太阳能跟踪器控制系统硬件研究

太阳能跟踪器控制系统硬件研究
一、概述
系统主要由控制器、时钟部分、光电检测部分、位置检测部分、驱动执行机构、太阳能电池板等部分组成。

DSP 作为整个控制系统的核心部分，负责运算和控制；时钟模块负责把全年每天的时间信息提供给DSP；光电检测部分主要包括四象限探测器、调理电路、A/D 转换电路等；位置检测部分包括光电编码器、正交编码电路等；驱动传动执行部分包括驱动电路和直流减速电机、传动机械装置等组成。

二、太阳能跟踪器控制系统工作原理
跟踪控制系统采用开环和闭环相结合的控制方法，以太阳轨迹跟踪为主调节，当到达预设调节时间时系统立刻发出驱动电机指令，使其旋转到再过半小时后的目标位置，系统休眠半个小时后太阳与跟踪装置位置大致重合，此时再启动光电跟踪模式，首先判断太阳光是垂直照射电池板，若垂直照射，则停止光电跟踪模式；反之，则将检测到的太阳位置偏差信号经放大、滤波，送控制器A/D 转换后运算处理，控制器再发出驱动电机指令使其继续旋转，直至偏差信号到给定值，完成光电跟踪校正。

系统再休眠半个小时后，进入第二次定时跟踪，如此循环，实现全天自动跟踪。

系统完成最后一次跟踪后，回到初始位置准备第二天跟踪。

三、太阳能跟踪器硬件具体设计
1.控制核心DSP 及选型
当前，光伏发电跟踪系统的控制核心主要采用单片机、PLC、PC 机、ARM、DSP 来实现。

由于DSP 控制器具有先进的软件和硬件结构、事件模块管理功能、高速的中断处理功能、价位日趋降低等特点，迅速成为一种非常方便实现数字化控制的微处理器。

半导体技术的飞速发展，使得数字信号处理器具有非常強大的快速计算能力，同时能够实现特别复杂的计算方法，它还具备实时处理功能和丰富的外设功能，常用于控制领域。

模拟控制系统具有电路功能简单、控制精度低等缺点，数字控制系统较强的抗干扰能力、较高的可靠性、较好的复杂控制，可以弥补模拟控制系统的不足，使得控制变得十分灵活。

因此，本文选择用DSP 作为控制核心。

TMS320F2812 是28系列DSP 中性价比最高的一款芯片，它具有较为完善的事件管理能力和嵌入式控制功能，其被普遍应用于工业控制，尤其是应用在处理速度、处理精度方面要求较高的地方，或者是在大批量数据处理的测控场合。

因此，本文选用合众达公司推出的SEED DEC2812实验板作为光伏发电跟踪控制系统的核心，它具有丰富外设资源。

2.TMS320F2812 芯片采用高性能的COMS 技术，CPU 主频高达150 MHz，低功耗设计，I / O引脚电压为
3. 3V；
3.支持JATG 在线仿真接口；
4.采用的是哈佛总线结构模式，拥有非常快的中断响应和中断处理功能，编写程序可使用C/C++语言和汇编语言。

5.TMS320F2812 片内含有128 K 16位的Flash ，具有1K 16位的OPT ROM空间，18 K 16位的随机存储器（SARAM ），4 K 16位的Boot ROM 空间。

6.9+时钟与系统控制：内含看门狗定时器，片内振荡器，支持动态锁相环倍频。

7.3 个外部中断，外部中断模块PIE 支持96 个外部中断，仅适用45 个外部中断。

8. 3 个32 位的CPU 定时器。

9.开发工具为TI 公司DSP 集成开发环境CCS。

10.低能耗模式和节能模式：支持空闲、等待、挂起三种模式。

11.可以选择179 引脚的BGA 封装或者176 引脚的LQFP 封装。

四、控制系统电路设计
1.电源电路
电源电路是保证控制系统正常工作的基本条件。

本文的控制系统所需的电压主要包括DSP芯片正常工作电压 3. 3V、电机驱动电路工作电压5V、电机工作电压24V和运放工作电压15V。

目前，大多数电子设备的输入电源都采用变压器将市电降压、半波整流或全波整流、滤波电路、稳压器的设计过程。

2.F2812 的时钟
TMS320F2812 上的CPU 、Watchdog 电路、ADC 、EV 等片上外设部件都需要时钟。

SEED ？DEC2812用30 MHz外部晶振给F2812提供时钟，并使能F2812片上PLL 电路，经过片内PLL 倍频给出F2812 系统时钟CLKOUT ，片上外设包括CPU 、Watchdog 、ADC 、EV 、SCI 、SPI 等的时钟由CLKOUT 提供。

F 2812 的CPU 最高可以工作在150 MHz主频下，也就是将30 MHz输入频率经过 5 倍频。

3.F2812 的JTAG 接口JTAG 是联合测试行动小组的英文缩写，它是一种国际标准测试协议（IEEE1 149.1兼容），其功能是用作芯片内部测试，包括DSP
系统的软件和硬件仿真调试都是采用其接口的仿真器来实现的。

SEED DEC2812板上配置了一个SEED XDS510PLUS仿真器的JTAG 标准接口，利用这个接口对F2812 进行程序的下载、调试、烧写。

五、A/D 转换
TMS320F2812内部集成了一个12 位分辨率、具有流水线结构和16 个采样通道的模/数转换器。

ADC模块共有16 个模拟输入引脚且分为 2 组，A组的引脚为ADCINA0 ～ADCINA7，B 组的引脚为ADCINB0 ～ADCINB7，最高时钟频率可配置为25 MHz，采样频率最高为12.5MSPS。

它的自动序列发生器能够将两个8 状态序列发生器（SEQ1与SEQ2）单独地使用，也能够把它们合并在一起当作一个16 状态的序列发生器（SEQ）来使用。

六、电机控制模块
当前，太阳能跟踪系统的驱动执行机构主要有步进电机和直流电机两种。

步进电机控制简单，但其输出力矩小且价格贵，相比之下，直流电机虽不能像其那样可以精确控制转动角，但可以通过控制直流电机速度，且加驱动电路就可以实现控制要求，性价比高。

本文首先介绍了跟踪控制系统的总设计和工作原理，对系统进行了硬件设计，包括控制系统电路、、实时时钟模块和直流电机驱动模块。

选取DSP TMS320F2812 作为控制核心，介绍了DSP 的性能特点和外设模块。

参考文献
[1]徐东亮，任超.太阳自动跟踪装置控制系统的研究[J].机械工程与自动化，2008，（2）：140-142.。