太陽追蹤系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
余濤，馬立新， 陳國平，劉和勇
（上海理工大學(xué)電氣工程系，上海200093）
摘要：為提高太陽能板接收能量的效率，設(shè)計(jì)了一種日光垂直追蹤系統(tǒng)的電機(jī)控制方法。該方法與傳統(tǒng)的使用單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)不同，其利用fpca實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)控制算法，運(yùn)用直接數(shù)字式頻率合成器( dds)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對步進(jìn)電機(jī)在各種運(yùn)行模式下加減速、正反轉(zhuǎn)及精確定位的控制仿真，其性能穩(wěn)定可靠。同時(shí)，利用fpca提供的可配置資源，在應(yīng)用中，可以用同一塊fpca芯片對多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行控制，從而大幅度降低光伏發(fā)電的成本。采用fpca來實(shí)現(xiàn)的太陽追蹤系統(tǒng)能有效提高太陽板的光電轉(zhuǎn)化效率，并具有較廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：太陽追蹤系統(tǒng)；步進(jìn)電機(jī)；多電機(jī)控制
中圖分類號：tm383.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號：1673-6540(2010)03-0022-04
0 引 言
太陽追蹤系統(tǒng)是通過兩組光電傳感器（東西、南北各一組）傳回的電壓差信號經(jīng)過微處理器的分析和計(jì)算，再利用微處理器輸出的信號來對電機(jī)進(jìn)行控制，從而使電機(jī)作相應(yīng)調(diào)整，使太陽能電池板能夠做接近于半球面的旋轉(zhuǎn)來對太陽進(jìn)行追蹤，使太陽能電池板能夠更多地接收太陽光輻射，實(shí)現(xiàn)對太陽能更加充分地吸收利用。
當(dāng)太陽垂直射到太陽能電池板上時(shí)，電池板吸收的光照疆度****。但是，傳統(tǒng)的太陽能發(fā)電裝置是將太陽能電池板固定在預(yù)先制作好的支架上，太陽能電池板只能面向一個(gè)方向，使太陽能的利用率大大降低。有鑒于此，研究設(shè)計(jì)了追日性能良好的太陽追蹤發(fā)電系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)出的裝置，除了必須能承載太陽電池面板，也要能讓面板在空間中做接近半球面的立體轉(zhuǎn)動(dòng)，如此才能完全追蹤白天太陽在天空中的位置，從而可以使總體發(fā)電量得到提高。此系統(tǒng)可以提高照射能量密度，取得光照的****量，以及在相同的發(fā)電量下使用較少的太陽電池以降低發(fā)電成本，因此****研究發(fā)展前景。
1 追蹤系統(tǒng)的框架及步進(jìn)電機(jī)的控制原理
該系統(tǒng)所設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)架構(gòu)，使用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源來設(shè)計(jì)出追日性能良好的太陽追蹤裝置，此機(jī)構(gòu)為能做接近半球面立體轉(zhuǎn)動(dòng)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
系統(tǒng)中，欲實(shí)現(xiàn)大陽能****效率的利用，關(guān)鍵是對步進(jìn)電機(jī)的精確控制，從而達(dá)到對太陽的準(zhǔn)確追蹤。由于太陽能追蹤系統(tǒng)要作接近半球的立體轉(zhuǎn)動(dòng)，因此步進(jìn)電機(jī)在不同的時(shí)候需要作正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；另外由于很難做到對太陽的實(shí)時(shí)追蹤，這里采用的是間歇式追蹤，當(dāng)光電傳感器傳回的電壓差值達(dá)到一定值時(shí)電機(jī)才進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，使電機(jī)作定位運(yùn)行。因此，作為太陽能追蹤系統(tǒng)的重要組成部分，本文主要分析三相步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。
在目前的應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)大多采用單片機(jī)加上1塊驅(qū)動(dòng)芯片來實(shí)現(xiàn)。但是由于單片機(jī)本身資源的限制，一片單片機(jī)能夠控制的電機(jī)數(shù)目有限，另外考慮到未來太陽能發(fā)電場的規(guī)模，為了盡可能地降低發(fā)電成本，有必要用一塊芯片同時(shí)對多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行控制，因此選用fpca來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。
系統(tǒng)中，涉及到兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，考慮到兩臺(tái)電機(jī)的控制機(jī)理是相同的，先設(shè)計(jì)一臺(tái)電機(jī)的控制系統(tǒng)，另一臺(tái)電機(jī)的控制系統(tǒng)可以直接在fpga中映射實(shí)現(xiàn).
2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析
系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在fpca中使用vhdl[6]語言編程實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加減速、保持控制、正反轉(zhuǎn)控制，以及對步進(jìn)電機(jī)的精確定位，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對太陽的準(zhǔn)確追蹤。電機(jī)控制系統(tǒng)的頂層電路見圖2。
圖2中，clk為時(shí)鐘信號，此信號由fpga內(nèi)部時(shí)鐘信號分頻獲得；datain為頻率控制字，改變datain的大小能夠改變步進(jìn)電機(jī)的速率；dir為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向控制信號；mode為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行模式選擇信號，這里步進(jìn)電機(jī)可作三相單三拍、三相雙三拍、三相六拍轉(zhuǎn)動(dòng)；dw為定位起動(dòng)信號；d為定位的步數(shù)；outputabe為三相波形輸出。
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