入式應用。LPC11C14的CPU運行頻率為48 MHz，其外設有32 KB的FLASH、8 KB的數據存儲器、一個RS 485/EIA?485 UART、4個通用定時器和40個通用I/O引腳。LPC11C14的最小系統結構圖如圖5所示。

LPC11C14控制器的Cortex?M0內核中存在10 MHz的RC振蕩器，控制器中的CPU在復位或上電過程中，將內部RC振蕩器當成主時鐘源，確保LPC11C14在無外部晶振狀態下工作。為了增強系統的平穩性，采用12 MHz的外部晶振電路為系統提供時鐘源。在上電或任何片上復位時，LPC11C14 將IRC當成時鐘源，通過編程變換到外部時鐘源。內部RC振蕩器能夠知道看門狗定時器（WDT）的時鐘源，驅動PLL和CPU的時鐘源。因為IRC精度較低，采用精度較高的外部晶振當成系統時鐘源，時鐘電路選擇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計

LPC11C14控制器上的軟件流程，需要完成以下功能：

（1） 對溫度采集模塊獲取的溫度信號和蓄電池取樣電壓值進行A/D轉換。

（2） 比較Q1和Q2，Q3和Q4的溫度信號的大小，通過控制執行電路驅動控制器的運行。當溫度信號低于一定閾值，認為能量不足，停止溫度采集模塊運行，降低電源功耗。

（3） 對蓄電池電壓取樣電壓進行A/D轉換，判斷當前蓄電池狀態，當蓄電池電量不足時，將電源供電電路供電轉向市電供電。

（4） 將當前的電源系統工作狀態數據發送到CAN總線上進行遠程傳輸，并接收來自CAN總線的報文，根據報文控制電源電路。

（5） 根據需求，通過CAN總線遠程控制電源開關。

系統的軟件流程圖如圖7所示。

2.2 電源控制軟件流程設計

電源控制軟件實現代碼如下：

#define DY_DSCH=1； /*電源默認工作模式1*/

#define DY_MU=0； /*電源默認狀態終止*/

#define Light_Level 1 000； /*電源開關光線檢測門限*/

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

**程序名：DY_Init

**程序功能：電源DY控制端口初始化

**程序說明：控制端口定義、PIO3_4控制電源開關、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溫度信號均值*/

if（Light_YION

/*溫度高于門限值則開啟電源開關*/

DY_MU=1；

Else /*溫度高于門限值則開啟電源開關*/

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；

/*運算蓄電池實際電壓值 */

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； /*電源開關啟動*/

}

else

LPC_GPIO3?>DATA=（?0x0010）； /*電源開關關閉*/

}

3 實驗分析

通過實驗驗證本文方法的有效性，實驗對某電源系統的能耗進行節能控制，對比分析本文設計的基于嵌入式的分布式電源節能控制系統和傳統電源節能控制系統的性能。

3.1 控制能力分析

實驗對節能控制系統的控制能力進行驗證，表1為不同阻性負載下的節能控制系統輸出電壓。表2為不同直流母線電壓下系統空載輸出電壓?？梢钥闯霰疚目刂葡到y在不同負載條件下可輸出平穩的電壓。

圖8和圖9為整流型負載下控制系統輸出電壓、電流波形和電壓頻譜曲線。由于采用嵌入式微控制器設計了分布式電源控制系統，本文控制系統在中低頻段有更好的諧波抑制效果，總諧波失真含量由開始時的9.52%降至0.38%。分析圖9可以看出，本文控制系統的中低次諧波的衰減明顯加強，但是高次諧波的衰減未發生顯著波動，說明本文節能控制方法的穩定性較高。

表2 母線電壓變化時系統輸出電壓

采用嵌入式LPC11C14核心控制器設計的控制系統在中低頻段的特性基本無影響。本文控制系統對各次諧波都有較快的收斂速度。圖10和圖11分別為組合式補償控制系統和本文控制系統誤差收斂過程，圖10中誤差收斂速度約為50 ms，而圖11誤差收斂時間小于30 ms，明顯低于圖10。

上述實驗結果說明，與傳統組合式補償控制系統相比，采用嵌入式微控制器設計的分布式電源節能控制系統，性能有了很大提高。在相同實驗條件下，總諧波失真含量由0.67%下降到0.38%，誤差收斂時間由60 ms減小到30 ms以下，輸出電壓的穩態精度更高，電源節能控制能力較高。

3.2 節能效果分析

為了測試本文控制方法的節能效果，實驗對比分析了本文方法、動態閾值方法以及組合式補償方法在不同電源負載率下的供電因子，如表3所示。

分析表3可以看出，相對于其他兩種方法，本文方法的節能性高，其他兩種控制方法的效率較低，進行電源節能控制的節能效果不明顯。而本文方法的效率較高，節能效果較高。表3能夠獲取電源節能對比結果，如表4所示。通過表4可得，相對比其他兩種方法，本文方法進行分布式電源節能控制過程中，節能效果顯著，應用價值較高。

4 結 論

本文設計了基于嵌入式的分布式電源節能控制系統，系統中的控制器通過溫度采集模塊獲取電源溫度，傳遞給控制執行電路，調控電源運行狀態。充電電路將采集到的蓄電池電壓值反饋給控制器，微控制器對電壓值進行A/D變換，按照蓄電池電壓值分析蓄電池電量，對蓄電池充電、放電過程進行管理。通過CAN總線接口，完成CAN總線數據的收發，實現網絡化遠程控制。實驗結果表明，所設計系統對分布式電源進行節能控制的控制能力高、節能效果顯著。

參考文獻

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