第四章 硬體架構與軟體規畫
4.2.1 系統電路
本節將介紹介紹三組轉換器應用之系統電路，分別為 CW 升壓 轉換器結合太陽能模組、CW 升壓轉換器結合多階式二極體鉗位變頻
器、 CW 升壓轉換器之 PI 穩壓控制，其元件規格說明如下。
1. 太陽能模組 : 由五片寶球公司型號為 SM-125 太陽能光電版串 接而成 100 伏特 600 瓦特。
2. 直流/直流升壓轉換器 : 功率開關 Sc1
、
Sc2、
Sd1、
Sd2 使用IGBT 型號為 IXGH24N60CD1 如圖 4-2 所示，額定電壓為 600V、額定電流為 48A，電感 Ls 為 2mH。
-圖 4-1(a) CW 轉換器結合太陽能模組完整系統硬體架構
下達 Vcw 穩壓命令
圖 4-2 IXGH24N60CD1 (a)實體圖 (b)電路元件符號
+
ABB EL50P1 10kΩ
TL074
圖 4-5 功率開關元件驅動電路 4-3 軟體規劃
本專題使用數位訊號處理器 PIC18F8722 作為系統之控制核心，
並使用 MPLAB IDE v7.62 作為軟體發展系統，此發展系統環境允許 使用組合語言或 C 語言，本文採用 C 語言來撰寫程式，以下將對 程式設計流程做說明介紹。
4.3.1 數位微處理控制器
為了達成數位之控制，本文使用 Microchip 公司所生產之
PIC18F8722 數位微處理控制器。由 PIC18F8722 產生脈波寬度調變 信號(PWM)，同時 PIC18F8722 也讀取電壓感測器回授之信號，及 電流感測器回授之信號作為 PWM 責任週期調變之運算依據。此顆 晶片有高低優先中斷功能(如溢位及事件中斷)，16 組類比數位轉換 通道，浮點運算功能等，其基本規格如表 4-1 所示。
表 4-1 數位微處理控制器 PIC18F8722 基本規格 晶片名稱 PIC18F8722
系統工作頻率 40MHz 程式記憶體 32K Bits EEPROM 記憶體 256 Bits 操作速度 10 MIPS A/D 轉換通道 16 Channels A/D 轉換位元 10 Bits
PWM 通道 16 Channels 數位 I/o 腳位 56 個
如圖 4-6 所示為 PWM 信號產生示意， TIMER 做為計時器 功能使用，隨著時間增加計時器的 counter 會持續上數而產生一上數 鋸齒波，此鋸齒波和責任週期命令做比較產生脈波寬度調變信號，如 為主動高之模式，當開關責任週期命令大於計數器 counter 計數值時，
PWM 信號輸出為 High，反之開關責任週期命令小於計數器 counter 計數值時，PWM 信號輸出為 Low ，其中開關責任週期表示為 :
開關責任週期 命令 D*
PWM 信號 D
ton Tsw
圖 4-6 PWM 信號產生示意圖 4.3.2 類比數位轉換比例設計
本文回授控制訊號，是由電壓、電流等周邊感測電路擷取，經由 數位微處理控制器之類比數位轉換通道，將類比訊號轉換成數位訊號，
交由程式做運算及邏輯處理，以完成系統回授控制，類比數位轉換比 例如式子 (4-1) 所示。
v v
v (4-1) 其中參考電壓(reference voltage) 為 5 伏特。
本文利用(4-1)式設計實際電壓與電流回授值轉換為數位值，再由程式 做運算處理，以完成系統的回授控制。
4.3.3 程式流程介紹
本節程式介紹分為三組互為獨立之轉換器控制與應用來做說明，
主要程式寫法可分為主程式與中斷副程式兩部分，主程式主要執行參 數宣告及初始值，以及讀取回授信號 A/D 轉換、太陽能最大功率點 追蹤、 PI 穩壓控制等，而中斷副程式執行信號的除頻控制，以及變 頻器的正弦波波形控制查表等，如圖 4- 1(a) ~ 4-1(c)所示，此三組獨 立部分共同核心皆在於 CW 升壓轉換器，其中功率開關 Sc1
、
Sc2 信 號周期為 Sd1、
Sd2 信號週期除頻而來，舉例來說，如果 Sd1、
Sd2 之 週期為 20kHz 則除頻程式控制除頻量為 400，則 Sc1、
Sc2 週期為 50Hz 以此類推，程式部分主要以 C 語言撰寫方式來實現控制，以 下就此三部分程式做獨立說明，說明如下 :(a) CW 升壓轉換器結合太陽能模組
圖 4-7 為 CW 升壓轉換器結合太陽模組系統程式流程圖，此部 分程式只用到一組中斷功能，圖 4-8 為主程式和中斷副程式流程圖，
圖 4-9 為太陽能最大功率點追蹤控制流程圖，內容敘述如下:
圖 4-7 CW 升壓轉換器結合太陽模組系統程式流程圖程式說明 : 1. 程式開始。
2. 宣告參數及初始值設定，設定周邊暫存器功能。
3. 使用事件管理模組設定系統中斷頻率為 20kHz。
4. 等待中斷發生執行副程式。
5. 如中斷事件發生則執行中斷副程式，執行完後判斷主程式是否執 行完畢，如是則再次等待中斷發生，如否則回到未完成主程式部 分繼續執行。
6. 如中斷事件未發生則執行主程式，在執行主程式當中如主程式未 完成但中斷事件發生，則優先跳至中斷副程式執行，執行完後再 跳回未完成主程式部分繼續執行。
圖 4-8(a) 主程式流程圖程式說明 : 1. 主程式開始。
2. 執行太陽能最大功率點追蹤(MPPT)追蹤控制。
3. 主程式結束。
圖 4-8(b)中斷副程式程式說明 : 1. 中斷副程式開始。
2. 開啟類比數位轉換通道，將電壓、電流回授信號轉換成數位值。
3. 除頻設定 Sc1
、
Sc2 之工作週期。4. 判斷 Sc1 為導通或截止，如為導通則此時工作模式為 3-2 節轉換 器操作模式中所介紹之模式一或二其中一模式，如為截止則為模 式三或四其中一模式，模式一與二屬於交替電源 Vr 之正半週狀 態模式，模式三與四屬於交替電源 Vr 之負半週狀態模式， 若判 斷 Sc1 為導通則代表此時為 Vr 正半週，將開關責任週期設定給 Sd1 控制，若判斷 Sc1 為截止則代表此時為 Vr 負半週，則將開關 責任週期設定給 Sd2 控制。
4. 中斷副程式結束。
程式開始
中斷週期 是 50us?
宣告變數及初始值 週邊暫存器規劃
否
中斷副程式 主程式
(主程式執行期間，如中斷發生則 優先跳至中斷副程式，執行完再 跳回未完成主程式部分繼續執行)
主程式 執行完畢
是 否
等待中斷
圖 4-7 CW 升壓轉換器結合太陽模組系統程式流程
(a) (b)
圖 4-8 CW 升壓轉換器結合太陽模組系統 (a)主程式流程圖 (b)中斷副程式流程圖
圖 4-9 為太陽能最大功率點追蹤控制流程圖，藉由計算目前功 率與前次取樣功率比教，經擾動觀察法後產生電流命令，以決定升壓
主程式開始
主程式結束 太陽能最大功率
點追蹤控制
除頻副程式 (Sc1、Sc2 信號由Sd1
、Sd2 週期除頻而來)
中斷副程式 開始
中斷副程式 結束
Sc1 ON ?
(Sc2 OFF) 是
設定責任周期給 開關 Sd1
設定責任周期給 開關 Sd2
否 讀取回授信號
A/D轉換
責任週期之增減，流程圖說明如下 :
圖 4-9太陽能最大功率點追蹤控制流程圖程式說明 : 1. 太陽能最大功率點追蹤控制程式開始。
2. 利用A/D 轉換之數位值 Vpv(k)
、
Ipv(k) 計算出 Ppv(k) Ppv(k) = Vpv(k) Ipv(k)。3. 以擾動觀察法產生電流命令Ipv*。 4. Ipv*
與Ipv 做比較，決定開關責任週期 D* 之增減，將 PWM 信號 給 Sd1 或 Sd2 。
5. 結束太陽能最大功率點追蹤控制程式。
太陽能最大功率點 追蹤控制程式開始
使用AD讀取之數位值
V
pv(k)、I
pv(k) 算出 Ppv(k)最大功率點追蹤擾動觀 察法決定電流命令
I
pv*否
否
是 責任周期
D
不變太陽能最大功率點 追蹤控制程式結束 Ppv(k)=Ppv(k - 1)?
是
責任周期
D
增加責任周期
D
減少I
pv* >
I
pv?
圖 4-9 太陽能最大功率點追蹤控制流程圖
(b) CW 升壓轉換器結合多階式二極體鉗位變頻器
圖 4-10(a) 為 CW 升壓轉換器結合多階式二極體鉗位變頻器系 統程式流程圖，此部分程式用到兩組中斷功能，固有高低中斷優先設 定，變頻器的正弦波波形控制命令查表，需在固定時間間隔下執行查 表及設定 PWM 開關觸發信號，才能精確地產生頻率為 60 赫茲之 正弦式 PWM 波形，固設為高優先中斷，CW 升壓轉換器之開關除 頻控制設為低優先中斷，流程圖如圖 4-10 (b)，圖 4-11 為高優先中 斷副程式正弦式 PWM 控制波型命令查表流程圖，內容敘述如下:
圖 4-10(a) CW 升壓轉換器結合多階式二極體鉗位變頻器系統程式 流程圖 :
1. 程式開始。
2. 宣告參數及初始值設定，設定周邊暫存器功能。
3. 使用事件管理模組設定系統中斷(設定高低優先中斷權位)。
4. 等待中斷發生執行中斷副程式。
圖 4-10(b) 低優先中斷副程式流程圖除頻程式說明如前所敘。
圖 4-11 高優先中斷副程式流程圖(正弦波控制信號查表) : 1. 高優先中斷副程式開始。
2. 判斷正弦波查表指標位置是在正半週或負半週。
式流程圖 (b)低優先中斷副程式流程圖(除頻程式)
圖 4-12 CW 升壓轉換器 PI 穩壓控制系統程式流程圖程式說明 : 1. 程式開始。
2. 宣告參數及初始值設定，設定周邊暫存器功能。
3. 設定穩壓程式參數，包含 kpv、kpi、kiv、kiI
、
穩壓命令 Vcw ，以 及電感電流命令 iL*及升壓責任週期命令 D* 的限制。
4. 使用事件管理模組設定系統中斷頻率為 20kHz。
5. 等待中斷發生執行副程式。
6. 如中斷事件發生則執行中斷副程式，執行完後判斷主程式是否執 行完畢，如是則再次等待中斷發生，如否則回到未完成主程式部 分繼續執行。
7. 如中斷事件未發生則執行主程式，在執行主程式當中如主程式未 完成但中斷事件發生，則優先跳至中斷副程式執行，執行完後 再跳回未完成主程式部分繼續執行。
圖 4-13(a) PI 穩壓主程式流程圖程式說明 : 1. 程式開始。
2. 讀取 A/D 回授信號 Vcw、iL 。
3. 將回授值代入 PI 控制器，做穩壓控制、穩流控制，取得升壓責 任週期命令 D*。
4.主程式結束
設定穩壓參數:kpv、kpi、kiv、kiI
轉換器輸出穩壓命令Vcw
電感電流 iL限制範圍
升壓責任週期 D* 限制範圍
程式開始
中斷週期 是
50us?
否
中斷副程式 主程式
(主程式執行期間，如中斷發生則 優先跳至中斷副程式，執行完再 跳回未完成主程式部分繼續執行)
主程式執 行完畢?
是 否
宣告變數及初始值 週邊暫存器規劃
等待中斷
圖 4-12 CW 升壓轉換器 PI 穩壓控制系統程式流程圖
主程式開始
主程式結束 PI 穩壓控制器運算
讀取A/D轉換 回授信號 V
cw、i
L電感電流命令
i
L*限制
PI 穩流控制器運算
升壓責任週期命令
D
*限制
圖 4-13 PI 穩壓主程式流程圖
第五章 模擬與實做量測
5-1 前言本章節將分別介紹第三章所介紹之三種 CW 轉換器之應用及控 制實做紀錄分析，此三部分為 CW 轉換器結合太陽能模組、CW 轉 換器結合多階式二極體鉗位變頻器、CW 轉換器 PI 穩壓控制，基於 第三章轉換器控制模式，與第四章所敘述硬體架構及軟體規劃，並搭 配 PIC18F8722 數位微處理控制器作為系統之控制核心，以數位方式 完成系統控制。
5-2 基於 CW 直流/直流轉換器之輸出電壓漣波紀錄分析
為驗證本文提出之理論分析及電路波形是否與實驗結果相同，驗
為驗證本文提出之理論分析及電路波形是否與實驗結果相同，驗