基于ARM平台的光伏水泵控制系统设计

【摘要】：课题研究与设计了基于ARM平台的光伏水泵控制系统，其主要目的是为了解决国内外偏远地区、用水用电困难地区的人畜饮水、生活用水问题，以及推动基于自动灌溉技术环保智能农业的发展。不仅仅要求完成基本的提水功能，还要在效率、可靠性，稳定性、通用性以及供电模式管理等性能方面作进一步提高，并且控制器必须从系统层面做出通盘考虑，以保证系统的基本功能与高性能指标的实现。同时本项目开发的系统直接面向的是国内外市场，所以在成本方面也有严格要求。 在详细分析了客户对功能、性能的需求后，本文在深入研究了光伏水泵系统结构和直流无刷电机工作原理的基础上，完成了本课题的硬件电路和系统软件设计，同时还完成了光伏水泵控制系统的样机制作，并搭建了光伏水泵系统的测试平台。论文对系统设计过程中所涉及的关键技术问题及相关理论，进行了详细的理论分析和MATLAB仿真。 其主要内容有： 1.分析了光伏水泵的系统构成，设计出以STM32F103XX为控制核心、三相桥式逆变主电路为基础的光伏水泵控制器的整体架构。 2.通过对直流无刷电机工作原理的综合分析，掌握了本课题设计的两大关键技术问题：电机的定位启动技术；电机转子的位置检测技术。 3.分析比较了直流无刷电机启动的多种启动控制方案，对外同步三段式电机启动方法做了相应的改进，通过实际的运行试验，获得良好运行的效果。 4.重点分析了无位置传感器直流无刷电机的内转子位置检测方法，对基于反电动势虚拟中性点检测方法，做了详细的理论推导和证明，给出了该方法的Matlab仿真模型，得到了预期的仿真效果。 5.分析了本系统的多种供电方式，提出了智能选择的实现方案，获得了良好的测试效果。 6.比较了铅酸蓄电池充电管理的众多方案，对五段式充电管理方法作了详细介绍，实践测试效果良好。 【关键词】：光伏水泵系统 直流无刷电机 STM32F103XX 反电动势 充电管理
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-18
• 1.1 光伏水泵技术的应用概况12-15
• 1.1.1 光伏技术在国内外发展概况13-14
• 1.1.2 直流无刷电机技术的研究与发展趋势14-15
• 1.2 本课题的研究内容与目的15-16
• 1.3 全文结构16-18
• 第二章 光伏水泵的系统组成与工作原理18-27
• 2.1 光伏水泵的系统组成18-20
• 2.2 内转子直流无刷电机的工作原理20-25
• 2.2.1 磁极在磁场中受力分析20-21
• 2.2.2 三相两极无刷电机的构造及转矩理论分析21-25
• 2.3 光伏水泵系统的关键技术25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 直流无刷电机控制策略和转子定位启动方法研究27-39
• 3.1 直流无刷电机换相控制策略研究27-32
• 3.1.1 直流无刷电机换相控制电路27-29
• 3.1.2 直流无刷电机超前换相和滞后换相的对比分析29-32
• 3.2 MPPT 控制策略研究32-34
• 3.3 直流无刷电机转子定位启动实现方案比较分析34-38
• 3.3.1 预定位两段式启动法34-35
• 3.3.2 外同步三段式启动方法35-36
• 3.3.3 升频升压式启动方法36
• 3.3.4 短时检测脉冲转子的方法36-37
• 3.3.5 改进型的三段式启动方法37-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 无位置传感器直流无刷电机转子位置检测方法研究39-53
• 4.1 位置检测实现方案的比较分析39-43
• 4.1.1 磁阻检测方法39
• 4.1.2 端电压位置检测法39-40
• 4.1.3 MOS 管内部续流二极管导通法40-41
• 4.1.4 卡尔曼状态观察法41
• 4.1.5 反电动势虚拟中性点法41-43
• 4.2 反电动势的虚拟中性点检测法理论推导证明43-45
• 4.3 基于 Matlab/Simulink 直流无刷电机控制系统各仿真模块的简介45-49
• 4.3.1 直流无刷电机模块45-46
• 4.3.2 NMOS 主电路模块46-47
• 4.3.3 反电动势模块47
• 4.3.4 反电动势控制模块47-49
• 4.4 基于反电动势的虚拟中性点检测法理论仿真实践49-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第五章 光伏水泵系统供电管理53-64
• 5.1 系统供电管理整体结构框图53-57
• 5.2 蓄电池充电管理策略研究57-61
• 5.2.1 直接充电法57-58
• 5.2.2 恒定电压法58-59
• 5.2.3 恒定电流法59
• 5.2.4 恒定电压控制电流法59-60
• 5.2.5 两阶段、三阶段法60
• 5.2.6 均衡充电法60-61
• 5.3 五段式充电管理的实现61-63
• 5.4 本章小结63-64
• 第六章 光伏水泵控制系统软件设计64-74
• 6.1 系统主程序模块64-65
• 6.2 电机定位启动模块65-66
• 6.3 AD 采样模块66-67
• 6.4 MPPT 模块67-68
• 6.5 蓄电池管理模块68-69
• 6.6 异常监测与处理模块69-73
• 6.7 本章小结73-74
• 第七章 系统调试74-83
• 7.1 样机调试波形与总结75-78
• 7.1.1 改进型三段式启动波形75
• 7.1.2 电机启动模型 D-F 曲线图75-76
• 7.1.3 虚拟中性点法的反电动势实际波形76-78
• 7.2 MPPT 电压电流采样数据校正78-79
• 7.3 现场整机测试79-82
• 7.3.1 蓄电池供电测试结果79-80
• 7.3.2 光伏测试结果80-81
• 7.3.3 整机测试中碰到的问题81-82
• 7.4 本章小结82-83
• 第八章 全文总结及工作展望83-85
• 致谢85-86
• 参考文献86-89
• 攻硕期间取得的研究成果89-90

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