基于MSP430F169的模擬裝置

　　引言

　　目前，煤炭、石油等能源正走向枯竭，且環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重，新能源和可再生能源的利用已經(jīng)成為世界各國(guó)的燃眉之急。作為一種無污染的可再生能源，太陽能越來越受到人們的青睞。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展對(duì)人們提出的可持續(xù)發(fā)展有重大的意義。本設(shè)計(jì)利用鎖相環(huán)倍頻、比較器過零觸發(fā)和MSP430F169單片機(jī)DA產(chǎn)生與輸入信號(hào)同頻同相且幅值可控的正弦波，作為DA-AC電路的輸入?yún)⒖夹盘?hào)，其中DA-AC電路采用D類功放中自激反饋模型，利用負(fù)反饋的自激振蕩產(chǎn)生正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)波，通過硬件之間的配合，實(shí)現(xiàn)了逆變電壓輸出及最大功率、同頻同相的跟蹤。

　　裝置方案的選用

　　DC-AC逆變方案：采用D類功放中自振蕩式模型的逆變拓?fù)洌秘?fù)反饋的高頻自激產(chǎn)生所需的PWM開關(guān)信號(hào)。此方案為閉環(huán)系統(tǒng)，在功率電源和負(fù)載變化時(shí)波形基本無失真，且硬件電路簡(jiǎn)單。

　　鎖相鎖頻方案：利用鎖相環(huán)的鎖相鎖頻功能，將參考信號(hào)倍頻，產(chǎn)生與其同步的時(shí)鐘，以此時(shí)鐘調(diào)整輸入輸出的頻相關(guān)系。此方案完全由硬件電路實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單方便。

　　最大功率點(diǎn)跟蹤方案：采用經(jīng)典MPPT算法，對(duì)光伏陣列的輸出電壓電流連續(xù)采樣，尋找dP/dU為零的點(diǎn)，即為最大功率點(diǎn)。

　　裝置的原理框圖如圖1所示。在設(shè)計(jì)中，選用CD4046鎖相環(huán)芯片和功率MOS管IRF540等性價(jià)比較高的器件，采用基于MSP430F169單片機(jī)的經(jīng)典控制算法來控制光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置。

　　利用鎖相環(huán)CD4046可以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的倍頻和同步，輸入頻率45Hz~55Hz，經(jīng)256倍頻后為11.52kHz~14.08kHz信號(hào)，送給單片機(jī)作為系統(tǒng)同步的時(shí)鐘。單片機(jī)用DDS原理產(chǎn)生幅度可調(diào)的正弦信號(hào)。此時(shí)鐘作為D/A輸出的時(shí)鐘，即可追蹤輸入信號(hào)的相位和頻率。鎖相環(huán)的原理框圖如圖2所示。CD4046的內(nèi)部電路與外圍電路圖如圖3所示。此正弦信號(hào)送給本設(shè)計(jì)中自閉環(huán)的DA-AC逆變器作為輸入，輸出電壓就可以與參考輸入U(xiǎn)REF同頻同相。為保證快速鎖定，需要調(diào)整R1、R2、C1的值使鎖相環(huán)中心頻率穩(wěn)定在50Hz。

　　MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤的實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)采用MSP430F169單片機(jī)作為主控芯片。它是TI公司出產(chǎn)的一種具有超低功耗的功能強(qiáng)大的16位單片機(jī)，具有FLASH存儲(chǔ)器。這款單片機(jī)的程序代碼空間為60KB+256B的FLASH，2KB的RAM，且具有強(qiáng)大的中斷功能，48個(gè)I/O引腳，每個(gè)I/O口分別對(duì)應(yīng)輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個(gè)寄存器，使得功能口和通用I/O口復(fù)用，在對(duì)同一個(gè)I/O口進(jìn)行操作前要選擇其要實(shí)現(xiàn)的功能，這樣大大地增強(qiáng)了端口的功能和靈活性。該類單片機(jī)具有一個(gè)強(qiáng)大的16位RISC CPU（125ns指令周期），16位的寄存器以及常數(shù)發(fā)生器，能夠最大限度地提高代碼的效率。數(shù)字控制的振蕩器DCO允許在6微秒內(nèi)從低功耗模式喚醒。而且，該芯片還配置了帶有3個(gè)捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器A和定時(shí)器B、12位快速A/D轉(zhuǎn)換器（帶有內(nèi)部參考電平、采樣保持和自動(dòng)掃描特性）、雙12位D/A轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)通用同步/異步串行通訊接口USART、DMA。除此之外，該單片機(jī)還具有超低功耗的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行在1MHz時(shí)鐘條件下時(shí)，工作電流視工作模式不同為0.1霢 ~280霢。