太陽能跟蹤器控制系統硬件研究

程秀玲++單水維

中圖分類號：TP73 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）10-0270-01

一、概述

系統主要由控制器、時鐘部分、光電檢測部分、位置檢測部分、驅動執行機構、太陽能電池板等部分組成。DSP 作為整個控制系統的核心部分，負責運算和控制；時鐘模塊負責把全年每天的時間信息提供給 DSP；光電檢測部分主要包括四象限探測器、調理電路、A/D 轉換電路等；位置檢測部分包括光電編碼器、正交編碼電路等；驅動傳動執行部分包括驅動電路和直流減速電機、傳動機械裝置等組成。

二、太陽能跟蹤器控制系統工作原理

跟蹤控制系統采用開環和閉環相結合的控制方法，以太陽軌跡跟蹤為主調節，當到達預設調節時間時系統立刻發出驅動電機指令，使其旋轉到再過半小時后的目標位置，系統休眠半個小時后太陽與跟蹤裝置位置大致重合，此時再啟動光電跟蹤模式，首先判斷太陽光是垂直照射電池板，若垂直照射，則停止光電跟蹤模式；反之，則將檢測到的太陽位置偏差信號經放大、濾波，送控制器 A/D 轉換后運算處理，控制器再發出驅動電機指令使其繼續旋轉，直至偏差信號到給定值，完成光電跟蹤校正。系統再休眠半個小時后，進入第二次定時跟蹤，如此循環，實現全天自動跟蹤。系統完成最后一次跟蹤后，回到初始位置準備第二天跟蹤。

三、太陽能跟蹤器 硬件具體設計

1.控制核心 DSP 及選型

當前，光伏發電跟蹤系統的控制核心主要采用單片機、PLC、PC 機、ARM、DSP 來實現。由于 DSP 控制器具有先進的軟件和硬件結構、事件模塊管理功能、高速的中斷處理功能、價位日趨降低等特點，迅速成為一種非常方便實現數字化控制的微處理器。半導體技術的飛速發展，使得數字信號處理器具有非常強大的快速計算能力，同時能夠實現特別復雜的計算方法，它還具備實時處理功能和豐富的外設功能，常用于控制領域。模擬控制系統具有電路功能簡單、控制精度低等缺點，數字控制系統較強的抗干擾能力、較高的可靠性、較好的復雜控制，可以彌補模擬控制系統的不足，使得控制變得十分靈活。因此，本文選擇用 DSP 作為控制核心。TMS320F2812 是28系列 DSP 中性價比最高的一款芯片，它具有較為完善的事件管理能力和嵌入式控制功能，其被普遍應用于工業控制，尤其是應用在處理速度、處理精度方面要求較高的地方，或者是在大批量數據處理的測控場合。因此，本文選用合眾達公司推出的 SEED DEC2812實驗板作為光伏發電跟蹤控制系統的核心，它具有豐富外設資源。

2.TMS320F2812 芯片采用高性能的 COMS 技術， CPU 主頻高達 150 MHz，低功耗設計， I / O引腳電壓為 3. 3V；

3.支持 JATG 在線仿真接口；

4.采用的是哈佛總線結構模式，擁有非常快的中斷響應和中斷處理功能，編寫程序可使用 C/C++語言和匯編語言。

5.TMS320F2812 片內含有 128 K 16位的 Flash ，具有 1K 16位的 OPT ROM空間， 18 K 16位的隨機存儲器（SARAM ）， 4 K 16位的Boot ROM 空間。

6.9+時鐘與系統控制：內含看門狗定時器，片內振蕩器，支持動態鎖相環倍頻。

7.3 個外部中斷，外部中斷模塊 PIE 支持 96 個外部中斷，僅適用 45 個外部中斷。

8. 3 個 32 位的 CPU 定時器。

9.開發工具為TI 公司 DSP 集成開發環境 CCS。

10.低能耗模式和節能模式：支持空閑、等待、掛起三種模式。

11.可以選擇179 引腳的 BGA 封裝或者176 引腳的 LQFP 封裝。

四、控制系統電路設計

1.電源電路

電源電路是保證控制系統正常工作的基本條件。本文的控制系統所需的電壓主要包括DSP芯片正常工作電壓 3. 3V、電機驅動電路工作電壓5V、電機工作電壓24V和運放工作電壓15V。目前，大多數電子設備的輸入電源都采用變壓器將市電降壓、半波整流或全波整流、濾波電路、穩壓器的設計過程。

2.F2812 的時鐘

TMS320F2812 上的 CPU 、Watchdog 電路、ADC 、EV 等片上外設部件都需要時鐘。 SEED ？ DEC2812用 30 MHz外部晶振給 F2812提供時鐘，并使能 F2812片上 PLL 電路，經過片內 PLL 倍頻給出 F2812 系統時鐘CLKOUT ，片上外設包括CPU 、Watchdog 、 ADC 、 EV 、 SCI 、 SPI 等的時鐘由 CLKOUT 提供。F 2812 的CPU 最高可以工作在 150 MHz主頻下，也就是將 30 MHz輸入頻率經過 5 倍頻。

3.F2812 的 JTAG 接口 JTAG 是聯合測試行動小組的英文縮寫，它是一種國際標準測試協議（ IEEE1 149.1兼容），其功能是用作芯片內部測試，包括 DSP 系統的軟件和硬件仿真調試都是采用其接口的仿真器來實現的。 SEED DEC2812板上配置了一個SEED XDS510PLUS仿真器的 JTAG 標準接口，利用這個接口對 F2812 進行程序的下載、調試、燒寫。

五、A/D 轉換

TMS320F2812內部集成了一個12 位分辨率、具有流水線結構和 16 個采樣通道的模/數轉換器。ADC模塊共有16 個模擬輸入引腳且分為 2 組，A組的引腳為ADCINA0 ～ADCINA7，B 組的引腳為ADCINB0 ～ADCINB7，最高時鐘頻率可配置為25 MHz，采樣頻率最高為12.5MSPS。它的自動序列發生器能夠將兩個 8 狀態序列發生器（SEQ1與SEQ2）單獨地使用，也能夠把它們合并在一起當作一個16 狀態的序列發生器（SEQ）來使用。

六、電機控制模塊

當前，太陽能跟蹤系統的驅動執行機構主要有步進電機和直流電機兩種。步進電機控制簡單，但其輸出力矩小且價格貴，相比之下，直流電機雖不能像其那樣可以精確控制轉動角，但可以通過控制直流電機速度，且加驅動電路就可以實現控制要求，性價比高。本文首先介紹了跟蹤控制系統的總設計和工作原理，對系統進行了硬件設計，包括控制系統電路、、實時時鐘模塊和直流電機驅動模塊。選取 DSP TMS320F2812 作為控制核心，介紹了 DSP 的性能特點和外設模塊。

參考文獻

[1]徐東亮，任超.太陽自動跟蹤裝置控制系統的研究[J].機械工程與自動化，2008，（2）：140-142.