基于CAN總線太陽能電池自動跟蹤控制器的設計

趙 濤， 周 兵， 薛 暉，湯 杰

（1.南京工程學院 自動化學院，南京 211167；2.南京工程學院 先進數控技術江蘇省高校重點建設實驗室，南京 211167）

0 引言

相對于其他可再生清潔能源，太陽能光伏發電具有儲能無限性、存在普遍性、利用清潔性等優點, 是一種較理想的替代能源。隨著計算機技術和電力電子技術的發展，光伏發電系統中的電能變換與控制技術趨于成熟。我國是太陽能光伏電池的主要生產國，但是光伏發電普及利用率卻不高。這是由于太陽能電池的成本高，轉化成電能的效率低，因而制約光伏發電在我國的廣泛應用。為了解決這一瓶頸問題，如何提高太陽能電池的轉換效率已成為研究的熱點，其中采用太陽光自動跟蹤裝置是提高太陽能利用率的一個重要途徑。我們通過實驗發現，在相同的光照強度情況下，相對于太陽光線垂直照射到電池板（照射角為90°）的情況，當照射角為75°時，輸出功率下降5%左右；當照射角為45°時，輸出功率下降15%；而當照射角為30°，輸出功率下降了25%。

所以利用精確的太陽光跟蹤裝置， 可使太陽光能電池的發電效率大大提高， 從而提高太陽能的利用效率, 拓寬太陽能的利用領域。

針對這一問題，人們在方位跟蹤方面提出了很多的研究方法和設計方案, 并有很多跟蹤技術已經應用到實際的光伏發電中, 取得了很好的實用效果[1～5]。目前，關于太陽光自動跟蹤控制器應用都是單機控制，每套系統都需要光電檢測系統和定時系統，增加了系統的成本。針對在同一區域內，多塊太陽能光伏電池陣列所處的經度和緯度基本一致的情況，本文設計了基于CAN總線的太陽能電池自動跟蹤控制器，用一套光電檢測系統和定時系統控制通過CAN 總線實行多個太陽能光伏電池板對太陽的跟蹤。設計的太陽光自動跟蹤裝置, 能使太陽光始終保持與太陽能電池垂直,保持最大的輸出功率，跟蹤精度較高, 具有很好的實用價值。

1 太陽光跟蹤策略與系統設計

1.1 跟蹤策略

太陽光自動跟蹤器設計成雙軸跟蹤系統, 可以在方位角和高度角兩個方向上跟蹤太陽光，以保證太陽光始終直射光伏電池, 提高發電效率。考慮到定時跟蹤和光電跟蹤的特點和局限，采取了定時跟蹤和光電跟蹤兩種跟蹤方法相結合的混合式太陽光跟蹤策略。以光電跟蹤方式作為主要跟蹤方式，定時跟蹤方式作為輔助方式的方法進行跟蹤。在光線較強時，采用光強檢測電路檢測光線偏差進行光電跟蹤，保證太陽板正對太陽。在光線不好的天氣情況時，系統自動轉為定時跟蹤方式。根據時種芯片提供的時間信息，計算出應該處于什么方位角和高度角，通過比較控制器存放的太陽板的實際方位角和高度角，計算步進電機應該轉的步數和運行方向。經機械傳動帶動太陽能電池板支架轉動適當角度，實現自動跟蹤，系統具有自動復位的功能，在日落后能夠自動控制機械執行機構回復到基準位置，高度角數值不變，方位角數值回零，并且停止轉動，在第二天日出時刻自動從跟蹤初始位置，進行新一天的跟蹤。

1.2 系統設計

圖1給出了跟蹤系統控制器設計框圖。包括C8051F040構成的單片機控制單元，光電傳感器、實行方位角及高度角調整的雙軸驅動及四個方向的位置開關組成及CAN總線。位置開關的作用是當太陽能電池板轉動的范圍超過預設范圍時，停止跟蹤。其中東向的位置開關還作為為方位角的零點信號。

圖1 太陽能電池自動跟蹤控制器框圖

2 主要硬件設計

本系統的硬件設計主要包括光電檢測處理電路、步進電機驅動電路、CAN接口電路和時間、人機界面等電路。

2.1 光電檢測處理電路

光電檢測處理電路應當提供光伏電池和太陽光入射角的偏差信號， 并能反映當時的光照強度。常用的光敏傳感器主要有光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管、光電池等類型，主要都是應用了半導體材料的內光電效應。其中光敏電阻是利用光電導效應制成，具有對光線很敏感，價格低廉，電路簡單等優點，但是在光強較大的情況下，呈現出飽和非線性，所以只適合做成開關式檢測器。光敏二極管和光敏三極管是利用了半導體材料的光生伏特效應。光敏三極管對光線的檢測比光敏二極管要高得多，在把光信號轉變成電信號的同時，還放大了信號電流。光敏三極管的光強檢測范圍較寬，但是其線性度較差。光電池在不同的光照度下， 光生電動勢和光電流是不相同的[6]。

通過對目前已采用的光電檢測電路的分析[7]，本文采用了一種復合光強檢測電路。檢測電路包括兩個部分，一部分通過設置一個圓筒形外殼，采用4對光敏電阻；在東、南、西、北四個方向上分別布置；其中一對光敏電阻（R1、R3）東西對稱安裝在圓筒的兩側，一對光敏電阻（R2、R4）東西對稱安裝在圓筒的內側，用來精確檢測太陽的方位角。一對光敏電阻（R5、R7）南北對稱安裝在圓筒的兩側，另一對光敏電阻（R6、R8）南北對稱安裝在圓筒的內側，用來精確檢測太陽的視高度。由于當光敏電阻的阻值較小的時候，光電阻在太陽照射下可能會很快達到飽和狀態，不能正確反應太陽光線強弱的變化情況。為此，另一路檢測電路檢測光伏電池的電壓，通過和閾值電壓比較，判斷太陽的光照強度是否滿足光電跟蹤的條件。

檢測電路如圖3 所示。C8051F040單片機內部自帶一個12位的ADC0子系統，ADC0 子系統包括一個9 通道的可編程模擬多路開關（AMUX0），一個可編程增益放大器（PGA0）和一個100ksps、12 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，可以將AMUX 輸入對編程為工作在或單端方式。8個光敏電阻組成兩個電橋，一個電橋負責東西方向，一個電橋負責南北方向的光強檢測。分別接DC8051F040的4 個外部模擬輸入引腳（AIN0.0 ～AIN0.3），并設置為差分工作方式。光伏電池的電壓信號經過分壓濾波后接C8051F040的P3.2口。設置為單端方式。

圖2 光電檢測處理電路

當太陽光線以與傳感器板垂直的方向照射到傳感器上，兩組光敏電阻接收到的光照度相同，AIN0.0和AIN0.1相等，AD轉換值為零。而當太陽光偏離垂直方向一個較小的角度時，安裝在外側的光敏電阻R1、R3可能受環境散射光的影響，不會反應出太陽光線的變化，而安裝在外側的光敏電R2、R4受到了圓筒對環境散射光的屏蔽保護，它們接收的照度會出現差值，R2≠R4，AIN0.0和AIN0.1信號不相等，AD轉換值或為正或為負，根據AD轉換值控制跟蹤器開始工作并快速的跟上太陽。通過光伏電池的電壓檢測，通過和閾值電壓比較，判斷太陽的光照強度是否滿足光電跟蹤的條件。

2.2 步進電機驅動控制電路

步進電機分別采用型號為57H56605和57H7404兩相混合式步進電機，用于高度角和方位角的跟蹤驅動，電機的步距角為1.8°，電源為24V直流。電機驅動電路由雙全橋步進電機專用驅動芯片L298N和外接外恢二極管續流電路構成。電機的驅動控制電路如圖3所示。考慮到高度角和方位角的跟蹤并不需要同時進行，C8051F040分別提供兩路使能信號EN1和EN2，當EN1高電平時，進行方位角跟蹤驅動；當EN2高電平時，進行高度角跟蹤驅動，當EN1和EN2同為低時，電機不運行。此外C8051F040提供一路PWM信號和4路換相脈沖信號，通過與門產生4路PWM信號，提供給電機驅動芯片L298以控制步進電機的運行。

圖3 步進電機驅動控制電路

電流檢測沒有采用L298典型的在每相繞組電路里設置取樣電阻的方法，而采用了具有內部增益的高邊電流檢測放大器件MAX4376，在直流側的設置一0.12Ω取樣電阻，MAX4376檢測電阻兩端電壓，通過內部的50倍增益，將放大后的信號接入C8051F040的AD的P3.0口，用于電流控制和保護，使得電路大大簡化。

步進電機繞組就是一個電感線圈，具有抵抗電流變化的現象，當步進電機工作在PWM方式下，可以控制其平均電流，但繞組的電流來不及上升到穩態值。頻率越高，電流上升到達的數值也就越小，因而電機的電磁轉矩也越小。為此采取強脈沖PWM方式，電機每相通電時先給一個寬的脈沖信號，讓電機電流迅速達到正常運行電流，然后給再調節PWM的占空比，使電機電流保持在正常運行時的電流。圖4 給出了步進電機相繞組電流波形。從波形可以看出，步進電機相電流波形接近方波，這樣保證在相同的電流值下，輸出的電磁轉矩最大。

圖4 步進電機相繞組電流波形

2.3 CAN接口電路

C8051F040 內部集成的CAN 控制器是Bosch全功能 CAN 模塊的完全實現，完全符合AN規范2.0B。此CAN控制器由以下四部分構成：CAN內核、報文RAM（與C8051 RAM相互獨立）、報文處理狀態機制和CAN控制寄存器[8]。由于Silicon Laboratories內部的CAN控制器只是個協議控制器，不能提供物理層驅動，所以在使用時還需外加CAN總線收發器，這里采用德州儀器公司生產的SN65HVD230作為CAN總線收發器，管腳和CA82C250兼容，具有輸入阻抗高、不上電節點對總線不產生干擾等優點。適用于較高通訊速率、良好抗干擾能力和高可靠性CAN總線通信。CAN總線上兩端節點需加120Ω電阻對信號吸收，以避免信號反射，CAN通信物理層電路圖如圖5所示。

圖5 CAN接口電路

3 主要軟件設計

跟蹤控制主要是主控系統完成，其主要完成光電跟蹤、定時跟蹤和CAN通信。其主程序流圖如圖6所示。

跟蹤裝置處于跟蹤的起始位置，系統會判斷此時的天氣情況，主要是依靠檢測光伏電池兩端的電壓來進行判斷，由光伏電池的特性可知，光照強度越高，電池板兩端的電壓越大，若測得的電壓Vout超出閾值Vturn，則認為太陽輻照的光強達到了進行光電跟蹤的條件。否則，則系統自動轉向定時跟蹤模式。控制器設置了高度角和訪位角的位置寄存器，累計電機驅動所發出的脈沖數，正轉時，加每次運行的脈沖，反轉是減每次運行的脈沖。由于脈沖數和角度成比例關系，也就相當于知道跟蹤裝置的方位角和高度角。并將方位角和高度角度信號通過CAN總線傳輸到從機，實現雙軸跟蹤系統的群控。考慮到太陽光的照射角在一定范圍偏離90°時，輸出功率變化不大于，因此采取定時進行光電檢測間隔性跟蹤的辦法，這樣在保證跟蹤精度的情況下，大大減少了電能的消耗，并提高了系統的穩定性。

圖6 控制主程序流圖

CAN通訊分為主機程序和從機程序，從機采用中斷方式，定時接收主控系統發出的當前方位角和高度角的信息，和存放在本機的方位角和高度角，以控制電機運行。這部分內容這里不再贅述。主控制系統的CAN 通信主要包括系統初始化程序、發送程序等。在本例中，初始化程序主要完成對所有的報文對象初始化（一般將所有值清零），對CAN 控制寄存器（CAN0CN）、位定時寄存器（BITREG）進行設置，還要對發送報文對象和接收報文對象分別初始化。本系統中，使用的晶振頻率為24MHz， 4分頻，系統位定時器的設置為 250Kbps。CAN 總線長度 200m ，CAN 節點之間5 ns/m 的信號延遲，傳輸延遲時間為2300ns。位時間寄存器設置為0x4CC0H。

CAN 報文發送是由CAN 控制器自動完成的，不需要用戶軟件干預，這樣就極大的減少了軟件開銷。只需根據接收到的遠程幀的識別符，將對應的數據轉移到發送緩沖寄存器，然后將此報文對象的編碼寫入命令請求寄存器啟動發送即可，而發送由硬件來完成。

4 結束語

本文對太陽跟蹤方式進行了討論，闡述了基于CAN總線的網絡化的雙軸太陽跟蹤控制器的設計原理以及軟硬件設計思路方法。最后設計實現后，實驗證明跟蹤效果良好，成本相對較低，便于操作，性能穩定可靠，具有較高的實用價值，可以加大推廣應用。控制器還存在需進一步完善的問題，如采用定時跟蹤相對于計算法還比較粗糙；在網絡控制時，可以增加從機的方位角和高度角的偏差設定功能，這樣可以實現例如不同樓層的太陽板電池網絡控制，這些有待于在今后的工作中逐步解決。

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