摘要

太陽能系統(tǒng)效率的高低在很大程度上取決于裝置與太陽照射光線的對準程度。而太陽自動跟蹤裝置可有效提高太陽能系統(tǒng)的效率，從而降低光伏系統(tǒng)的成本。本文基于此原理，利用PSoC芯片設(shè)計了一款太陽自動跟蹤與控制系統(tǒng)，通過PSoC對步進電機的精確控制，可使光伏系統(tǒng)自動跟蹤太陽。本轉(zhuǎn)置采用雙軸結(jié)構(gòu)，可在水平和豎直方向上自動跟蹤太陽。本系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、跟蹤誤差小、成本低廉，可廣泛應(yīng)用于太陽能電池板、太陽能熱水器等太陽能設(shè)備上。

1 引言

太陽能作為一種清潔無污染的可再生能源，越來越廣泛的應(yīng)用在我們?nèi)粘Ｉ钪小＝陙砣绾翁岣咛柲芟到y(tǒng)的利用效率正受到越來越多的關(guān)注。而太陽能系統(tǒng)效率的高低在很大程度上取決于裝置與太陽照射光線的對準程度。太陽能自動跟蹤轉(zhuǎn)置控制光伏系統(tǒng)以自動對準太陽，可有效提高太陽能系統(tǒng)的效率，從而降低光伏系統(tǒng)的成本。

本文設(shè)計了一種基于PSoC芯片的太陽自動跟蹤與控制系統(tǒng)，通過PSoC對電機的精確控制，可使光伏系統(tǒng)自動跟蹤太陽。本轉(zhuǎn)置將采用雙軸結(jié)構(gòu)，可自動檢測太陽的高度角和方位角，并控制步進電機帶動光伏系統(tǒng)跟蹤太陽。

2 控制基本原理

目前較流行的太陽能跟蹤器主要有時鐘式和比較控制式兩類[1-3]，時鐘控制式其控制方法是定時法：根據(jù)太陽在天空中每分鐘的運動角度，計算出太陽光接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度，從而確定出電動機的轉(zhuǎn)速，使得太陽光接收器根據(jù)太陽的位置而相應(yīng)變東。該方法雖然電路簡單，但由于時鐘累計誤差不斷增多，系統(tǒng)的跟蹤精度很低。

本方案我們采用比較控制的方法來控制光伏陣列跟蹤太陽。利用光敏電阻在光照時阻值的變化制作成可以檢測太陽位置的傳感器，結(jié)構(gòu)如圖1所示，利用光敏電阻在光照時阻值發(fā)生變化的原理，將五只光敏電阻呈十字形排列。R固定在聚光板的指日棒上，RV1、RV2、RH1、RH2對稱分布在指日棒兩側(cè)。RV1、RV2探測太陽高度角的變化，RH1、RH2探測太陽方位角的變化，太陽光線與太陽能集能器的平面法線不平行時，傳感器就能檢測出偏差信號。R探測太陽輻照度的變化，當太陽的輻照度低于或高于工作照度時就輸出啟動或復(fù)位信號。

系統(tǒng)控制陣列隨光轉(zhuǎn)動原理框圖如圖2所示，當太陽光線發(fā)生傾斜時，兩對光敏電阻檢測到陽光的傾斜信號，該信號經(jīng)放大濾波后由控制單元開始計算并確定整個裝置需要轉(zhuǎn)動的方向及大小，發(fā)出調(diào)整信號進而控制并驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，調(diào)整光伏陣列直到光伏陣列對準太陽。

3整體設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由光照度傳感器以及故障檢測傳感器部分(傳感器單元)、控制單元、驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)三部分組成。系統(tǒng)完整框圖如圖3所示，傳感器單元主要由光敏電阻及用于故障檢測的風大、雨水、振動等傳感器及其外圍電路組成，主要實現(xiàn)將光照度、風力變換以雨水檢測等信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號供PSoC芯片進行處理;PSoC芯片作為控制核心主要實現(xiàn)對傳感器部分中光敏電阻傳送過來的信號進行分析處理、進而控制整個設(shè)備的轉(zhuǎn)動、以及電機驅(qū)動三大功能，同時，該控制核心還將傳感器單元傳送的故障檢測信號進行分析并啟動相應(yīng)的保護程序以保護整個設(shè)備的安全;驅(qū)動執(zhí)行單元由步進電機和簡單機械結(jié)構(gòu)組成，用來實現(xiàn)電機驅(qū)動與旋轉(zhuǎn)，并通過機械傳動機構(gòu)帶動光伏電池陣列轉(zhuǎn)動。

傳感器檢測天亮和天黑、以及是否有云等信息，控制部分決定是否產(chǎn)生開關(guān)信號以啟動系統(tǒng)跟蹤檢測功能，在整個設(shè)備啟動后，控制部分經(jīng)過計算確定整個設(shè)備應(yīng)轉(zhuǎn)動的方向和大小，進而發(fā)出指令控制驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)帶動光伏陣列轉(zhuǎn)動。同時，在設(shè)備轉(zhuǎn)動到預(yù)定的位置后，控制部分還將檢測此刻光伏陣列是否垂直于太陽光的照射，以確定光伏陣列是否跟蹤上太陽的位置。而保護信號是保證系統(tǒng)在外界以及其他非人為因素情況下所執(zhí)行的一種操作指令，以確保系統(tǒng)不受損壞，從而提高整個系統(tǒng)的可靠性。

3.2 硬件部分實現(xiàn)

控制部分選用Cypress公司生產(chǎn)的PSoC芯片，PSoC可配置片上系統(tǒng)是該公司在2001年底推出的具有全新理念的可編程微控制器。與傳統(tǒng)的微控制器不同，PSoC 因可動態(tài)編程配置而具備傳統(tǒng)微控制器所欠缺的高度靈活性和應(yīng)用廣泛性。因此，PSoC能夠適應(yīng)非常復(fù)雜的實時控制需求，使用它進行產(chǎn)品開發(fā)可以大大提高開發(fā)效率，降低系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性和費用，同時增強系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，它適用于各種控制和自動化領(lǐng)域

3.2.1 信號處理部分：

該部分主要用于處理由外部的傳感器包括光敏電阻、風大傳感器、雨水傳感器以及掉電傳感器等傳過來的信號用以后級的程序判定。各個傳感器傳過來的信號處理如下圖所示：

(1)光敏電阻信號部分：

經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號用于后級計算轉(zhuǎn)動方向及角度，并作為電機轉(zhuǎn)動大小及方向的基準。

(2)風大傳感器，雨水傳感器等產(chǎn)生的信號經(jīng)由繼電器后連接到PSoC芯片的管腳，當相應(yīng)管腳檢測到高電平時，則啟動相應(yīng)的保護程序，將設(shè)備轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的安全位置。

(3)掉電保護，原理同(2)，不同的是當相應(yīng)管腳檢測到高電平時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號。

控制部分：

控制部分主要包括可視化界面以及電機在收到命令之后如何轉(zhuǎn)動的程序部分。

(1)可視化界面部分：

該部分主要由Visual C++實現(xiàn)，主要負責長期監(jiān)控整個轉(zhuǎn)動裝置的轉(zhuǎn)動是否正常，PC是否接收到了PSoC芯片傳輸過來的故障信號，并進行分析是哪種故障，以可視化的形式供給用戶進行分析。

(2)電機轉(zhuǎn)動部分以及故障信號檢測部分：

該部分主要由前級的光敏電阻信號觸發(fā)，在收到觸發(fā)信號之后，PSoC芯片將啟用儲存在其內(nèi)部的轉(zhuǎn)動程序進行分析，從而轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的位置。同時，PSoC芯片還將不停的檢測故障信號，在收到故障信號之后執(zhí)行相應(yīng)的命令。

該部分功能主要由軟件實現(xiàn)。流程圖如圖5所示。

3.2.3電機驅(qū)動部分：

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。本系統(tǒng)采用步進電機控制太陽能器件轉(zhuǎn)動以朝向太陽，具有控制簡單、精度高的優(yōu)點。

電機驅(qū)動利用PSoC輸出，其硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示：

本步進電機驅(qū)動部分采取的是以PSoC為核心處理器的斬波恒流模式，斬波恒流驅(qū)動控制技術(shù)是目前步進電機控制的主流技術(shù)之一，斬波電路的出現(xiàn)是為了彌補高低壓驅(qū)動電路波形呈凹形的缺陷，使電機的輸出轉(zhuǎn)矩的平均值基本恒定。同時電機的高頻響應(yīng)得以提高，共振現(xiàn)象減弱。斬波驅(qū)動中，雖然電路較復(fù)雜，但是由于驅(qū)動電壓較高，電機繞組回路又沒有串入電阻，整個系統(tǒng)功耗下降很多，所以電流上升快。當達到所需要的電流時，由于取樣電阻的反饋作用，使繞組電流基本恒定，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)電動機的輸出轉(zhuǎn)矩基本恒定。而輸出轉(zhuǎn)矩是步進電機的一個重要性能指標，當我們使電機的繞組電流恒定在一個較高的數(shù)值時，就可提升電機的輸出轉(zhuǎn)矩。

4 機械驅(qū)動部分

綜合考慮成本，控制精度及制造難易程度，跟蹤器設(shè)計成立柱轉(zhuǎn)動式。其結(jié)構(gòu)如圖7所示，大齒輪連接于主軸，轉(zhuǎn)動架及支架安裝在主軸上，主軸相對于支撐架可以轉(zhuǎn)動，小齒輪與大齒輪嚙合，小齒輪連接在馬達的輸出軸上，馬達1固定在底座上。利用小齒輪副動，帶動大齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對太陽方位角的跟蹤。支架安裝在轉(zhuǎn)動架，馬達2安裝在支架上，馬達2的輸出軸連接在接收器上，控制接收器跟蹤太陽的高度角。

5 總結(jié)

本文基于PSoC為控制核心，設(shè)計了一種自動跟蹤太陽高度角與方位角轉(zhuǎn)動的自動太陽跟蹤系統(tǒng)，通過PSoC對步進電機的精確控制，可使光伏系統(tǒng)自動跟蹤太陽。該系統(tǒng)跟蹤準確、成本低、可靠性高、系統(tǒng)性能穩(wěn)定，且具有多重保護功能，可廣泛應(yīng)用于太陽能灶、太陽能熱水器，太陽能光伏陣列等各種太陽能集能裝置上，對于大型的光伏發(fā)電系統(tǒng)也具有一定的指導(dǎo)意義。