1 引言

精確捕捉太陽光線可提高太陽能裝置，尤其是聚光類太陽能裝置的太陽能利用率。現(xiàn)有的聚光類太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要采用程序控制、傳感器控制、程序與傳感器聯(lián)合控制的方法。程序控制方法是計(jì)算出太陽在一天中的位置，并通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，該方法可克服傳感器控制的缺點(diǎn)，但存在累積誤差，且程序復(fù)雜，對(duì)控制器要求較高；傳感器控制方法是實(shí)時(shí)測(cè)量太陽光的方向，但實(shí)際應(yīng)用中存在跟蹤死區(qū)，跟蹤范圍窄；而程序與傳感器混合控制的方法雖然在任何氣候條件下都能得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制，但由于成本和可靠性等問題，一直沒有被規(guī)模化使用。為更好地采集太陽輻射能量，降低發(fā)電成本，提高跟蹤裝置可靠性，這里對(duì)太陽光線自動(dòng)跟蹤方法進(jìn)行研究，并利用TMS320F2806型DSP為主控制器設(shè)計(jì)模擬跟蹤控制系統(tǒng)。

2 跟蹤方法

2．1 模擬跟蹤裝置

太陽光線的入射角是時(shí)刻變化的，為使跟蹤裝置在不同季節(jié)、不同日照時(shí)間都能精確地捕捉太陽光線人射角，機(jī)械結(jié)構(gòu)采用雙軸跟蹤：利用高度角一方位角式全跟蹤，通過兩電機(jī)分別控制高度角軸與方位角軸位置，如圖1所示。跟蹤箱內(nèi)裝有跟蹤傳感器，電機(jī)1控制高度角軸，電機(jī)2控制方位角軸，兩軸的合成運(yùn)動(dòng)使跟蹤鏡頭始終跟隨太陽入射光線。編碼器1、編碼器2分別檢測(cè)高度角軸與方位角位置。

3．2 傳感器檢測(cè)電路

由跟蹤策略可知，傳感器需要檢測(cè)的信號(hào)主要包括：光線強(qiáng)度、光電池一三象限電壓差、二四象限電壓差。這里主要介紹電壓差檢測(cè)電路。

由于光電池短路電流在很寬的光線強(qiáng)度范圍內(nèi)與光線強(qiáng)度成線性關(guān)系，在設(shè)計(jì)時(shí)利用其短路電流特性。在光電池的輸出端串聯(lián)取樣電阻，將電流的變化轉(zhuǎn)化為輸入電壓的變化。高度角與方位角跟蹤原理相同，以高度角跟蹤電路為例，信號(hào)檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3中Ain1、Ain3為采樣輸入端，分別連接光電池一三象限。當(dāng)太陽光斑在光電池上移動(dòng)時(shí)，光電池上一三象限的輸出電流不等，經(jīng)過電阻R1、R2采樣后，送入差動(dòng)放大器。R16為模擬量輸入端的取樣電阻，取電阻R13=R15。

由于所選控制器的模擬輸入電壓范圍為0～3 V，而光線聚焦在光電池上形成光斑后，光電池兩象限的電壓差有正負(fù)。因此需在差動(dòng)放大器同相輸入端加一偏置電壓Vr，使放大器輸出的零點(diǎn)電壓（當(dāng)放大器兩輸入端均為零時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換模塊檢測(cè)的電壓值）為1．5 V，以保證模擬輸入電壓始終為正值。根據(jù)運(yùn)放工作在線性區(qū)的依據(jù)：（1）輸入端電流為零；（2）U+=U-。假設(shè)采樣輸入端電壓為Uin1、Uin3，經(jīng)過計(jì)算得到通過R14的電流I為：

A／D轉(zhuǎn)換器采樣的模擬輸入電壓，即R16兩端電壓為：

當(dāng)傳感器主光軸對(duì)準(zhǔn)入射光線高度角時(shí)，光電池一三象限壓差Uin1-Uin3=0，此時(shí)VO2等于偏置電壓的放大值，即電壓基準(zhǔn)值，設(shè)其為U，則：

由式（4）和式（5）可知，在光電池直徑恒定，且光斑完全落在光電池上時(shí)，若焦距f越大，則d越大，θ越小。即焦距越長(zhǎng)，太陽像越大，光電池能檢測(cè)的太陽光線范圍越小。

所使用的透鏡焦距為410 mm，光電池直徑為25 mm，根據(jù)式（4）和式（5）可計(jì)算出光電池的檢測(cè)范圍為1．48°，太陽像直徑約為3．8 mm，即當(dāng)粗跟蹤將傳感器主光軸與太陽入射光線間的夾角調(diào)節(jié)至1．48°以內(nèi)時(shí)，太陽像便能全部呈現(xiàn)在光電池上，若此時(shí)光強(qiáng)滿足設(shè)定閾值，則可進(jìn)入傳感器跟蹤。另外，透鏡焦距會(huì)影響傳感器跟蹤分辨率（傳感器能檢測(cè)到的最小光線偏移角度），在其他影響因素一定的情況下，增加透鏡焦距，有助于提高傳感器的跟蹤分辨率，但會(huì)降低傳感器檢測(cè)范圍，此時(shí)就需要提高粗跟蹤算法精度。因此，設(shè)計(jì)時(shí)在考慮增加透鏡焦距以提高傳感器分辨率的同時(shí)還必須考慮所選粗跟蹤算法的跟蹤精度要與傳感器檢測(cè)范圍相吻合，以保證粗跟蹤后太陽光斑能落到光電池上。

4 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)采用粗跟蹤與精確跟蹤相結(jié)合的方法精確跟蹤太陽光線，并利用TMS28x系列DSP，其具有精度高、速度快、集成度高的特點(diǎn)，內(nèi)部集成有串行通信模塊、事件管理器、A/D轉(zhuǎn)換器等模塊，可滿足控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能要求。同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的浮點(diǎn)運(yùn)算，并滿足系統(tǒng)粗跟蹤計(jì)算要求。圖4為利用TM320F2806型DSP作為主控制器設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)控制框圖。

該系統(tǒng)控制硬件主要包括：主控制器、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、跟蹤傳感器、光電編碼器、顯示屏等。系統(tǒng)主要完成粗跟蹤太陽位置計(jì)算、跟蹤信號(hào)檢測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、位置檢測(cè)、顯示、監(jiān)控等功能。對(duì)太陽光線的跟蹤分為粗跟蹤與精定位。粗跟蹤由軟件實(shí)現(xiàn)，精定位由傳感器實(shí)現(xiàn)。粗跟蹤過程中，主控制器根據(jù)時(shí)間和日期以及觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)度、緯度計(jì)算出太陽的粗略位置，并與編碼器檢測(cè)的跟蹤軸位置相比較，根據(jù)兩者的差值輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)向程序計(jì)算的位置運(yùn)動(dòng)。跟蹤傳感器主光軸垂直于聚光器接收面，傳感器檢測(cè)信號(hào)經(jīng)放大和濾波后由控制器采樣。跟蹤傳感器不斷檢測(cè)光電池輸出電壓信號(hào)，并將檢測(cè)值送至控制器中的A/D轉(zhuǎn)換模塊，檢測(cè)到光線強(qiáng)度滿足跟蹤閾值后，進(jìn)入傳感器精確跟蹤，并根據(jù)電壓差采樣值確定電機(jī)轉(zhuǎn)向及速度。光電編碼器也用于返回精確跟蹤結(jié)束后太陽的實(shí)際位置。

由于系統(tǒng)需保存各種參數(shù)，如位置校準(zhǔn)值、當(dāng)?shù)氐乩韰?shù)等，擴(kuò)展1個(gè)I2C總線鐵電存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。行程開關(guān)用于為系統(tǒng)提供極限位置保護(hù)。系統(tǒng)的各種跟蹤信息可通過RS485總線傳輸至上位機(jī)，同時(shí)上位機(jī)也可實(shí)現(xiàn)控制跟蹤裝置，包括開始跟蹤、回零點(diǎn)、停止等命令。當(dāng)前跟蹤信息，如顯示跟蹤數(shù)據(jù)、電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、A/D轉(zhuǎn)換值及各種故障信號(hào)，都可在現(xiàn)場(chǎng)通過顯示屏顯示，通過顯示屏或手動(dòng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作跟蹤裝置，調(diào)試方便。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的跟蹤控制系統(tǒng)使用程序控制和傳感器控制相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)精確跟蹤太陽光線，其特點(diǎn)是：（1）DSP系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，且運(yùn)算速度快，利用其內(nèi)部的時(shí)間管理器模塊簡(jiǎn)單有效地控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。（2）具有相應(yīng)的人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)的顯示和遠(yuǎn)程控制。而在跟蹤方法方面，具有以下特點(diǎn)：（1）粗跟蹤采用簡(jiǎn)單算法實(shí)現(xiàn)，避免單一的程序控制對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制器高數(shù)據(jù)處理能力和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的要求；（2）單一的程序控制需要兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的高精度角度傳感器作為本地定位檢測(cè)，而這里所用策略的精確跟蹤過程南傳感器完成，降低程序控制時(shí)系統(tǒng)對(duì)角度傳感器的精度要求；（3）跟蹤范圍廣，傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，跟蹤穩(wěn)定。