太陽自動跟蹤閉環控制系統設計

張夢楊，單麟婷

太陽自動跟蹤閉環控制系統設計

張夢楊，單麟婷

（沈陽大學國際學院，遼寧 沈陽 110044）

系統以MCU（STC12C5A60S2）低功耗芯片為核心控制元件，通過姿態測量、光信號檢測及電機驅動等模塊，實現了太陽自動跟蹤的閉環控制。介紹了系統的整體設計思想和各個部分設計的技術細節，提出了視日運動軌跡跟蹤粗調和光信號跟蹤細調的控制策略，利用這種跟蹤控制策略，在保證跟蹤控制精度的基礎上，可以極大地提高系統的可靠性和抗干擾性。

自動跟蹤；閉環控制；單片機；科技工作者

為了更好地利用太陽能能量，國內外廣大科技工作者對太陽自動跟蹤技術進行了深入研究，提出了利用各種機械結構和各種類型傳感器來實現對太陽跟蹤的目的[1-7]。美國BICALACE在1997年研制了單軸太陽能跟蹤系統，實現了太陽東西方向的自動跟蹤，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，從而進一步提高了熱接收效率。國家氣象計量站研制的FST型全自動太陽跟蹤器，彌補了赤道架型太陽跟蹤器的缺點，具有全天候、全自動、跟蹤精度高等優點[9]。但是此跟蹤器采用具有恒功率輸出的步進電機驅動方式，低速時易出現低頻振動現象，高速時扭矩又會減小，且其控制又為開環控制，當負載過大或啟動頻率過高時易出現丟步或失步的現象。

1 系統設計

系統由三自由度運動平臺組成執行機構，分別由A、B兩臺直流電機驅動，使其接近于太陽光線垂直方向，通過調整采光設備的姿態，實現了最大限度接收太陽能的目的，控制電路部分安裝在平臺上，其結構如圖1所示。

圖1 系統結構簡圖

控制電路包括主控模塊、電機驅動模塊、數據存儲模塊、光信號檢測模塊、時間模塊、姿態測量模塊、電源模塊、通訊模塊及看門狗電路構成，其結構如圖2所示。

圖2 硬件結構框圖

主控模塊是設備的核心器件，選用STC12C5A60S2單片機，負責整個系統的運算、處理、協調、指揮和管理工作。光信號檢測模塊采用4個LXD7526光敏元件，用來檢測太陽的光照強度。DS1302作為時間模塊，通過SPI接口為主控模塊提供實時時鐘；電源模塊選用LM2576，將直流12 V轉換為5 V；姿態測量模塊選用ADXL345，通過I2C為主控模塊提供當前設備三自由度的姿態；數據存儲模塊選用AT24C02，用于記錄太陽運動軌跡數據；電機驅動模塊運用隔離驅動和續流保護實現對直流電機的驅動；通訊模塊提供RS232通訊的物理連接；為了提高裝置的可靠性，選用片內功能實現看門狗。

控制軟件包括主程序模塊、電機控制模塊、視日運動軌跡跟蹤模塊、模擬量計算模塊、角度計算模塊、數據存儲模塊和通訊處理模塊。

主程序模塊主要完成對裝置的初始化，并協調各個模塊之間的工作；電機控制模塊通過將控制電機運行的執行數據生成PWM信號，實現對電機運行控制；視日運動軌跡跟蹤模塊主要計算太陽在各個時刻的運動軌跡；模擬量計算模塊用來處理光敏信號檢測模塊采集的數據；角度計算模塊通過將視日運動軌跡跟蹤計算的數據和模擬量計算模塊的數據進行比較，并換算成控制電機運行的執行數據；數據存儲模塊實現數據的記錄與存儲；通訊處理模塊通過RS232實現裝置與上位機的通訊。

2 視日運動軌跡計算

太陽在各個時刻的運動軌跡主要由視日運動軌跡跟蹤計算模塊完成。在地平坐標系中，跟蹤系統就是對太陽方位角和高度角的跟蹤。一年中每天固定時刻的太陽方位角和高度角是一定的，可以由Cooper方程[10-11]近似計算。

太陽傾斜角的計算公式為：

=23.45sin[360（284+）/365] （1）

式（1）中：為從1月1日起一年中的第幾天。

太陽時角的計算公式為：

=15（12－） （2）

式（2）中：為當地太陽時。

的計算公式為：

=+－4（120－loc） （3）

式（3）中：loc為當地經度；為時差，min。

時差的計算公式為：

=9.87sin2－7.53cos－1.5sin（4）

式（4）中：=360（－81）/364。

太陽高度角s的計算公式為：

s=arcsin[（coscos+sin）sin] （5）

式（5）中：為當地緯度。

太陽方位角s計算公式為：

s=arcsin（cossin/coss） （6）

通過以上算法的計算分析，建立了有效的太陽軌跡跟蹤模型。

3 控制方法及實現

光源跟蹤系統的控制方法：為了實現快速、準確跟蹤太陽運轉的目的，本裝置采用視日運動軌跡跟蹤粗調，光信號跟蹤細調的跟蹤控制方法。系統上電后通過視日運動軌跡計算出當前時刻太陽的方位角和高度角，在直流電機驅動下使該系統運行至正對太陽的位置，通過光信號檢測模塊采集的數據對設備在±5°的范圍內進行調整，可以有效提高太陽跟蹤的效率，并減弱環境因素對太陽跟蹤精度的影響。

根據跟蹤控制方法編寫程序，系統初始化后，先對裝置的姿態進行測量；再運用DS1302的時間信息計算視日運動軌跡，得出當前太陽的方位角和高度角，然后進行光信號的采集；對視日運動軌跡的數據進行存儲，判斷裝置的姿態是否在調整范圍內。如果滿足條件，根據光信號對設備進行調整；如果不滿足條件，根據視日運動軌跡的計算結果直接對電機進行調整。程序主流程如圖3所示。

串口是單片機和上位機之間通訊的一個媒介，系統運用串口將調試信息和系統狀態信息發送至上位機，方便查看和調試。系統通過串口中斷實現通訊功能，當下位機接收到串口命令后進行比較，然后跳轉到相應的功能程序中去。程序的各個模塊在系統滴答時鐘節拍下運行，滴答時鐘由時間間隔為1 ms的定時器中斷時產生，進入定時器中斷服務程序后對不同的標志計數變量進行累加，形成不同的時隙。

圖3 主程序流程圖

4 結論

通過對現有視日運動軌跡跟蹤方法的分析，利用光敏元件主動尋找太陽位置，計算出以時間、經緯度為參數的高精度太陽位置，把角度傳感器作為設備姿態的反饋回路。根據姿態反饋信息實現高精度的控制策略。同時，視日運動軌跡跟蹤與主動跟蹤相結合，既消除了環境對跟蹤的影響，又實現了對太陽的自動跟蹤；系統具有結構合理、受環境條件影響較小等優點。

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TP29

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.005

2095－6835（2020）12－0015－02

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

〔編輯：張思楠〕