太陽光源跟蹤伺服系統設計與分析

摘要：為提高太陽能電池光電轉換效率，設計了一種太陽能雙軸全自動聚光跟蹤控制系統，使多個太陽能電池模塊的框架平臺可以跟蹤太陽光旋轉，并保持框架平臺上的太陽能電池與陽光入射角保持垂直，以達到光能的最大獲取率。在考慮太陽的運動軌跡模型的基礎上，設計出可以同時跟蹤太陽軌跡的二軸框架平臺結構，方位軸和俯仰軸。結合課程內容，重點分析了動力裝置步進電機和測角裝置旋轉變壓器的工作過程。

關鍵詞：伺服系統 太陽光源跟蹤 二相混合式步進電機 旋轉變壓器

一、選題背景

太陽能光伏發電作為太陽能利用的主要方式之一， 因其資源潛力大、可持續利用等特點，成為各國競相發展的重點。近年來，隨著太陽電池成本下降，光伏發電已成為太陽能利用中最具活力的領域，而提高光伏發電裝置的轉換效率是進一步利用太陽能、降低成本的重要課題。為了提高光伏發電系統的轉換效率，提高發電系統的發電量，需要提高光伏陣列吸收太陽輻射能量的能力。其主要解決途徑是使光伏組件的框架平臺受光面能正對太陽，使相同的輻照條件下比固定安裝的光伏組件能吸收更多的太陽輻射能量。國內外的研究主要集中在最佳傾角固定安裝和自動跟蹤裝置，成本最低的最佳傾角固定安裝光伏陣列，由于太陽光入射角隨晝夜、季節變化，光伏組件陣列不能充分吸收太陽輻射的能量，且由于光伏組件聚光后產生的高溫，有可能反而造成不必要的損失。

本文結合自動控制元件課上所學知識，重點分析了跟蹤傳動機構的二相混合式步進電機和角度測量裝置自整角機的工作原理及建模仿真。

二、跟蹤伺服系統

太陽光源跟蹤伺服系統，基本功能是使光伏陣列快速、平穩且準確地跟蹤定位太陽光源。利用天文知識可以精確地獲取太陽高度角和方位角。如圖1 所示的雙軸太陽光源跟蹤伺服系統，系統時刻檢測光伏陣列和太陽光源的位置并將其輸入到驅動運算單元，并產生輸出信號驅動兩部電機分別在水平面和鉛垂面內運動， 使太陽光時刻垂直人射到光伏陣列的表面上，達到準確和快速跟蹤太陽光源的目的。

2.1平臺框架結構

該設計采用雙軸機械跟蹤定位方式。主要由電池板框架平臺、底座、兩個轉動軸（方位軸、俯仰軸）和直流電機構成。整個太陽能電池板安裝在框架平臺上。跟蹤裝置設計成雙軸機械跟蹤定位系統， 可以同時在方位角和俯仰角兩個方向上同時進行位置跟蹤。在驅動電路的作用下可以使電池板框架平臺在水平方向上0～270°和垂直方向上的0～85°自由旋轉，以滿足全天的太陽軌跡跟蹤。太陽能電池板平臺框架示意圖如圖2 所示。

2.2跟蹤傳動機構——二相混合式步進電機

高度角跟蹤傳動機構控制太陽能電池板的俯仰運動，方位角跟蹤傳動機構控制太陽能電池板的旋轉運動。兩個機構工作時互不影響，本文以方位角跟蹤傳動機構為例進行分析。其系統結構圖如圖3所示。圖中比例環節 K 為驅動放大電路的等效傳遞函數，G1（s）為步進電機傳動系統的等效傳遞函數，輸 入θr（s）為太 陽位置信號，輸出θc（s）為太陽能電池板位置信號。

2.2.1動力裝置選擇

此處的動力裝置選擇為二相混合式步進電機。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化設備中。步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角）。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。混合式步進電機是綜合了永磁式和反應式的優點而設計的步進電機。一個步進電機系統的組成如圖4所示：

混合式步進電動機綜合了反應式和永磁式兩者的優點。該種電動機效率高，電流小，發熱低。因永磁體的存在，該電動機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩、噪聲低、低頻振動小。因此本設計選擇混合式步進電機作為動力裝置。

2.2.2二相混合式步進電機結構

混合式步進電機的結構與反應式步進電機不同，反應式步進電機的定子與轉子均為一體結構，而混合式電機的定子與轉子都被分為下圖所示的兩段，極面上同樣都分布有小齒。

定子的兩段齒槽不錯位，上面布置有繞組。上所示為兩相4對極電機，其中的l、3、5、7為A相繞組磁極，2、4、6、8為B相繞組磁極。每相的相鄰磁極繞組繞向相反，以產生上圖中x、y向視圖中所示的閉合磁路。

顯然，同一段轉子片上的所有齒都具有相同極性，而兩塊不同段的轉子片的極性相反。混合式步進電機與反應式步進電機的最大區別在于當磁化的永久磁性材料退磁后，則會有振蕩點和失步區。混合式步進電機的轉子本身具有磁性，因此在同樣的定子電流下產生的轉矩要大于反應式步進電機，且其步距角通常也較小。

2.2.3步進電機工作過程

當兩相控制繞組按AA--BB或BB--AA的次序輪流通電，每拍只有一相繞組通電，四拍構成一個循環。當控制繞組有電流通過時，便產生磁動勢，它與永久磁鋼產生的磁動勢相互作用，產生電磁轉知，使轉子產生步進運動。

當A相繞組通電時，在轉子N極端磁極1上的繞組產生的S磁極吸引轉子N極，使得磁極1下是齒對齒，磁力線由轉子N極指向磁極1的齒面，磁極5下也是齒對齒，磁極3和7是齒對槽。由于兩段轉子鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距，在轉子S極端，磁極1'和5'產生的S極磁場，排斥轉子S極，與轉子正好是齒對槽，磁極3'和7'齒面產生N極磁場，吸引轉子S極，使得齒對齒。

因轉子上共有50個齒，其齒距角為3600 /50=720，因此當定子的A相通電，在轉子N極，磁極1的5個齒與轉子齒對齒，旁邊的B相繞組的磁極2的5個齒和轉子齒有1/4齒距的錯位，即1.80， A相磁極3的齒和轉子就會錯位3.6 0，實現齒對槽了。當A相斷電B相通電時，磁極2產生N極性，吸合離它最近的S極轉子7齒，使得轉子沿順時針方向轉過1.80，實現磁極2和轉子齒對齒，此時磁極3和轉子齒有1/4齒距的錯位。依次類推若繼續按四拍的順序通電，轉子就按順時針方向一步一步地轉動，每通電一次即每來一個脈沖轉子轉過1.80，即稱步距角為1.80，轉子轉過一圈需要3600 /1.80 =200個脈沖?。

2.2.4步進電機的驅動

本設計采用步進電機細分驅動技術實現對二相混合式步進電機的驅動。步進電機細分驅動技術是70年代中期發展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅動控制技術。1975年美國學者T.R.F redr ik sen首次在美國增量運動控制系統及器件年會上提出了步進電機步距角細分的控制方法。在其后的二十多年里，步進電機細分驅動技術得到了很大的發展，并在實踐中得到廣泛的應用。實踐證明，步進電機細分驅動技術可以減小步進電機的步距角，提高電機運行的平穩性，增加控制的靈活性等。

脈寬調制式細分驅動電路是把D/A輸出的控制電壓加在脈寬調制電路的輸入端，脈寬調制電路將輸入的控制電壓轉換成相應脈沖寬度的矩形波，通過對功放管通斷時間的控制，改變輸出到電機繞組上的平均電流。由于電機繞組是一個感性負載，對電流有一定的濾波作用，而且脈寬調制電路的調制頻率較高，一般大于20 kHz，因此，雖然是斷續通電，但電機繞組中的電流還是較平穩的。脈寬調制式細分驅動電路的控制精度高、工作頻率穩定。其驅動電路圖如圖7所示。

2.3角度測量裝置——旋轉變壓器

作為一個閉環控制系統，我們需要實時采集太陽能電池板實際的位置和角度，作為輸出信號，反饋給控制系統。本設計采用旋轉變壓器作為測量角度的裝置。旋轉變壓器是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。它是一種測量角度用的小型交流電動機，用來測量旋轉物體的轉軸角位移和角速度，由定子和轉子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓，勵磁頻率通常用400、3000及5000HZ等。轉子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應電壓。

2.3.1旋轉變壓器工作原理

旋轉變壓器的工作原理和普通變壓器基本相似，區別在于普通變壓器的原邊、副邊繞組是相對固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數，而旋轉變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉子的角位移發生相對位置的改變，因而其輸出電壓的大小隨轉子角位移而發生變化，輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角成正弦、余弦函數關系，或保持某一比例關系，或在一定轉角范圍內與轉角成線性關系。

2.3.2移相器原理

移相器是一種輸出電壓幅值恒定，其相位與轉子轉角成線性函數關系的交流控制電機。其實質可看作旋轉變壓器的一種特殊工作方式。如圖8所示，定子的一相繞組接勵磁電壓，另一相繞組短接作原邊補償，在轉子正交的兩相繞組中，正弦繞組接串接電容C，余弦繞組接串接電阻R，然后并聯輸出。

2.3.3測角系統整體設計

根據上述旋轉變壓器鑒相工作原理，當同時存在勵磁信號E12和E34 時，旋轉變壓器輸出電壓信號與勵磁電壓相比，幅值不變，相位的變化等于轉子相對于定子的轉角θ。系統的設計方案如圖所示。該測角系統是絕對式測角系統，可以測量轉子轉角相對于初始位置的角度值θ 。

三、建模與仿真

3.1二相混合式變壓器建模

3.1.1建立數學模型

對于二相混合式步進電機，在不計定子極間和端部的漏磁、不計永磁體回路的漏磁、忽略磁滯和渦流的影響、忽略飽和的影響、忽略定子線圈自感的諧波分董時，電機的繞組內旋轉感應電壓EA 、EB 為

式中 ke為反電勢系數，θc為步進電機電角度，ω為電機轉速。

電壓平衡方程為

式中 UA 、UB 和 iA、iB分別為 A 、B 兩相的電壓和電流，R 為相繞組電阻，L為相繞組電感，M 為相繞組間互感。

整個系統的開環和閉環傳遞函數分別為為

3.1.2仿真結果分析

選用電源的電壓60V，脈沖頻率為1000Hz。在無外載荷和負載為500N·m 的兩種條件下，對已建立的二相混合式步進電動機模型進行仿真，仿真模型，如圖9所示。在外載荷為零時，得到電動機角位移圖和電流變化圖，如圖10、圖11 所示。

從仿真結果可以看出，角位移與時間基本上成線性關系;電流變化正負值對稱，峰值都是2A。仿真效果良好，與理論結論是相吻合的，有效地驗證了仿真模型的準確性。在啟動階段，兩圖都出現了一些波動，這與模型的簡化、電機剛起動不穩定有關;但系統在短時間內達到了穩定狀態。角位移后面線性關系很明顯;電流變化關于直線對稱。可見，建立的物理模型是可行的。

四、總結與收獲

通過對太陽光源跟蹤伺服系統的設計，并結合課程內容，重點研究了二相混合式步進電機和旋轉變壓器的結構、工作原理，并對其進行了仿真驗證，學習了相關知識，加深了對課程知識的了解，提高了軟件仿真能力。

作者簡介：周啟明（1994——），男，漢族，安徽省蚌埠市，職務：成都慕和科技有限公司總經理兼技術總監，西南大學學科教學（物理學）碩士在讀，研究方向：學科教學（物理）