基于LabVIEW与DSP的光伏水泵控制系统设计

金爱娟，郑天翔，唐新雯，纪晨烨，李文龙

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

基于LabVIEW与DSP的光伏水泵控制系统设计

金爱娟，郑天翔，唐新雯，纪晨烨，李文龙

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

针对以往光伏水泵系统设计中控制器的高效性和监测方法的可靠性较低，无法满足工作性能需要的问题。文中以光伏水泵为研究对象，基于虚拟仪器开发平台LabVIEW 和数字控制芯片DSP，设计了采用Z源逆变器控制的系统硬件电路，并通过LabVIEW的电机模拟仿真验证了系统设计的可行性，实现了从信号采集到反馈控制以及系统实时监测等多项功能，降低了系统的不稳定性，提高了系统的运行效率。

LabVIEW；Z源逆变器；光伏水泵

目前国内光伏水泵系统大多工作于偏远地区，环境因素对系统性能影响较大，且少有全面的系统安全性和可靠性检测的环节。自动化控制系统在提高生产工作效率上具有显著的优势。通过用计算机软件与硬件相结合来实现监测管理，已成为一种有效的技术手段。不但体现在节约劳动成本，加强设施系统在安全性可靠性上，同时也可提高环境耐受程度，使系统体积减小、维护成本降低。本文提出了在LabVIEW平台上设计并模拟Z源逆变器光伏水泵的控制系统，利用Z源逆变器结构简单，控制灵活等特点，在较大范围内对水泵驱动电机进行调速。选用了DSP数字芯片控制，取代传统的控制方法，提高系统的控制精度，增强系统可靠性。

1 控制系统的工作原理

光伏水泵系统控制芯片采用TMS320F2812型DSP。DSP芯片通过采样电路收集主电路中光伏电池的输出电压UPV、IPV，Z源网络中电感流IL、电容电压UC，逆变器直流侧电压Ud、电流Id，逆变器交流侧输出相电压Uab、线电流iA，异步电机输出转速v等参数。dsp芯片对收集的电路进行处理，通过控制驱动电路，输出控制信号控制开关管Q0～Q6的导通状态和占空比，实现对光伏水泵系统的闭环控制。

光伏水泵控制系统需要检测主电路中的多个电压、电流值，并将检测到的信号输入控制芯片DSP2812，DSP2812生成驱动信号，控制主电路中的功率开关管。根据图1可知，控制芯片DSP2812需要检测的电路信号有：光伏电池板输出电压UPV、输出电流IPV，用于光伏电池的MPPT控制；Z源逆变器中电感电流iL、电容电压uC、逆变器直流侧电压ud和电流id，用于控制和调整逆变器直流侧输入电压和电流；Z源逆变器交流侧输出电流IA、IB和输出电压UA和UB，用于控制异步电机调速；用速度传感器检测异步电机转速V，并将其转换为数字信号，用于电机调速系统中速度闭环输入量。DSP2812检测到上述输入变量后，计算光伏阵列输出的能量和负载水泵需要消耗的能量，控制光伏阵列输出电压和输出电流使光伏阵列工作于最大功率点；根据Z源逆变器电容电压和电感电流，以及逆变器直流侧参考电压控制Z源逆变器直通占空比，确保逆变器直流侧电压符合要求；通过检测异步电机输入电流电压、输出转速计算输出转矩，根据负载水泵扬程和提水要求，确定负载转矩和转速，通过开关管Q1～Q6控制逆变器开关导通，反馈控制逆变器输出的交流电，实现电机调速。

图2 水泵监测系统控制结构图

2 系统采样电路设计

系统采用电路主要作用是采集系统主电路中电流、电压等参数信号，传输至DSP控制芯片，作为系统算法的参数输入，实现控制功能。

2.1 交流电压采样电路

交流电压采集电路采集Z源逆变器交流侧输出电压信号，并将模拟信号通过A/D转换器模块将模拟信号转换为数字信号。

2.2 交流电流采样电路

电流采样原理和电压采样有所类似，只是电流互感器传输的信号是电流值，需要进行电流电压变换才能进一步传送给后面的运放电路进行处理，在此通过一个精密电阻将电流信号的变化转换成电压信号的变化，取精密电阻阻值10 Ω，进行衰减调理真有效值转换，再经过A/D转换。

2.3 直流侧信号采集电路

直流侧电压电流采集电路采用的是霍尔传感器检测直流变量，选取了LEM公司的LV28-P用于直流侧电压检测器件，采用LV28-NP作为直流侧电流检测器件。

图3 A/D和D/A转换电路

2.4 A/D转换与D/A转换电路

光伏水泵系统中需要对采集到的模拟量和输出的数字进行相互转换，需要用到A/D转换与D/A转换模块。本设计用到了MAX186串行A/D转换芯片，两种转换模块电路如图3所示。

3 LabVIEW系统监测界面设计

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，是一款虚拟仪器软件开发工具。电机监测系统是基于LabVIEW平台开发，实现实时监测水泵系统中电机的运行状态，在实验室条件下，分析电机运行状态。电机监测系统将LabVIEW与DSP电机控制系统、计算机处理模块相结合，可快速构建电机监测系统。可以在实验室条件下，实时监测光伏水泵系统的运行状态，分析系统性能。DSP与LabVIEW之间通过CAN总线进行通信。

图4 虚拟仪器构成框图

基于LabVIEW的电机监控系统的前面板主要包括参数设置模块、显示模块和控制模块：

(1)显示模块。主要显示定子磁链轨迹、 三相电流采样值、电机实际转速，通过显示模块可实时观察电机的众多参数，分析电机运行状态；(2)参数设置模块。通过控制频率给定控制电机转速给定，并调节电流反馈环和转速反馈环P、I参数，实时控制电机运行状态；(3)控制模块。主要作用是控制电机的启动和停止，提供数据保存的功能。

电机监控系统LabVIEW程序主要提供前面板的具体实现，同时提供过流保护功能如图5(a)所示；显示模块中包括转速测量模块如图5(b)所示；定子电流和磁链轨迹测量如图5(c)所示。

图5 LabVIEW监测控制模块

过流保护模块检测电流值，当电流值超过额定值时，过流保护模块动作，提供保护功能；转速测量模块读取转速传感器数据，对数据处理后显示在前面板；定子电流和磁链轨迹模块采集电机定子电流和电压信号，显示定子电流，并且根据相关公式计算出电机磁链轨迹。

4 实验结果分析

设置期望转速为600 r/min，电机稳定运行时，实际转速能够跟随给定，当在A点出，通过调整直流电机输出突加转矩负载，此时电机转速会快速下降。如图6所示，在Z源升压FOC控制算法干预下，电机转速能够迅速恢复给定值，电机实际转速能够跟随参考转速给定值。

图6 基于Z源升压控制的系统输出波形

改变电机期望转速给定，期望转速由330 r/min上升到770 r/min，检测电机转速变化。由图7可知，实际转速能够根据给定转速的变化而变化，且存在一定延时。

图7 电机转速跟随给定波形

因此，在基于Z源逆变器光伏水泵系统中采用Z源升压FOC控制，当负载发生变化时，系统能够在较短时间内跟随给定值，确保速度恒定如图6所示；当改变系统转速给定值时，电机转速能够跟随给定的改变如图7所示。

5 结束语

研究并设计了光伏水泵控制系统的软硬件部分。首先分析了光伏水泵系统的Z源逆变工作原理和控制结构。在实验室条件下，搭建了系统的硬件平台，采用直流电机作为负载代替水泵负载，采用可变直流电源代替光伏阵列，对Z源逆变器和电机系统控制算法进行测试，根据需要对硬件进行相关模拟实验和性能检验，完成了对系统从信号采集、调速控制以及在LabVIEW软件平台上的在线监控。

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Design of Control System for Photovoltaic Pump Based on LabVIEW and DSP

JIN Aijuan，ZHENG Tianxiang，TANG Xinwen，JI Chenye，LI Wenlong

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

In a conventional design of photovoltaic pump system, the controlling and monitoring methods have problems of low efficiency and reliability, thus failing to meet the demands of working performance. In this paper, with the photovoltaic pump as research object, a hardware circuit is designed with Z-source inverter control strategy based on virtual instrument LabVIEW and digital control chip DSP. Simulation of motor on LabVIEW shows the practicability of system design. Functions of signal acquisition, feedback control and real-time monitoring have been achieved for better stability and operating efficiency of system.

LabVIEW; z-source inverter; photovoltaic pump

2016- 04- 06

金爱娟(1972-)，女，博士，副教授。研究方向：综合控制等。郑天翔(1992-)，男，硕士研究生。研究方向：电力电子非线性及控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.031

TP277；TM 46

A

1007-7820(2017)05-113-04