基于步進電機細分驅(qū)動的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設計

摘要：為了高效地利用太陽能，根據(jù)太陽運行規(guī)律，結合光電傳感器設計以單片機為核心的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)。首先進行硬件設計和系統(tǒng)控制的軟件實現(xiàn)，然后深入地分析比較步進電機一般驅(qū)動和細分驅(qū)動對太陽能自動跟蹤精度的影響。研究結果表明，與采用一般驅(qū)動方法的系統(tǒng)相比，采用步進電機細分驅(qū)動的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度高，有效地提高太陽能利用率。
關鍵詞：太陽能；自動跟蹤；步進電機細分驅(qū)動；跟蹤精度

    能源短缺問題是目前許多國家面臨的重要問題，太陽能作為一種清潔無污染的能源，有著巨大的開發(fā)前景。我國是一個太陽能資源較為豐富的國家，充分利用太陽能資源，有著深遠的能源戰(zhàn)略意義。利用太陽能的關鍵是提高太陽能電池板采集太陽能的效率，太陽能電池板接受太陽光的直射，由此得到太陽最大光照強度，從而最大限度的采集太陽能，目前太陽能電池板普遍采用半自動單軸跟蹤方式和電池板固定朝南安裝的方式。這些方法存在的缺點是：轉(zhuǎn)換效率較低、跟蹤適應能力弱、跟蹤精度低。本文根據(jù)太陽運行規(guī)律，結合光電傳感器設計太陽能自動跟跟系統(tǒng)。設計硬件和軟件控制流程，深入地分析比較步進電機一般驅(qū)動和細分驅(qū)動對太陽能自動跟蹤精度的影響。該系統(tǒng)跟蹤能雙軸跟蹤，精度高，適應性強，有望在光伏發(fā)電中使用。

1 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設計
1．1 太陽運行規(guī)律
    為了提高太陽能電池板對光能的采集效率，需要盡可能的保持太陽光垂直照射到太陽能電池板上。從高度角方位角兩個物理量是可以描述太陽的這種位置變化的，太陽能電池板對高度角和方位角的跟蹤就能保證陽光垂直照射電池板，但是在一般情況下還需要光電傳感器反饋來對跟蹤的誤差進行修正，以提高自動跟蹤的精度。
    太陽高度角α

    式中：t是一天當中的時刻。
    由式(1)-(4)可計算出太陽高度角和方位角，以此進行兩個角度的雙軸跟蹤，來實現(xiàn)太陽能自動跟蹤。
1．2 系統(tǒng)總體設計
    太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)分為六個部分：時鐘模塊，初始位置校驗，單片機模塊，驅(qū)動模塊，光電檢測模塊和太陽能電池板。單片機是整個跟蹤系統(tǒng)的核心，負責運算和控制。時鐘模塊主要把全年每天的時間提供給單片機。驅(qū)動模塊包括光電隔離、步進電機驅(qū)動和步進電機，為了消除干擾，單片機和步進電機驅(qū)動之間需要加隔離；由于是在高度角和方位角兩個方向上進行雙軸跟蹤，因此需要兩個相同的驅(qū)動模塊。傳感器模塊包括四象限探測器、信號處理電路和A／D轉(zhuǎn)換電路。太陽光線垂直照射四象限探測器時，它四個象限的輸出電流等；

    當發(fā)生偏移時，四個象限的電流不等，通過四象限探測器的這種特點檢測太陽光是否直射太陽能電池板。信號處理電路負責信號采集放大，把電流信號轉(zhuǎn)化為相應的電壓量并放大后，通過A／D后送入單片機運算分析并發(fā)出控制信號給步進電機。
1．3 硬件設計
    系統(tǒng)的控制核心采用的單片機是AT89S51；時鐘芯片是DS1302；日出初始位置校驗需要使用微動開關，系統(tǒng)使用三洲集團樂拉電器廠的LXW5-11G2。
    光電檢測部分： (1)四象限探測器具有低暗電流，高可靠性、高均勻性、高對稱性，盲區(qū)小的優(yōu)點，系統(tǒng)采用的四象限探測器為Pacific Silicon Sensor的QP20—6T08S。四象限探測器示意圖如圖2所示，器件是反向偏置的半導體二極管陣列，其工作原理是：當太陽光垂直照射器件各個象限時，各個象限輸出的光電流ia、ib、ic、id相等；而當目標發(fā)生偏移時，各個象限的輸出光電流不等，光電流經(jīng)信號變換及放大后變?yōu)橄鄳碾妷毫?，太陽運動的兩個偏移量由式(5)算出，由此可測出太陽的方位，從而起到跟蹤的作用。四象限探測器能在東西方向(方位角方向)和南北方向(高度角方向)上進行雙軸跟蹤。并且通過四個象限的電流和還可以進行陰晴天的判斷，晴天時，太陽光線強，所產(chǎn)生的電流大，陰天時產(chǎn)生的電流小，因此確定一個閾值就能判斷天氣，經(jīng)實驗后得這個閾值為1．12V。(2)測量四象限探測器其中一個象限所用的光電探測電路如圖3所示，每個象限都使用完全相同的光電探測電路。電阻把光電二極管輸出的光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，運放將這個壓信號作適當?shù)姆糯?，四象限光電探測器所產(chǎn)生的阻抗電流，其值一般為mA級，經(jīng)試驗后知需要放大的倍數(shù)為2倍。(3)轉(zhuǎn)換器采用的是ADC0809，它是8位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A／D轉(zhuǎn)換，是目前國內(nèi)應用最廣泛的8位通用A／D芯片。
   
   

    驅(qū)動模塊在2．2中會詳細介紹。
1．4 軟件設計
    軟件流程圖如4所示。系統(tǒng)初次使用時進入時鐘芯片的初始化，中斷的初始化設置。剛日出時，進行初始位置校驗，即單片機發(fā)出信號控制電池板由頭一天運動的反方向旋轉(zhuǎn)，直至碰到限位開關后停止，此時的位置作為初始位置，初始位置太陽能電池板的高度角方位角是確定的。此后由時鐘提供的日出日落時間，和單片機儲存的事先計算好的日出日落時間比較，若在日出后日落前，傳感器電路由此時的光照強度判斷是否為晴天，若為晴天，進行時鐘跟蹤，即把單片機里事先存儲的太陽高度角方位角數(shù)據(jù)與上一次(每天日出時的為初始位置)的高度角方位角比較得出角度差值，轉(zhuǎn)化成脈沖數(shù)后單片機控制步進電機轉(zhuǎn)過相應的角度，這以后使用傳感器電路檢測陽光是否垂直照射電池板，若沒有，則把信號發(fā)送給單片機進行處理，再使電機帶動電池板旋轉(zhuǎn)；若為陰天，則只進行時鐘跟蹤。一次跟蹤完成后，等待1．5分鐘，進行下一次的跟蹤，如此反復進行。

2 步進電機的驅(qū)動
    步進電機的驅(qū)動方法可分為細分驅(qū)動和非細分驅(qū)動。細分驅(qū)動就是把步進電機的步距角細化，使步距角分辨率提高；在非細分驅(qū)動中，步進電機的步距角只有整步和半步兩種。
2．1 步進電機細分驅(qū)動的原理
    在步進電機非細分驅(qū)動電路中，各相繞組的電流只有零和某一額定值兩種狀態(tài)，相應的各繞組產(chǎn)生的磁場也是只有零和某一額定值兩種狀態(tài)。控制定子繞組中的電流變化，使合成磁勢以微步距轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)對步進電機原有步距角細分，使轉(zhuǎn)子以較小的步距增量旋轉(zhuǎn)，提高步進分辨率。細分控制的基本思想是在每次輸入脈沖切換時，只改變相應繞組中額定電流的一部分，這樣步進電機的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分，從而使轉(zhuǎn)子每步運行角度也只是步距角的一部分。
    式6為兩相混合式步進電機細分的數(shù)學模型
   
    式中：ia是A相電流，ib是B相電流，in是額定電流，n是細分數(shù)，s是步數(shù)為了實現(xiàn)恒力矩驅(qū)動，并保持力矩輸出為最大值，相電流的變化取三角函數(shù)關系。

    兩相混合式步進電機4細分電流狀態(tài)圖如圖5所示?？梢钥闯?，初始時A相電流ia=0，B相通額定電流in；第一步時，A相電流ia=insin(22．5°)=0．38in，B相電流ib=incos(22．5°)=0．92in；第二步時，ia=0．71in，ib=0．71in，……
2．2 步進電機細分驅(qū)動的實現(xiàn)
    文中設計的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的步進電機細分驅(qū)動采用THB6064H來實現(xiàn)，采用兩相混合式步進電機，其整步步距角是1．8°／步，半步是0．9°／步。THB6064H是一個PWM斬波式正弦波微步步進電機驅(qū)動器。它內(nèi)部集成了細分、衰減模式設置、電路調(diào)節(jié)、CMOS功率放大等電路。其主要參數(shù)和性能指標如下：
    (1)單芯片兩相正弦細分步進電機驅(qū)動。
    (2)采用高耐壓BiCD工藝。
    (3)可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。
    (4)可選擇細分控制(1／2，1／8，1／10，1／16，1／20，1／32，1／40，1／64)。
    (5)高輸出耐壓。
    (6)高輸出電流。
    (7)有輸出監(jiān)視管腳。
    (8)芯片內(nèi)部有過熱保護和過流檢測電路。

    單片機與步進電機細分驅(qū)動連接電路如圖6。單片機P0．2端發(fā)出高電平信號經(jīng)過光電隔離芯片TLP521，使能端EN變?yōu)楦唠娖?，芯片開始工作；CW／CWW端為步進電機正反轉(zhuǎn)控制端，用高低電平控制；CLK端為脈沖輸入端。撥碼開關確定細分數(shù)后，步進電機細分后的步距角也隨之確定，需要步進電機轉(zhuǎn)多大角度，只需轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)后通過P0．1向CLK端發(fā)送脈沖即可，為了避免步進電機過沖，而且在太陽能自動跟蹤系統(tǒng)中使用，也不必過快旋轉(zhuǎn)，所以脈沖頻率不能太高。用THB6064H芯片設計的步進電機細分驅(qū)動電路的外圍電路簡單，可靠性高，并且與單片機的連線只有三根。

3 步進電機驅(qū)動方法對太陽能自動跟蹤精度影響的研究
    在太陽能自動跟蹤系統(tǒng)中，每一個模塊對跟蹤精度都有影響，本文重點研究步進電機驅(qū)動方法對跟蹤精度的影響，必須使其他因素理想化，排除它們對跟蹤系統(tǒng)精度的影響，采用仿真進行研究。
    以南寧市夏至日高度角跟蹤為例，日出時間為當?shù)卣嫣枙r5時14分，日落時間為當?shù)卣嫣枙r18時46分。
3．1 自動跟蹤未采用細分驅(qū)動
    對南寧市夏至日高度角數(shù)據(jù)進行研究后發(fā)現(xiàn)，間隔時間為4．5分鐘時，太陽高度角的變化大約為0．9°，所以在不采用細分驅(qū)動時太陽能電池板在高度角上的調(diào)整至少需要間隔4．5分鐘。
    間隔4．5分鐘，無細分高度角跟蹤圖如圖7所示。圖中的階梯波形曲線為高度角跟蹤曲線，另一條曲線為實際的南寧市夏至日高度角曲線。不對光電傳感器部分進行仿真。

    在階梯波中，電池板轉(zhuǎn)動小角度所需要的時間相對于數(shù)分鐘的等待時間來說是非常短暫的，所以忽略電池板轉(zhuǎn)動所需要的時間。系統(tǒng)的跟蹤過程為：每隔4．5分鐘計算出高度角差值，除以半步步距角0．9°，得到所需脈沖數(shù)，由于脈沖只能是整數(shù)，所以對所得數(shù)據(jù)進行四舍五入處理，將得到的脈沖數(shù)發(fā)送使步進電機帶動電池板轉(zhuǎn)動。
    跟蹤的最大誤差是9．14°，平均誤差是3．96°。通過實驗發(fā)現(xiàn)，步進電機在沒有采用細分驅(qū)動時震動和噪聲比較大，每一個脈沖的旋轉(zhuǎn)角度誤差是比較大的，由于仿真中是假定此時一個脈沖使步進電機旋轉(zhuǎn)0．9°，所以實際的要比理想化的跟蹤誤差要偏大。
    不考慮反饋，出現(xiàn)累積誤差，配上傳感器電路作為反饋修正，可消除部分累積誤差，但是步進電機的最小旋轉(zhuǎn)角度是0．9°，對于諸如1．3°，2．4°這樣的離0．9°的整數(shù)倍較遠的角度偏差改良效果不佳，所以用光電傳感器電路進行反饋時對跟蹤精度的改良效果也十分有限。
    此時電池板的等待間隔時間至少是4．5分鐘，在這段時間內(nèi)電池板的角度是不變的，但是太陽高度角是一直在變化的，所以等待時間越長，則電池板采集太陽能的效率就會越低。
3．2 自動跟蹤采用細分驅(qū)動
    間隔1．5分鐘，采用32細分高度角跟蹤圖如圖8所示，其跟蹤過程與圖7類似。采用32細分驅(qū)動，0．0563°／步，間隔時間縮短，跟蹤的最大誤差是1．25°，平均誤差是0．9°。由圖8可知，跟蹤誤差比不采用細分驅(qū)動時明顯減小，精度提高，細分驅(qū)動后步進電機運行穩(wěn)定，每個步進精度接近于0．0563°，采用傳感器電路進行反饋補償后可進一步提高跟蹤精度，此時的補償效果優(yōu)于一般驅(qū)動。
    間隔1．5分鐘，64細分高度角跟蹤圖如圖9所示，其跟蹤過程與圖7類似。跟蹤的最大誤差是0．4°，平均誤差是0．16°。64細分驅(qū)動后精度比32細分進一步提高，并且64細分驅(qū)動時還可進一步縮短間隔時間。對于一般的實際應用來說，64細分，間隔1．5分鐘，再配以光電傳感電路進行角度反饋補償是完全能滿足太陽能自動跟系統(tǒng)的精度要求。

    基于縮短等待間隔時間，傳感器對小角度補償時誤差減小和步進電機運行穩(wěn)定三方面來考慮，太陽能自動跟蹤系統(tǒng)中步進電機驅(qū)動應采用細分驅(qū)動，這樣可以大幅提高跟蹤精度，充分利用太陽能資源。

4 結束語
    文中設計以單片機為核心的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)為雙軸跟蹤，能自動檢測晝夜和判斷天氣狀況。自動跟系統(tǒng)采用預先計算好的太陽位置進行自動跟蹤，晴天時光電傳感器對可能出現(xiàn)的誤差進行修正，減小跟蹤誤差。深入地分析比較系統(tǒng)中步進電機驅(qū)動采用一般驅(qū)動與細分驅(qū)動對跟蹤精度的影響，得出結論，與采用一般驅(qū)動方法的系統(tǒng)相比，采用步進電機細分驅(qū)動的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度高，有效地提高太陽能利用率。