基于嵌入式的分布式电源节能控制系统的设计与实现

蒋俊祁

摘 要： 分布式电源改变了传统节能调度方法的刚性特征，使传统节能调度模式无法适应分布式电源的功耗管理的多样性需求，节能效果较差。因此，设计基于嵌入式的分布式电源节能控制系统，系统中的控制器通过温度采集模块获取电源温度，传递给控制执行电路，调控电源运行状态。充电电路将采集到的蓄电池电压值反馈给控制器，微控制器对电压值进行A/D变换，按照蓄电池电压值分析蓄电池电量，对蓄电池充电、放电过程进行管理。通过CAN总线接口，完成CAN总线数据的收发，实现电源功耗的网络化远程控制。软件设计中，给出LPC11C14控制器软件流程，电源控制软件流程图以及关键代码。实验结果表明，所设计系统对分布式电源进行节能控制的控制能力高、节能效果显著。

关键词： LPC11C14； 分布式电源； 节能控制； 温度采集模块

中图分类号： TN86?34； TP211 文献标识码： A 文章编号： 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

随着社会经济的快速发展，电源系统在人们的生产和生活中具有重要应用价值，但是其对电力的供应和环境污染带来了较大的威胁。节能、环保成为当前电源的主题。分布式电源具有近距离供电、降低集中输变电成本、增强供电稳定性等优点，在电网中具有重要的应用价值[1?2]。智能化、分布式电源节能控制系统是当前提倡环保、节能大背景下的一项重要应用技术。因此，寻求有效方法对分布式电源系统进行节能控制，成为当前相关人员分析的热点方向[3?5]。

以往的电源节能控制方法存在一定的弊端，如文献[6]提出了组合式补偿的电源节能控制方案，对输入电源的功率变化进行组合式补偿，完成电源功率的控制。该方法的控制存在较高的偏差，需要耗费大量的时间。文献[7]通过相控有源逆变方法实现电源负载的控制，其采用相控整流逆变电路将电源能量回馈至电网，减少电源的温升量，进而大大降低电源耗能。然而该方法导致电源交流侧输入端电流畸变严重，使得电源稳定性降低。

针对上述分析问题，设计基于嵌入式的分布式电源节能控制系统。系统的硬件由嵌入式微控制器LPC11C14、温度采集模块、控制执行电路、蓄电池充电电路、电源转换及开关控制电路以及CAN总线接口电路组成。实验结果表明，所设计系统对分布式电源进行节能控制的控制能力高、节能效果显著。

1 基于嵌入式的分布式电源节能控制系统

1.1 电源节能控制系统硬件设计

电源节能控制系统的硬件主要包括嵌入式微控制器LPC11C14、温度采集模块、控制执行电路、蓄电池充电电路、电源转换及开关控制电路、电源供电电路以及CAN总线接口电路。硬件系统结构的设计框图如图1所示。

控制器通过温度采集模块获取电源温度，传递给控制执行电路，调控电源运行状态。充电电路将采集到的蓄电池电压值反馈给控制器，嵌入式微控制器LPC11C14对电压值进行A/D变换，按照蓄电池电压值分析蓄电池电量，对蓄电池充电、放电过程进行管理。蓄电池的输出电压接入电源开关控制的常开输入端，当蓄电池电压不足时，由LPC11C1控制器控制电源开关动作，将电源供电电路的电源切换至市电供电；当蓄电池电量充足时，则由蓄电池向电源供电。通过CAN总线接口，完成CAN总线数据的收发，实现电源功耗的网络化远程控制。

1.2 温度采集模块设计

如图2所示，温度传感器采用单线数字温度传感器芯片DS18B20，其能够将被测温度变换成数字信号，存到信号存储器中，通过I2C总线反馈给单片机。该温度传感器检测到的温度区间为[-50 ℃，120 ℃]。通过I2C总线完成单片机与温度传感器间的数据传输。DS18B20为单线器件，应在一根数据线上完成数据的双向传递，并且在传递过程中通过8位CPC生成器约束读写数据的时序。对DS18B20进行精确温度变换过程中，I/O线可向温度变换过程提供能量。DS18B20采用温度灵敏元件感应电源温度，通过低温触发器和高温触发器，输出采集低温和高温信号。

1.3 控制执行电路设计

如图3所示，控制执行电路由STC89C52RC单片机到小继电器，再到单相稳态继电器。小继电器可对单片机和稳态继电器进行隔离，保护单片机；驱动单相温度继电器的运行，并且对监控单相稳态继电器运行情况的指示器进行设置。采用DC?AC SSR?60DA过零型单相稳态继电器，控制执行电路的控制电压为DC 2～28 V、电流为5～10 mA，额定运行电压为AC 20～360 V，额定最大运行电流为50 A。

1.4 CAN总线接口设计

CAN总线节点接口对控制系统中设备的正常运行具有重要价值。CAN通过CANH和CANL两个数据线完成数据通信。采用隔离CAN收发器模块CTM1050T，通过简单连接完成CAN硬件结构的设计。M1050T芯片内部集成了CAN总线所需的CAN收发器件和电气隔离电路，隔离电压为DC 2 500 V，可连接CAN控制器和CAN总线。该芯片的总线速率应用区间为[40 Kb/s，1 Mb/s]，能够与其他CAN收发器模块进行互操作。CTM1050T的控制器收发端支持3.3 V和5 V的控制器，其CAN接口电路无需添加其他外围器件，运行电压为5 V，TXD和RXD能够同LPC11C14的CAN总线数据发送端CAN_TXD和CAN_RXD连接，CAN总线接口电路如图4所示。

1.5 嵌入式微控制器LPC11C14

在分布式智能化電源系统中，控制器是系统的核心部分，承担着能耗控制算法的实现，CAN节点数据通信、供电系统变换以及显示接口输出等任务。采用LPC11C14作为电源节能控制系统的控制器核心，LPC11C14是依据ARM Cortex?M0运行的微控制器，主要用于实现高集成度以及低功耗的嵌入式应用。LPC11C14的CPU运行频率为48 MHz，其外设有32 KB的FLASH、8 KB的数据存储器、一个RS 485/EIA?485 UART、4个通用定时器和40个通用I/O引脚。LPC11C14的最小系统结构图如图5所示。

LPC11C14控制器的Cortex?M0内核中存在10 MHz的RC振荡器，控制器中的CPU在复位或上电过程中，将内部RC振荡器当成主时钟源，确保LPC11C14在无外部晶振状态下工作。为了增强系统的平稳性，采用12 MHz的外部晶振电路为系统提供时钟源。在上电或任何片上复位时，LPC11C14 将IRC当成时钟源，通过编程变换到外部时钟源。内部RC振荡器能够知道看门狗定时器（WDT）的时钟源，驱动PLL和CPU的时钟源。因为IRC精度较低，采用精度较高的外部晶振当成系统时钟源，时钟电路选择12 MHz的外部晶振电路，具体接法如图6所示，在XTALIN和XTALOUT间融入12 MHz晶振，两引脚采用22 pF的瓷片电容接地。

2 软件流程与控制算法

2.1 LPC11C14控制器的软件流程设计

LPC11C14控制器上的软件流程，需要完成以下功能：

（1） 对温度采集模块获取的温度信号和蓄电池取样电压值进行A/D转换。

（2） 比较Q1和Q2，Q3和Q4的温度信号的大小，通过控制执行电路驱动控制器的运行。当温度信号低于一定阈值，认为能量不足，停止温度采集模块运行，降低电源功耗。

（3） 对蓄电池电压取样电压进行A/D转换，判断当前蓄电池状态，当蓄电池电量不足时，将电源供电电路供电转向市电供电。

（4） 将当前的电源系统工作状态数据发送到CAN总线上进行远程传输，并接收来自CAN总线的报文，根据报文控制电源电路。

（5） 根据需求，通过CAN总线远程控制电源开关。

系统的软件流程图如图7所示。

2.2 电源控制软件流程设计

电源控制软件实现代码如下：

#define DY_DSCH=1； /*电源默认工作模式1*/

#define DY_MU=0； /*电源默认状态终止*/

#define Light_Level 1 000； /*电源开关光线检测门限*/

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

**程序名：DY_Init

**程序功能：电源DY控制端口初始化

**程序说明：控制端口定义、PIO3_4控制电源开关、PIO3_4控制市电、蓄电池供电

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

Void DY_Init（void）

{

LPC_REUW?>PIO3_4&=（?0X07）；

/*将PIO3_4、PIO3_5初始化成GPIO功能*/

LPC_REUW?>PIO3_5&=（?0X07）；

LPC_GPIO3?>DIR=0x0030；

/*将WQKS_2～QKS_5方向设置成输出*/

LPC_GPIO3?>DATA=0x0030；

/*将WQKS_2～WQKS_5初始化输出高电平*/

If（LED_DSCH==1）{

Light_YION==（ADCProcess（1）+ADCProcess（2）+ADCProcess（3）+ADCProcess（4））/4 /*求Q1～Q4温度信号均值*/

if（Light_YION

/*温度高于门限值则开启电源开关*/

DY_MU=1；

Else /*温度高于门限值则开启电源开关*/

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；

/*運算蓄电池实际电压值 */

If（Battery_Vol>10 500） /*蓄电池电压高于10.5 V */

LPC_GPIO3?>DATA=0x0020； /*蓄电池供电*/

else

LPC_GPIO3?>DATA&=（?0x0020）； /*市电供电 */

LPC_GPIO3?>DATA=0x0010； /*电源开关启动*/

}

else

LPC_GPIO3?>DATA=（?0x0010）； /*电源开关关闭*/

}

3 实验分析

通过实验验证本文方法的有效性，实验对某电源系统的能耗进行节能控制，对比分析本文设计的基于嵌入式的分布式电源节能控制系统和传统电源节能控制系统的性能。

3.1 控制能力分析

实验对节能控制系统的控制能力进行验证，表1为不同阻性负载下的节能控制系统输出电压。表2为不同直流母线电压下系统空载输出电压。可以看出本文控制系统在不同负载条件下可输出平稳的电压。

图8和图9为整流型负载下控制系统输出电压、电流波形和电压频谱曲线。由于采用嵌入式微控制器设计了分布式电源控制系统，本文控制系统在中低频段有更好的谐波抑制效果，总谐波失真含量由开始时的9.52%降至0.38%。分析图9可以看出，本文控制系统的中低次谐波的衰减明显加强，但是高次谐波的衰减未发生显著波动，说明本文节能控制方法的稳定性较高。

表2 母线电压变化时系统输出电压

采用嵌入式LPC11C14核心控制器设计的控制系统在中低频段的特性基本无影响。本文控制系统对各次谐波都有较快的收敛速度。图10和图11分别为组合式补偿控制系统和本文控制系统误差收敛过程，图10中误差收敛速度约为50 ms，而图11误差收敛时间小于30 ms，明显低于图10。

上述实验结果说明，与传统组合式补偿控制系统相比，采用嵌入式微控制器设计的分布式电源节能控制系统，性能有了很大提高。在相同实验条件下，总谐波失真含量由0.67%下降到0.38%，误差收敛时间由60 ms减小到30 ms以下，输出电压的稳态精度更高，电源节能控制能力较高。

3.2 节能效果分析

为了测试本文控制方法的节能效果，实验对比分析了本文方法、动态阈值方法以及组合式补偿方法在不同电源负载率下的供电因子，如表3所示。

分析表3可以看出，相对于其他两种方法，本文方法的节能性高，其他两种控制方法的效率较低，进行电源节能控制的节能效果不明显。而本文方法的效率较高，节能效果较高。表3能够获取电源节能对比结果，如表4所示。通过表4可得，相对比其他两种方法，本文方法进行分布式电源节能控制过程中，节能效果显著，应用价值较高。

4 结 论

本文设计了基于嵌入式的分布式电源节能控制系统，系统中的控制器通过温度采集模块获取电源温度，传递给控制执行电路，调控电源运行状态。充电电路将采集到的蓄电池电压值反馈给控制器，微控制器对电压值进行A/D变换，按照蓄电池电压值分析蓄电池电量，对蓄电池充电、放电过程进行管理。通过CAN总线接口，完成CAN总线数据的收发，实现网络化远程控制。实验结果表明，所设计系统对分布式电源进行节能控制的控制能力高、节能效果显著。

参考文献

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