太陽自動(dòng)跟蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張夢(mèng)楊，單麟婷

太陽自動(dòng)跟蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張夢(mèng)楊，單麟婷

（沈陽大學(xué)國際學(xué)院，遼寧 沈陽 110044）

系統(tǒng)以MCU（STC12C5A60S2）低功耗芯片為核心控制元件，通過姿態(tài)測(cè)量、光信號(hào)檢測(cè)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊，實(shí)現(xiàn)了太陽自動(dòng)跟蹤的閉環(huán)控制。介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思想和各個(gè)部分設(shè)計(jì)的技術(shù)細(xì)節(jié)，提出了視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤粗調(diào)和光信號(hào)跟蹤細(xì)調(diào)的控制策略，利用這種跟蹤控制策略，在保證跟蹤控制精度的基礎(chǔ)上，可以極大地提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。

自動(dòng)跟蹤；閉環(huán)控制；單片機(jī)；科技工作者

為了更好地利用太陽能能量，國內(nèi)外廣大科技工作者對(duì)太陽自動(dòng)跟蹤技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提出了利用各種機(jī)械結(jié)構(gòu)和各種類型傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽跟蹤的目的[1-7]。美國BICALACE在1997年研制了單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了太陽東西方向的自動(dòng)跟蹤，使熱接收率提高了15%[8]。1998年美國成功研制了ATM雙軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的涅耳透鏡，從而進(jìn)一步提高了熱接收效率。國家氣象計(jì)量站研制的FST型全自動(dòng)太陽跟蹤器，彌補(bǔ)了赤道架型太陽跟蹤器的缺點(diǎn)，具有全天候、全自動(dòng)、跟蹤精度高等優(yōu)點(diǎn)[9]。但是此跟蹤器采用具有恒功率輸出的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，高速時(shí)扭矩又會(huì)減小，且其控制又為開環(huán)控制，當(dāng)負(fù)載過大或啟動(dòng)頻率過高時(shí)易出現(xiàn)丟步或失步的現(xiàn)象。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分別由A、B兩臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使其接近于太陽光線垂直方向，通過調(diào)整采光設(shè)備的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了最大限度接收太陽能的目的，控制電路部分安裝在平臺(tái)上，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

控制電路包括主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、光信號(hào)檢測(cè)模塊、時(shí)間模塊、姿態(tài)測(cè)量模塊、電源模塊、通訊模塊及看門狗電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

主控模塊是設(shè)備的核心器件，選用STC12C5A60S2單片機(jī)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算、處理、協(xié)調(diào)、指揮和管理工作。光信號(hào)檢測(cè)模塊采用4個(gè)LXD7526光敏元件，用來檢測(cè)太陽的光照強(qiáng)度。DS1302作為時(shí)間模塊，通過SPI接口為主控模塊提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘；電源模塊選用LM2576，將直流12 V轉(zhuǎn)換為5 V；姿態(tài)測(cè)量模塊選用ADXL345，通過I2C為主控模塊提供當(dāng)前設(shè)備三自由度的姿態(tài)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用AT24C02，用于記錄太陽運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)用隔離驅(qū)動(dòng)和續(xù)流保護(hù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)；通訊模塊提供RS232通訊的物理連接；為了提高裝置的可靠性，選用片內(nèi)功能實(shí)現(xiàn)看門狗。

控制軟件包括主程序模塊、電機(jī)控制模塊、視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模塊、模擬量計(jì)算模塊、角度計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和通訊處理模塊。

主程序模塊主要完成對(duì)裝置的初始化，并協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的工作；電機(jī)控制模塊通過將控制電機(jī)運(yùn)行的執(zhí)行數(shù)據(jù)生成PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行控制；視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模塊主要計(jì)算太陽在各個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)軌跡；模擬量計(jì)算模塊用來處理光敏信號(hào)檢測(cè)模塊采集的數(shù)據(jù)；角度計(jì)算模塊通過將視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤計(jì)算的數(shù)據(jù)和模擬量計(jì)算模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并換算成控制電機(jī)運(yùn)行的執(zhí)行數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄與存儲(chǔ)；通訊處理模塊通過RS232實(shí)現(xiàn)裝置與上位機(jī)的通訊。

2 視日運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算

太陽在各個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)軌跡主要由視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤計(jì)算模塊完成。在地平坐標(biāo)系中，跟蹤系統(tǒng)就是對(duì)太陽方位角和高度角的跟蹤。一年中每天固定時(shí)刻的太陽方位角和高度角是一定的，可以由Cooper方程[10-11]近似計(jì)算。

太陽傾斜角的計(jì)算公式為：

=23.45sin[360（284+）/365] （1）

式（1）中：為從1月1日起一年中的第幾天。

太陽時(shí)角的計(jì)算公式為：

=15（12－） （2）

式（2）中：為當(dāng)?shù)靥枙r(shí)。

的計(jì)算公式為：

=+－4（120－loc） （3）

式（3）中：loc為當(dāng)?shù)亟?jīng)度；為時(shí)差，min。

時(shí)差的計(jì)算公式為：

=9.87sin2－7.53cos－1.5sin（4）

式（4）中：=360（－81）/364。

太陽高度角s的計(jì)算公式為：

s=arcsin[（coscos+sin）sin] （5）

式（5）中：為當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

太陽方位角s計(jì)算公式為：

s=arcsin（cossin/coss） （6）

通過以上算法的計(jì)算分析，建立了有效的太陽軌跡跟蹤模型。

3 控制方法及實(shí)現(xiàn)

光源跟蹤系統(tǒng)的控制方法：為了實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確跟蹤太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的目的，本裝置采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤粗調(diào)，光信號(hào)跟蹤細(xì)調(diào)的跟蹤控制方法。系統(tǒng)上電后通過視日運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻太陽的方位角和高度角，在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)下使該系統(tǒng)運(yùn)行至正對(duì)太陽的位置，通過光信號(hào)檢測(cè)模塊采集的數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備在±5°的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，可以有效提高太陽跟蹤的效率，并減弱環(huán)境因素對(duì)太陽跟蹤精度的影響。

根據(jù)跟蹤控制方法編寫程序，系統(tǒng)初始化后，先對(duì)裝置的姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量；再運(yùn)用DS1302的時(shí)間信息計(jì)算視日運(yùn)動(dòng)軌跡，得出當(dāng)前太陽的方位角和高度角，然后進(jìn)行光信號(hào)的采集；對(duì)視日運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，判斷裝置的姿態(tài)是否在調(diào)整范圍內(nèi)。如果滿足條件，根據(jù)光信號(hào)對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整；如果不滿足條件，根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算結(jié)果直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。程序主流程如圖3所示。

串口是單片機(jī)和上位機(jī)之間通訊的一個(gè)媒介，系統(tǒng)運(yùn)用串口將調(diào)試信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息發(fā)送至上位機(jī)，方便查看和調(diào)試。系統(tǒng)通過串口中斷實(shí)現(xiàn)通訊功能，當(dāng)下位機(jī)接收到串口命令后進(jìn)行比較，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的功能程序中去。程序的各個(gè)模塊在系統(tǒng)滴答時(shí)鐘節(jié)拍下運(yùn)行，滴答時(shí)鐘由時(shí)間間隔為1 ms的定時(shí)器中斷時(shí)產(chǎn)生，進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)程序后對(duì)不同的標(biāo)志計(jì)數(shù)變量進(jìn)行累加，形成不同的時(shí)隙。

圖3 主程序流程圖

4 結(jié)論

通過對(duì)現(xiàn)有視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方法的分析，利用光敏元件主動(dòng)尋找太陽位置，計(jì)算出以時(shí)間、經(jīng)緯度為參數(shù)的高精度太陽位置，把角度傳感器作為設(shè)備姿態(tài)的反饋回路。根據(jù)姿態(tài)反饋信息實(shí)現(xiàn)高精度的控制策略。同時(shí)，視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤與主動(dòng)跟蹤相結(jié)合，既消除了環(huán)境對(duì)跟蹤的影響，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽的自動(dòng)跟蹤；系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)合理、受環(huán)境條件影響較小等優(yōu)點(diǎn)。

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TP29

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.005

2095－6835（2020）12－0015－02

張夢(mèng)楊（1997—），女，遼寧沈陽人，主要從事工業(yè)工程、智能算法等方面的研究。

〔編輯：張思楠〕