基于步進電機的太陽能跟蹤器的控制方法研究?

王宇瑤 尹曉丁 徐金鈺 王紹偉 趙喆

（大連交通大學大連116028）

基于步進電機的太陽能跟蹤器的控制方法研究?

王宇瑤 尹曉丁 徐金鈺 王紹偉 趙喆

（大連交通大學大連116028）

如今太陽能被認為是最有前景的新能源之一，而開發利用太陽能是我國可持續發展的重要目標。如何提高太陽能的利用率，是當前國內外專家的研究熱點，論文在太陽跟蹤二維驅動光電控制系統的基礎上對控制方法進行研究，在原有的控制系統的基礎上進行改進，并通過Matlab仿真驗證，將兩者進行對比，結果表明，這種增加反饋補償和校正環節的控制系統能夠達到預期的性能指標。

光電控制；反饋補償；PID控制

Class NumberTM914

1 引言

隨著全球經濟的快速發展、人口的增加，對能源的需求不斷增加，因此世界工業強國都將目光轉移到了新能源的利用上，太陽能對于人類是一種取之不盡并能自由公平利用的綠色能源，并且我國的太陽能資源比較豐富，尤其是西部地區，開發太陽能對我國的西部開發有著現實意義［1］。因此提高太陽能的利用率，無論是從科技應用的角度還是從商業的角度來說都成為急需解決的課題［2］。本文是在太陽跟蹤二維驅動光電控制系統的基礎上對控制方法進行研究，對原有的控制方案進行改進，增加反饋校正環節，使執行電機的穩定性大大提高，減小誤差，從而提高裝置對太陽能接受效率。

2 太陽能跟蹤系統的控制方案論證

2.1 傳統的控制系統分析

為了使太陽能板在轉動中能與時間變化與季節變化始終和計算得出的位置保持相近，就得有電動機帶動太陽能板轉動，并通過跟蹤器的控制系統使帶動太陽能板的電動機輸出的位置量與給定值相同。控制系統在控制環節中起到至關重要的作用，因此根據光伏發電設備太陽跟蹤的特點，系統總體要求穩定性好，精確度高，但快速性要求比較低，采用閉環控制可以增加系統的穩定性并且在系統出現誤差時可自動校正［3～5］。圖1所示是傳統的太陽能跟蹤控制系統原理圖。輸入值時根據太陽運行規律所在位置的季節和時間計算。控制對象是電動機，被調量是電動機輸出的所在位置量，利用光電傳感器來實現負反饋。

圖1傳統控制系統圖

2.2 改進措施及分析

1）增加系統的穩定性

為了改善系統響應，將信號放大器改為PID環節。PID控制也稱為比例一積分一微分控制。其中的比例項用于糾正偏差；積分項用于消除系統的穩態誤差；微分項用于減小系統的超調量，增加系統的穩定性［6～8］。

2）減小系統穩態誤差

利用串聯校正和反饋校正在一定程度上可以改善系統的品質，但是對穩態準確度要求很高的系統，一般校正方法就難以滿足要求。如果對穩態精度要求很高，就需要提高系統的開環放大倍數或提高系統的無差度［9～10］。但是這樣做往往會導致系統穩定性變差，甚至使系統不穩定。為了提高系統的無差度同時不影響系統的穩定性，本文論及的系統采取了復合控制的方法并增加自動校正環節。改進后的系統如圖2所示。

圖2改進后的系統圖

3 太陽能跟蹤控制系統的PID算法仿真驗證

本方案選用的執行電機型號為步進電機DQ2722M系列，根據表1電機參數和式（1）～式（3）求得執行電機的傳遞函數：

電機的力矩系數：

電機的電勢常數：

電機機電時間常數：

求得系統執行電機傳遞函數為

表1 執行電動機主要額定數據

同時根據式（5）～式（6）在原有的傳遞系統中增加補償和校正環節。假設補償函數：

校正函數：

利用Matlab2013設計出改進控制系統的仿真實驗模型如圖3所示。

圖3改進控制系統的仿真實驗模型圖

得到原系統與改進控制系統的階躍響應圖如圖4所示

圖4原系統與改進控制系統的階躍響應圖

同時得到Bode圖如圖5所示。

圖5改進系統的Bode圖

4 結語

由給定輸入信號得到的響應曲線和Bode圖可以看出，在原有的控制系統基礎上使用復合控制并增加校正環節，可以提高控制系統的穩定度，減小超調，減小誤差，并且動態指標良好，因此復合PID控制方法并且增加自動校正環節可滿足系統要求的性能指標。

［1］宿劍鋒.太陽能自動跟蹤控制系統的設計與研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011. SU Jianfeng.Design and research of automatic tracking control system for solar energy［D］.Harbin：Harbin Engi?neering University

［2］閆偉峰.基于CAN總線的太陽跟蹤控制系統研究與實現［D］.南京：南京航空航天大學，2011. YAN Weifeng.Research and implementation of solar tracking control system based on CAN bus［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2011.

［3］吳靜.太陽能自動跟蹤系統的研究［D］.重慶：重慶大學，2008. WU Jing.Research on automatic tracking system of solar energy［D］.Chongqing：Chongqing University，2008.

［4］Laughlin Barker，Matthew Neber，Hohyun Lee.Design of a low-profile two-axis solar tracker［J］.Solar Energy，2013，97：569-576.

［5］余雷，王軍，王新，等.關于不同單軸跟蹤方式的對比分析［J］.太陽能學報，2011，32（3）：426-432. YU Lei，WANG Jun，WANG Xin，et al.Comparison and analysis of different single axis tracking methods［J］.Jour?nal of solar energy，2011，32（3）：426-432.

［6］Rustu Eke，Ali Senturk.Performance comparison of a dou?ble-axis sun tracking versus fixedPV system［J］.Solar En?ergy，2012，86（9）：2665-2672.

［7］李健.基于STCI2CSA32S2的太陽能跟蹤控制器的研究［D］.南京：南京理工大學，2012. LI JIan.Research on the solar tracking controller based on STCI2CSA32S2［D］.Nanjing：Nanjing University of Sci?ence and Technology，2012.

［8］鄭恩讓，李明勇，寧鐸.雙模式互補高精度太陽跟蹤系統的設計［J］.自動化與儀表，2013（2）：16-19. ZHENG Enrang，Li Mingyong，NING Duo.Design of a du?al mode complementary high precision solar tracking sys?tem［J］.Automation and Instrumentation，2013（2）：16-19.

［9］徐東亮，任超.太陽能自動跟蹤裝置控制系統的研究［J］.機械工程與自動化，2008，2（3）：140-144. XU Dongliang，REN Chao.Research on control system of solar automatic tracking device［J］.Mechanical engineer?ing and automation，2008，2（3）：140-144.

［10］華東.基于PLC的太陽能自動跟蹤裝置［J］.自動化技術與應用，2012，31（9）：84-86. HUA Dong.Solar automatic tracking device based on PLC［J］.Automation technology and Application，2012，31（9）：84-86.

Control Method of Solar Tracker Based on Stepping Motor

WANG YuyaoYIN XiaodinXU JinyuWANG ShaoweiZHAO Zhe
（Dalian Jiaotong University，Dalian116028）

Nowadays，solar energy is considered to be one of the most promising new energy sources，and the development and utilization of solar energy is an important goal for sustainable development in China.How to improve the utilization of solar ener?gy，is the current research focus of domestic and foreign experts，based on two-dimensional sun tracking driving photoelectric con?trol system on the research of control method is improved based on the original control system，which is verified by Matlab simula?tion，comparing the two，the results show that the control system of the feedback compensation and correction steps to achieve the expected performance index.

photoelectric control，feedback compensation，PID control

TM914

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.022